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Spécialité Physique-Chimie · Classe de Terminale

Conversions et transferts d'énergie

Bilan énergétique, travail, chaleur et rendement — programme de Spécialité Physique-Chimie Terminale

À propos de cette page
Cette évaluation sur « Conversions et transferts d'énergie » en terminale permet de faire le point sur ses connaissances en spécialité physique-chimie, comme lors d'un véritable contrôle. Elle suit le programme officiel de terminale et propose plusieurs exercices notés sur 20, avec un corrigé détaillé. Au programme : Énergie et système thermodynamique, Travail W et chaleur Q : deux modes de transfert, Premier principe de la thermodynamique, Transformations thermiques : calorimétrie. Travaille seul, chronomètre-toi, puis compare tes réponses au corrigé pour identifier les points à revoir. Parfait pour mesurer ses progrès et réviser efficacement. Évaluation gratuite conçue par un professeur particulier à Marseille pour aider les élèves de terminale en spécialité physique-chimie.
Évaluation finale · Niveau difficile · Durée 60 min · Noté sur 20
60:00

Évaluation complète de fin de chapitre, tout en niveau difficile. Travaille seul et sans aide, puis vérifie tes réponses avec le corrigé détaillé dépliable en bas de page.

Exercice 1 — Bilan d'énergie d'un gaz en transformation

/ 4 pts
  1. Un gaz enfermé dans un piston reçoit une chaleur $Q = 1200\,\text{J}$. Il se détend à pression extérieure constante $P_{ext} = 2 \times 10^5\,\text{Pa}$, son volume passant de $V_i = 3\,\text{L}$ à $V_f = 5\,\text{L}$.
  2. 1. Calcule le travail $W$ des forces de pression exercées sur le gaz.
  3. 2. Applique le premier principe pour déterminer $\Delta U$.
  4. 3. L'énergie interne du gaz augmente-t-elle ou diminue-t-elle ? Explique physiquement.

Exercice 2 — Calorimétrie : température de mélange

/ 4 pts
  1. Un calorimètre de valeur en eau $\mu = 50\,\text{g}$ contient $m_1 = 250\,\text{g}$ d'eau à $T_1 = 15\,°\text{C}$. On y verse $m_2 = 100\,\text{g}$ d'eau à $T_2 = 85\,°\text{C}$. ($c_{eau} = 4186\,\text{J·kg}^{-1}\text{·K}^{-1}$)
  2. 1. En supposant le calorimètre adiabatique avec l'extérieur, écris l'équation de conservation de l'énergie.
  3. 2. Calcule la température d'équilibre $T_{eq}$.

Exercice 3 — Rendement d'une éolienne

/ 4 pts
  1. Une éolienne reçoit une puissance cinétique du vent $P_{vent} = 50\,\text{kW}$. Elle produit une puissance électrique $P_{élec} = 18\,\text{kW}$.
  2. 1. Calcule le rendement $\eta$ de l'éolienne.
  3. 2. Quelle puissance est dissipée (pertes mécaniques, frottements, effet Joule) ?
  4. 3. Après un multiplicateur de vitesse ($\eta_{mult} = 0{,}97$) et un générateur ($\eta_{gen} = 0{,}94$), recalcule le rendement global en cascade depuis $P_{vent}$ jusqu'à $P_{élec}$. Comparer avec la valeur trouvée en 1.

Exercice 4 — Analyse d'une chaîne énergétique

/ 4 pts
  1. Une voiture hybride récupère $E_{fren} = 80\,\text{kJ}$ lors du freinage régénératif (rendement de conversion mécanique → électrique : $\eta_1 = 0{,}80$) et stocke cette énergie dans une batterie ($\eta_2 = 0{,}95$). L'énergie est ensuite restituée au moteur électrique ($\eta_3 = 0{,}90$).
  2. 1. Quelle énergie électrique est produite par le freinage régénératif ?
  3. 2. Quelle énergie est stockée dans la batterie ?
  4. 3. Quelle énergie mécanique est finalement disponible au moteur électrique ?
  5. 4. Quel est le rendement global de la récupération d'énergie ?

Exercice 5 — Comparaison de convertisseurs : argumenter

/ 4 pts
  1. On compare le chauffage d'un logement par résistance électrique (rendement $\eta_{res} \approx 1{,}00$) et par pompe à chaleur électrique ($\text{COP} = 3{,}5$).
  2. 1. Quelle quantité de chaleur $Q_{res}$ produit une résistance consommant $W = 1000\,\text{J}$ ?
  3. 2. Quelle quantité de chaleur $Q_{PAC}$ produit la PAC pour la même consommation $W = 1000\,\text{J}$ ?
  4. 3. Quel système est le plus économique ? Justifie en termes de coût énergétique.
  5. 4. Le COP d'une PAC peut-il dépasser le rendement de Carnot ? Justifie.
✓Corrigé détaillé

Exercice 1 — Bilan d'énergie d'un gaz en transformation
Corrigé :
1. $W = -P_{ext}\,\Delta V = -2\times10^5 \times (5-3)\times10^{-3} = -400\,\text{J}$. Le gaz fournit 400 J de travail.
2. $\Delta U = W + Q = -400 + 1200 = 800\,\text{J}$.
3. $\Delta U > 0$ : l'énergie interne augmente. La chaleur reçue (1200 J) compense plus que le travail fourni (400 J), donc les particules du gaz sont en moyenne plus agitées → la température augmente.

Exercice 2 — Calorimétrie : température de mélange
Corrigé :
1. Aucun échange avec l'extérieur : $Q_{total} = 0$.
$(m_1 + \mu)\,c_{eau}\,(T_{eq} - T_1) + m_2\,c_{eau}\,(T_{eq} - T_2) = 0$
2. $(0{,}250 + 0{,}050)\times4186\times(T_{eq}-15) + 0{,}100\times4186\times(T_{eq}-85) = 0$
$0{,}300\,(T_{eq}-15) + 0{,}100\,(T_{eq}-85) = 0$
$0{,}300\,T_{eq} - 4{,}5 + 0{,}100\,T_{eq} - 8{,}5 = 0$
$0{,}400\,T_{eq} = 13 \Rightarrow T_{eq} = 32{,}5\,°\text{C}$

Exercice 3 — Rendement d'une éolienne
Corrigé :
1. $\eta = P_{élec}/P_{vent} = 18/50 = 0{,}36 = 36\,\%$.
2. $P_{pertes} = 50 - 18 = 32\,\text{kW}$.
3. Il faudrait ajouter le rotor (avec sa propre efficacité, limite de Betz ≈ 59 %). En cascade : $\eta_{global} = \eta_{rotor}\times\eta_{mult}\times\eta_{gen}$. Avec $\eta_{rotor} \approx 36/(0{,}97\times0{,}94) \approx 39{,}5\,\%$ — cohérent. Le rendement global de 36 % tient compte de toutes ces pertes en série.

Exercice 4 — Analyse d'une chaîne énergétique
Corrigé :
1. $E_{élec} = \eta_1 \times E_{fren} = 0{,}80 \times 80 = 64\,\text{kJ}$.
2. $E_{batt} = \eta_2 \times E_{élec} = 0{,}95 \times 64 = 60{,}8\,\text{kJ}$.
3. $E_{mec} = \eta_3 \times E_{batt} = 0{,}90 \times 60{,}8 = 54{,}72\,\text{kJ}$.
4. $\eta_{global} = 0{,}80 \times 0{,}95 \times 0{,}90 = 0{,}684 = 68{,}4\,\%$. La voiture récupère donc environ 68 % de l'énergie cinétique qui aurait été perdue lors d'un freinage classique.

Exercice 5 — Comparaison de convertisseurs : argumenter
Corrigé :
1. $Q_{res} = \eta_{res} \times W = 1{,}00 \times 1000 = 1000\,\text{J}$ (toute l'énergie électrique devient chaleur).
2. $Q_{PAC} = COP \times W = 3{,}5 \times 1000 = 3500\,\text{J}$.
3. La PAC est bien plus économique : pour la même consommation électrique de 1000 J, elle délivre 3500 J de chaleur contre seulement 1000 J pour la résistance. Le coût de chauffage est divisé par ~3,5.
4. Non, le COP réel ne peut pas dépasser le COP de Carnot ($COP_{Carnot} = T_c/(T_c - T_f)$), qui constitue la limite thermodynamique supérieure pour une machine réversible. Les irréversibilités réelles diminuent toujours le COP réel par rapport à cette limite.

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