← Retour aux ressources
Spécialité Physique-Chimie · Classe de Terminale

Énergie interne et premier principe de la thermodynamique

Définir l'énergie interne d'un système, maîtriser les échanges de travail et de chaleur, et appliquer le premier principe à des transformations variées (programme de Tle Spé PC)

À propos de cette page
Cette évaluation sur « Énergie interne et premier principe de la thermodynamique » 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 : Système thermodynamique et état macroscopique, Énergie interne U : définition et propriétés, Travail échangé par un système : travail des forces de pression, Transfert thermique (chaleur Q). 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 — Notions de base et définitions

/ 4 pts
  1. Donner la définition de l'énergie interne $U$ d'un système. Préciser si c'est une grandeur extensive ou intensive.
  2. Énoncer le premier principe de la thermodynamique pour un système fermé en précisant les conventions de signe.
  3. Que signifie qu'une transformation est adiabatique ? Quelle simplification apporte-t-elle au premier principe ?
  4. Exprimer la relation liant $\Delta U$, $n$, $C_v$ et $\Delta T$ pour un gaz parfait et préciser dans quelles conditions elle est valable.

Exercice 2 — Travail des forces de pression et premier principe

/ 5 pts
  1. Un gaz est comprimé de $V_i = 5{,}0$ L à $V_f = 1{,}0$ L sous une pression extérieure constante $P_{ext} = 2{,}0 \times 10^5$ Pa. Calculer le travail $W$ reçu par le gaz.
  2. Au cours de cette compression, le gaz cède une chaleur de 120 J à l'extérieur. Calculer $\Delta U$.
  3. La température du gaz a-t-elle augmenté ou diminué ? Justifier qualitativement.
  4. Si on recommence l'opération mais en supposant la paroi parfaitement calorifugée (adiabatique), que peut-on dire de $\Delta U$ et de la température finale ?

Exercice 3 — Calorimétrie

/ 5 pts
  1. On plonge une masse $m_{Cu} = 150$ g de cuivre à $T_{Cu} = 90°C$ dans un calorimètre contenant $m_e = 250$ g d'eau à $T_e = 18°C$. La capacité calorifique du calorimètre est $C_{cal} = 40$ J·K⁻¹. Données : $c_{Cu} = 385$ J·kg⁻¹·K⁻¹ ; $c_e = 4180$ J·kg⁻¹·K⁻¹.
  2. Écrire le bilan calorimétrique permettant de déterminer la température d'équilibre $T_{eq}$.
  3. Calculer $T_{eq}$ (arrondir à 0,1°C).
  4. Calculer la chaleur cédée par le cuivre lors de cette transformation.

Exercice 4 — Transformation d'un gaz parfait

/ 3 pts
  1. Un gaz parfait biatomique ($C_v = \frac{5}{2}R$, $n = 0{,}50$ mol) subit une détente isotherme à $T = 350$ K. Son volume passe de $V_i = 5{,}0$ L à $V_f = 15{,}0$ L.
  2. Calculer $\Delta U$ pour cette transformation. Justifier sans calcul.
  3. Calculer le travail $W$ reçu par le gaz sous $P_{ext} = 1{,}5 \times 10^4$ Pa.
  4. En déduire la chaleur $Q$ échangée. Le gaz absorbe-t-il ou cède-t-il de la chaleur ?

Exercice 5 — Enthalpie et changement d'état

/ 3 pts
  1. Rappeler la définition de l'enthalpie $H$ et la relation $\Delta H = Q_P$. Dans quelle condition cette relation est-elle valable ?
  2. L'enthalpie de fusion de la glace est $\Delta H_{fus} = 334$ kJ·kg⁻¹ à $0°C$. Calculer la quantité de chaleur nécessaire pour faire fondre $m = 500$ g de glace à $0°C$ (pression atmosphérique).
  3. Après fusion complète, on chauffe l'eau liquide de $0°C$ à $20°C$ ($c_e = 4180$ J·kg⁻¹·K⁻¹). Calculer la chaleur totale nécessaire depuis la glace à $0°C$ jusqu'à l'eau à $20°C$.
✓Corrigé détaillé

Exercice 1 — Notions de base et définitions
Corrigé :
1. L'énergie interne $U$ est la somme de toutes les énergies microscopiques (cinétiques et potentielles d'interaction) des constituants du système. C'est une grandeur extensive (proportionnelle à la quantité de matière) et une fonction d'état. (1 pt)
2. Premier principe : $\Delta U = W + Q$ pour un système fermé, où $W$ est le travail reçu et $Q$ la chaleur reçue par le système (convention récepteur). (1 pt)
3. Une transformation adiabatique est une transformation sans échange de chaleur : $Q = 0$. Le premier principe devient $\Delta U = W$ : toute variation d'énergie interne est due au seul travail. (1 pt)
4. $\Delta U = nC_v \Delta T$, valable pour un gaz parfait quelle que soit la nature de la transformation (car $U$ ne dépend que de $T$ pour un gaz parfait). (1 pt)

Exercice 2 — Travail des forces de pression et premier principe
Corrigé :
1. $\Delta V = (1{,}0 - 5{,}0) \times 10^{-3} = -4{,}0 \times 10^{-3}$ m³. $W = -P_{ext}\Delta V = -2{,}0 \times 10^5 \times (-4{,}0 \times 10^{-3}) = +800$ J. (2 pts)
2. $Q = -120$ J (cédé). $\Delta U = W + Q = 800 + (-120) = +680$ J. (1,5 pts)
3. $\Delta U > 0$ et pour un gaz parfait $\Delta U = nC_v \Delta T$ : donc $\Delta T > 0$, la température a augmenté. (0,5 pt)
4. Adiabatique : $Q = 0$, donc $\Delta U = W = +800$ J. L'énergie interne augmente encore davantage que dans le cas précédent, et la température finale est plus élevée. (1 pt)

Exercice 3 — Calorimétrie
Corrigé :
1. Données bien identifiées. (0,5 pt)
2. Bilan : $m_{Cu} c_{Cu}(T_{eq} - T_{Cu}) + (m_e c_e + C_{cal})(T_{eq} - T_e) = 0$. (1,5 pts)
3. $0{,}150 \times 385 \times (T_{eq}-90) + (0{,}250 \times 4180 + 40)(T_{eq}-18) = 0$
$57{,}75(T_{eq}-90) + 1085(T_{eq}-18) = 0$
$57{,}75 T_{eq} - 5197{,}5 + 1085 T_{eq} - 19530 = 0$
$1142{,}75 T_{eq} = 24727{,}5$
$T_{eq} \approx 21{,}6°C$. (2 pts)
4. $Q_{Cu} = m_{Cu} c_{Cu}(T_{eq}-T_{Cu}) = 0{,}150 \times 385 \times (21{,}6-90) = 57{,}75 \times (-68{,}4) \approx -3950$ J. Le cuivre cède environ 3950 J. (1 pt)

Exercice 4 — Transformation d'un gaz parfait
Corrigé :
1–2. Transformation isotherme + gaz parfait : $\Delta T = 0$, donc $\Delta U = nC_v\Delta T = 0$. L'énergie interne d'un gaz parfait ne dépend que de $T$. (1 pt)
3. $\Delta V = (15{,}0-5{,}0)\times 10^{-3} = 10{,}0\times 10^{-3}$ m³. $W = -P_{ext}\Delta V = -1{,}5\times 10^4 \times 10^{-2} = -150$ J. (1 pt)
4. $\Delta U = W + Q = 0$ → $Q = -W = +150$ J. Le gaz absorbe 150 J de chaleur pour compenser le travail qu'il fournit à l'extérieur lors de la détente. (1 pt)

Exercice 5 — Enthalpie et changement d'état
Corrigé :
1. $H = U + PV$. Lors d'une transformation isobare : $\Delta H = Q_P$ (la variation d'enthalpie est égale à la chaleur échangée à pression constante). (1 pt)
2. Fusion (changement d'état isobare) : $Q_1 = m \cdot \Delta H_{fus} = 0{,}500 \times 334 \times 10^3 = 167\,000$ J $= 167$ kJ. (1 pt)
3. Chauffage de l'eau : $Q_2 = mc_e\Delta T = 0{,}500 \times 4180 \times 20 = 41\,800$ J $= 41{,}8$ kJ.
$Q_{tot} = Q_1 + Q_2 = 167 + 41{,}8 = 208{,}8$ kJ $\approx 209$ kJ. (1 pt)

→Continuer ce chapitre
📖 Cours ✏️ Exercices 🧩 Problèmes ❓ QCM
↔Autres chapitres
← Énergie mécanique : conservation et dissipation Conversions et transferts d'énergie →
Bloqué sur ce chapitre ?

Cours particuliers de spécialité physique-chimie à Marseille, en présentiel ou à distance — un prof qui s'adapte à ton rythme et reprend ce qui coince.

Réserver un 1er cours → Voir les tarifs