Physique-Chimie · Terminale · L’énergie : conversion et transferts
Description d’un système thermodynamique
Quatre grandeurs pour 10²⁵ molécules.
En bref
Un litre d’eau, c’est 3 × 10²⁵ molécules en mouvement désordonné.
Un litre d’eau, c’est 3 × 10²⁵ molécules en mouvement désordonné. On ne les suivra jamais une par une : la thermodynamique décrit ce même système avec quatre grandeurs.
Les deux échelles
| Échelle | Ce qu’elle décrit | Le lien |
|---|---|---|
| Microscopique | Les entités, leurs vitesses, leurs positions | — |
| Macroscopique | P, V, T, n — mesurables | Ce sont des moyennes statistiques de l’échelle du dessous |
La pression d’un gaz est l’effet moyen des chocs sur les parois ; la température, l’agitation moyenne.
Le système et son extérieur
| Type de système | Il échange… | Exemple |
|---|---|---|
| Ouvert | Matière et énergie | Une casserole sans couvercle |
| Fermé | L’énergie seulement | Une bouteille bouchée |
| Isolé | Rien | Le calorimètre idéal |
Les variables d’état
P, V, T et n décrivent l’état à un instant donné, sans rien dire de son histoire. Une transformation fait passer d’un état initial à un état final ; l’équilibre thermodynamique est atteint quand elles ne varient plus.
La température
T(K) = θ(°C) + 273,15. Le zéro absolu — 0 K, soit −273,15 °C — correspond à l’agitation minimale.
Toute formule contenant T doit employer le kelvin. Les °C ne sont licites que dans les écarts ΔT, puisqu’un écart de 1 °C vaut exactement un écart de 1 K. C’est une source d’erreur permanente.
La température est directement liée à l’énergie cinétique moyenne : deux fois plus chaud en kelvin, c’est deux fois plus agité.
L’énergie interne
| Ce que U comprend | Ce que U ne comprend pas |
|---|---|
| L’énergie cinétique d’agitation | L’énergie cinétique d’ensemble du système |
| Les énergies d’interaction entre entités | L’énergie potentielle de pesanteur |
Une bouteille d’eau posée sur une table et la même bouteille dans un train lancé ont exactement la même énergie interne.
C’est une fonction d’état : ΔU ne dépend que de l’état initial et de l’état final, jamais du chemin suivi.
La capacité thermique
C = m × c, où c est la capacité thermique massique, en J·kg⁻¹·K⁻¹.
| Corps | c |
|---|---|
| Eau liquide | 4185 J·kg⁻¹·K⁻¹ |
| Air | environ 1000 |
| Fer | environ 450 |
Celle de l’eau est remarquablement élevée : c’est ce qui en fait un bon fluide caloporteur, et ce qui adoucit les climats côtiers.
Chaleur et température ne sont pas la même chose : la température est un état, le transfert thermique un échange. Un système « ne contient pas de chaleur » — il contient de l’énergie interne.
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6 questions pour vérifier
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1.Un système fermé…
2.Quelle unité employer pour la température dans les formules de thermodynamique ?
3.L’énergie interne d’un système comprend son énergie cinétique d’ensemble.
4.À quoi la température est-elle directement liée à l’échelle microscopique ?
5.L’énergie interne est une fonction d’état.
6.Que vaut la capacité thermique massique de l’eau liquide ?
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