Premier principe et transferts thermiques terminale : résumé de cours

Ce résumé condense l’exigible du chapitre. Un seul principe — la conservation de l’énergie — et une convention de signe à ne jamais lâcher : tout est compté positivement quand le système reçoit.

L’énergie interne et le premier principe

L’énergie interne $U$ est la somme, à l’échelle microscopique, des énergies cinétiques d’agitation thermique et des énergies potentielles d’interaction entre entités.

Premier principe

$\Delta U = W + Q$

Système fermé au repos. Tout en joule. W : travail reçu, Q : transfert thermique reçu. Q > 0 si le système reçoit, Q < 0 s’il cède.

Système incompressible

$\Delta U = C\,\Delta T = m\,c\,\Delta T$

C en J·K⁻¹ (système entier), c en J·kg⁻¹·K⁻¹ (par kg). Pour l’eau : c = 4,18 × 10³ J·kg⁻¹·K⁻¹.

ΔT : kelvin ou celsius, même valeur

Une variation de température a la même valeur en K et en °C : aucune conversion à faire dans $mc\Delta T$ . (La conversion ne s’impose que pour une température absolue, comme dans $pV = nRT$ .)

Les trois modes de transfert thermique

Un transfert thermique se fait spontanément du corps chaud vers le corps froid :

Conduction — de proche en proche, sans déplacement de matière (le manche de la casserole).
Convection — par déplacement de matière (l’air chaud qui monte).
Rayonnement — sans support matériel (le Soleil chauffe la Terre à travers le vide).

Flux et résistance thermique

Flux thermique

$\Phi = \frac{Q}{\Delta t} = \frac{\Delta T}{R_{th}}$

Φ en watt (W), R_th en K·W⁻¹ (son expression est fournie). Plus R_th est grande, meilleure est l’isolation.

Flux ou énergie ?

Ne pas confondre le flux $\Phi$ (en W, une puissance) et l’énergie $Q$ (en J). Ni $C$ (J·K⁻¹) et $c$ (J·kg⁻¹·K⁻¹) : la minuscule est massique.

Le refroidissement : la loi de Newton

Un système au contact d’un thermostat évolue exponentiellement vers la température extérieure :

Loi de Newton

$T(t) = T_{\text{ext}} + (T_0 - T_{\text{ext}})\, e^{-t/\tau}$

τ : temps caractéristique en s. À t = τ, 63 % de l’écart est comblé ; le régime permanent est atteint vers 5τ.

Le bilan radiatif de la Terre

Exigible : estimer la température terrestre moyenne par un bilan quantitatif (loi de Stefan-Boltzmann donnée), puis discuter :

l’albédo — la fraction du rayonnement solaire réfléchie vers l’espace ;
l’effet de serre — l’atmosphère renvoie vers le sol une partie du rayonnement infrarouge émis par la Terre, ce qui élève la température d’équilibre.

Un contrôle approche et tu ne te sens pas au point ?

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Résumé — Premier principe et transferts thermiques