Variation de température et d’énergie interne – Terminale S – Cours

Cours de tleS sur la variation de température et d’énergie interne – Terminale S

Un transfert thermique vers un système S peut avoir comme effets une variation de température et/ou un changement d’état de S.

Les objectifs de ce chapitre : Etablir un lien entre la variation de température d’un système physique et sa variation d’énergie interne; préciser dans quelles conditions la relation est applicable. Définir la capacité thermique d’un matériau. Présenter la notion de chaleur latente de changement d’état. Voir quelques applications des notions abordées.

Capacité thermique d’un matériau

Considérons pour simplifier un système physique dont l’énergie mécanique est conservée. Ses variations d’énergie ne peuvent donc concerner que ses variations  d’énergie interne, par échange de chaleur Q et/ou de travail W avec son environnement.

Lorsque le système n’est pas soumis à un changement d’état et n’est pas le siège de réactions chimiques ou nucléaires, une variation de sa température  (en K ou °C) correspond à une variation de son énergie interne  (en J) selon la relation :

La constante de proportionnalité C est nommée capacité thermique. Elle s’exprime en J/K. La taille du système intervient dans la valeur de C : à  identique, il faut plus d’énergie pour chauffer une piscine qu’un verre d’eau.

Pour un système homogène composé d’un seul matériau, on introduit alors une capacité thermique massique :

Ce qui donne :
La masse m du système est en kg,  est en  et ne dépend que du matériau considéré. En réalité, la valeur de c varie légèrement avec la température ; ces variations seront négligées. Cette année, on considère les capacités thermiques massiques des solides ou liquides, mais pas des gaz, où les choses sont plus complexes.

Quelques valeurs :…

On peut aussi faire appel à une capacité thermique molaire :

Où :

M : est la masse molaire, en kg.mol-1.

Si le système est composé de matériaux différents, on peut les traiter chacun indépendamment des autres, car l’énergie est une grandeur additive.

Par exemple pour un système constitué de deux matériaux 1 et 2, on a :

Pour un système isolé thermiquement et n’échangeant pas de travail avec l’extérieur, on rappelle que :

Remarque : Quand un système n’échange que de la chaleur avec son environnement :

La relation  est donc plus générale, car un travail W peut engendrer une variation de température : radiateur électrique, compression d’un gaz, force de frottement, etc.

Changement d’état à température constante  

Le changement d’état: transformation physique au cours de laquelle une espèce passe d’un état physique à un autre.

Diagramme des changements d’état:

Variation d’énergie interne lors d’un changement d’état (en J):

La chaleur latente d’un changement d’état est l’opposé de celle du changement d’état inverse.

Exemple :…

 



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