Kleksa

Bac 2027 · spécialité physique-chimie

Premier principe de la thermodynamique, capacité thermique

Une casserole d’eau chauffe, un piston comprime un gaz, un glaçon fond : à chaque fois, de l’énergie entre dans un système ou en sort, et la température ou l’état du système en porte la trace. Le premier principe tient la comptabilité de ces échanges : travail et transfert thermique d’un côté, variation d’énergie interne de l’autre. En terminale, il sert à poser des bilans d’énergie, que la page apprend à rédiger pour l’écrit du bac.

Au bac de physique-chimie : dans 8 des 35 sujets de 2024 à 2026 (questions : 22).

L’essentiel

ce qu’il faut savoir
  • L’énergie interne UU rassemble toute l’énergie stockée à l’échelle microscopique : l’agitation des particules et leurs interactions mutuelles. On n’en mesure jamais que les variations ΔU\Delta U.
  • Un système fermé échange de l’énergie avec l’extérieur de deux façons : par un travail WW et par un transfert thermique QQ. Chacun est compté positivement quand le système le reçoit.
  • Premier principe, pour un système immobile à notre échelle : ΔU=W+Q\Delta U = W + Q. Si QQ est négatif, le système fournit de l’énergie à l’extérieur par transfert thermique.
  • Laissé à lui-même, un transfert thermique ne va jamais du plus froid au plus chaud : c’est toujours le corps chaud qui fournit l’énergie.
  • Un corps solide ou liquide, dit incompressible, dont la masse est mm, la capacité thermique massique cc et la température varie de Δθ\Delta\theta sans changement d’état, voit son énergie interne varier de ΔU=\Delta U ={}m c Δθ m\,c\,\Delta\theta ; Δθ\Delta\theta s’exprime aussi bien en kelvins qu’en degrés Celsius.

L’épreuve écrite de spécialité physique-chimie dure 210 minutes et est notée sur 20 : trois exercices indépendants, et à partir de la session 2027 deux points pour la maîtrise de la langue. Elle compte pour 80 % de la note de la spécialité ; l’évaluation des compétences expérimentales, une heure au laboratoire, pour 20 %. Le sujet dit si la calculatrice est autorisée.

Système, énergie interne et transferts

Le bilan commence par le choix du système : l’eau d’un ballon, le gaz d’un cylindre, un bloc de métal. Tout le reste forme l’extérieur. L’énergie interne regroupe l’agitation des atomes et des molécules, avec leurs rotations et leurs vibrations, et les interactions qui les lient ; elle croît quand la température monte.

Le système échange de l’énergie de deux façons. Le travail WW est un transfert d’énergie qui ne passe pas par l’agitation des particules, par exemple une force qui déplace un piston. Le transfert thermique QQ passe par l’agitation des particules, sous l’effet d’une différence de température : il va du corps chaud au corps froid, jamais en sens inverse de lui-même.

Choisis le signe de chaque terme du point de vue du système : énergie reçue, positive ; énergie cédée, négative. Retiens que certains manuels donnent à WW le sens inverse, en comptant le travail fourni par le système ; ici, comme dans les sujets, tout est compté du côté du système et ΔU=W+Q\Delta U = W + Q.

SystèmeΔUWQ

Le premier principe

Entre deux états, l’écart d’énergie interne ne dépend que de ces états, alors que WW et QQ dépendent du chemin suivi. Le principe affirme que ΔU\Delta U vaut leur somme : l’énergie se conserve, elle change seulement de place entre le système et l’extérieur.

Dans un bilan, sépare donc ce qui est à gauche du signe égal, la variation d’énergie du système, de ce qui est à droite, les échanges avec l’extérieur. Un système isolé ne reçoit rien : W=Q=0W = Q = 0 et ΔU=0\Delta U = 0.

Exemple en valeurs fictives : on comprime un gaz en lui fournissant un travail de 250 J\pu{250 J}, mais il cède 90 J\pu{90 J} à l’extérieur par transfert thermique. On a W=+250 JW = \pu{+250 J}, Q=−90 JQ = \pu{-90 J}, d’où ΔU=160 J\Delta U = \pu{160 J} : l’énergie interne du gaz a augmenté.

Capacité thermique d’un système incompressible

Un liquide ou un solide change à peine de volume : les forces de pression ne lui font presque aucun travail, et son énergie interne ne varie que de ce qu’il reçoit par transfert thermique. Quand sa température varie de Δθ\Delta\theta sans changement d’état, ΔU=\Delta U ={}C Δθ C\,\Delta\theta, où C=mcC = m c est sa capacité thermique, en J ⋅ K−1\pu{J.K-1}.

La capacité thermique massique cc, en J ⋅ kg−1 ⋅ K−1\pu{J.kg-1.K-1}, est propre à chaque matériau. Celle de l’eau liquide, environ 4,18⋅103 J ⋅ kg−1 ⋅ K−1\pu{4,18e3 J.kg-1.K-1}, compte parmi les plus élevées, d’où la lenteur de l’eau à se réchauffer et à se refroidir.

Exemple en valeurs fictives : une bouilloire contient 1,50 L\pu{1,50 L} d’eau, soit 1,50 kg\pu{1,50 kg}, chauffée de 18 °C\pu{18 \degree C} à 78 °C\pu{78 \degree C}. L’eau reçoit mcΔθ=1,50 kg×4,18⋅103 J ⋅ kg−1 ⋅ K−1×60 K=3,76⋅105 Jm c \Delta\theta = \pu{1,50 kg} \times \pu{4,18e3 J.kg-1.K-1} \times \pu{60 K} = \pu{3,76e5 J}. Avec une résistance de 1500 W\pu{1500 W} et aucune perte, il faut 3,76⋅105 J1500 W≈251 s\dfrac{\pu{3,76e5 J}}{\pu{1500 W}} \approx \pu{251 s}, soit un peu plus de 4 minutes.

Quand la température ne varie pas : le changement d’état

Pendant la fusion d’un solide pur ou la vaporisation d’un liquide pur, la température reste fixe bien que le système reçoive de l’énergie : celle-ci sert à défaire les liaisons entre particules. Le transfert thermique est proportionnel à la masse qui change d’état : Q=mLQ = m L, où LL est l’énergie massique de changement d’état, en J ⋅ kg−1\pu{J.kg-1}.

Pour l’eau, on relève Lfusion=334 kJ ⋅ kg−1L_{\text{fusion}} = \pu{334 kJ.kg-1} et Lvaporisation=2256 kJ ⋅ kg−1L_{\text{vaporisation}} = \pu{2256 kJ.kg-1}. Faire fondre 0,200 kg\pu{0,200 kg} de glace déjà à 0 °C\pu{0 \degree C} demande donc 0,200 kg×334 kJ ⋅ kg−1=66,8 kJ\pu{0,200 kg} \times \pu{334 kJ.kg-1} = \pu{66,8 kJ} (la masse est fictive).

Dans un bilan complet, additionne les étapes : échauffement de la glace, fusion, échauffement de l’eau liquide. Ne confonds pas cc, utile tant que la température change, et LL, utile tant qu’elle reste fixe.

Les mots du programme

énergie interne
Énergie d’un système due à ses constituants microscopiques : leur agitation et leurs interactions ; notée UU, en joules.
premier principe de la thermodynamique
Loi de conservation de l’énergie pour un système fermé : sa variation d’énergie interne égale ce qu’il reçoit en travail ajouté à ce qu’il reçoit en transfert thermique, ΔU=W+Q\Delta U = W + Q.
transfert thermique
Énergie échangée entre deux systèmes de températures différentes, spontanément du plus chaud vers le plus froid ; notée QQ, en joules.
travail
Énergie reçue par un système sous l’action d’une force qui le déplace ou le déforme, notée WW, en joules.
capacité thermique
Énergie à fournir à un système pour élever sa température d’un kelvin, CC en J ⋅ K−1\pu{J.K-1} ; pour une masse mm de matériau, dont la capacité massique est cc, C=mcC = m c.
changement d’état
Passage d’un corps pur d’un état physique à un autre, à température constante, comme la fusion ou la vaporisation ; il met en jeu Q=mLQ = m L.

Une question du sujet

source : éduscol
Une vraie question d’un sujet du bac, mot pour mot, avec les lignes de l’exercice dont elle a besoin. Cherche-la avant de lire le corrigé.
Question d’un sujetbac

Bac 2026, Métropole, jour 1 — exercice 1, question 16

Exercice 1 — Étude d’un lave-linge — 3. Chauffage de l’eau

[…] Après le remplissage de la cuve et un temps de temporisation, l’eau est chauffée par une résistance électrique, appelée thermoplongeur, parcourue par un courant électrique. On s’intéresse, dans cette partie, au chauffage de l’eau contenue dans la cuve, de la température ambiante θ0=20 °C\theta_0 = \pu{20 \degree C} jusqu’à la température θf=30 °C\theta_{\text{f}} = \pu{30 \degree C}. Afin de modéliser les échanges thermiques ayant lieu lors du chauffage, on considère que : • la cuve est isolée thermiquement du milieu extérieur ; • la température de l’eau est uniforme. Données : • volume d’eau dans la cuve : Veau=5,7 LV_{\text{eau}} = \pu{5,7 L} ; • masse volumique de l’eau : ρeau=1,0×103 kg ⋅ m−3\rho_{\text{eau}} = \pu{1,0 \times 10^{3} kg.m-3} ; • capacité thermique massique de l’eau : ceau=4,18×103 J ⋅ kg−1 ⋅ K−1c_{\text{eau}} = \pu{4,18 \times 10^{3} J.kg-1.K-1} ; […]

Question 16

Q16. Montrer que la valeur du transfert thermique QQ nécessaire pour chauffer l’eau de θ0\theta_0 à θf\theta_{\text{f}} est d’environ 0,24 MJ.

Source : ministère de l’Éducation nationale – éduscol, bac 2026, spécialité physique-chimie, Métropole, jour 1, exercice 1, question 16 (Licence Ouverte / etalab-2.0). Corrigé : Kleksa (non officiel). · Le sujet sur éduscol · Faire le sujet gratuitement

Question d’un sujetbac

Bac 2025, Amérique du Sud, jour 2 — exercice 2, question 1

Exercice 2 — Chauffe-eau thermodynamique d’un chalet — Partie 1. Étude de la production d’eau chaude.

[…] Le chalet est prévu pour accueillir quatre personnes. Il est ainsi équipé d’un chauffe-eau thermodynamique avec un ballon d’une capacité de 200 L\pu{200 L} d’eau. L’eau du ballon est chauffée d’une température θ1=15 °C\theta_1 = \pu{15 \degree C} à une température θ2=55 °C\theta_2 = \pu{55 \degree C} une fois par jour en moyenne. Données : • capacité thermique massique de l’eau liquide : ceau=4,18 kJ ⋅ K−1 ⋅ kg−1c_{\text{eau}} = \pu{4,18 kJ.K-1.kg-1} ; • masse volumique de l’eau liquide : ρeau=1,00 kg ⋅ L−1\rho_{\text{eau}} = \pu{1,00 kg.L-1} ; • l’eau liquide est un fluide incompressible ; […]

Question 1

Q1. Calculer la valeur de la variation d’énergie interne ΔU\Delta U du système constitué par l’eau contenue dans le ballon lorsque sa température varie de θ1=15 °C\theta_1 = \pu{15 \degree C} à θ2=55 °C\theta_2 = \pu{55 \degree C}.

Source : ministère de l’Éducation nationale – éduscol, bac 2025, spécialité physique-chimie, Amérique du Sud, jour 2, exercice 2, question 1 (Licence Ouverte / etalab-2.0). Corrigé : Kleksa (non officiel). · Le sujet sur éduscol

Dans les sujets

compté par sujet
Les sujets de 2024 à 2026 qui ont posé une question sur cette notion : dans 8 des 35 sujets, sans compter les sujets de remplacement et de secours.
SujetQuestions
Bac 2026, Amérique du Nord, jour 21.3, 1.4, 1.5, 1.6, 2.1
Bac 2026, Centres étrangers, jour 12.3
Bac 2026, Métropole, jour 11.16, 1.17
Bac 2026, Métropole, jour 22.1, 2.2, 2.3, 2.6
Bac 2025, Amérique du Sud, jour 22.1, 2.5, 2.6, 2.7
Bac 2025, Asie, jour 11.6, 1.7, 1.8, 1.9
Bac 2025, Polynésie, jour 13.5
Bac 2024, Centres étrangers, jour 23.5

Teste-toi

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bac

Question 1. (0–1)

Le fluide d’une machine thermique, au cours d’une étape de son cycle, fournit un travail de valeur 980 J\pu{980 J} et cède un transfert thermique de valeur 390 J\pu{390 J} à l’extérieur. Son énergie mécanique ne varie pas. Données : • premier principe de la thermodynamique : ΔU=W+Q\Delta U = W + Q, où WW et QQ sont comptés positivement lorsque le système les reçoit. Calculer la variation ΔU\Delta U de l’énergie interne du système, en J.
J

Saisis uniquement le nombre, avec une virgule comme séparateur décimal.

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bac

Question 2. (0–1)

On chauffe une pièce de fer de masse m=800 gm = \pu{800 g} de la température θi=214 °C\theta_i = \pu{214 \degree C} à la température θf=361 °C\theta_f = \pu{361 \degree C}, sans changement d’état. Données : • capacité thermique massique : c=449 J ⋅ kg−1 ⋅ K−1c = \pu{449 J.kg-1.K-1} ; • énergie reçue : Q=Q ={}mc(θf−θi) m c (\theta_f - \theta_i). Calculer l’énergie QQ reçue par le système, en kJ. Donner le résultat avec trois chiffres significatifs.
kJ

Saisis uniquement le nombre, avec une virgule comme séparateur décimal.

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bac

Question 3. (0–1)

On étudie la vaporisation de l’eau à 100 °C\pu{100 \degree C} : une masse m=1 695 gm = \pu{1}\,\pu{695 g} d’eau change entièrement d’état, à température constante. Données : • énergie massique de vaporisation de l’eau : Lv=2,26×106 J ⋅ kg−1L_v = \pu{2,26 \times 10^{6} J.kg-1} ; • énergie reçue par le système au cours du changement d’état : Q=m×LvQ = m \times L_v. Calculer l’énergie QQ reçue par le système au cours de ce changement d’état, en kJ. Donner le résultat avec trois chiffres significatifs.
kJ

Saisis uniquement le nombre, avec une virgule comme séparateur décimal.

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Les erreurs fréquentes

là où on perd des points
  • Se tromper de signe : une énergie cédée par le système compte négativement dans ΔU=W+Q\Delta U = W + Q. Relis l’énoncé pour savoir qui reçoit et qui cède.
  • Employer mcΔθm c \Delta\theta pendant un changement d’état. Pendant la fusion ou la vaporisation, la température est constante et c’est Q=mLQ = m L qui s’applique.
  • Mélanger les unités de cc : J ⋅ kg−1 ⋅ K−1\pu{J.kg-1.K-1} ou kJ ⋅ kg−1 ⋅ K−1\pu{kJ.kg-1.K-1} ? Convertis la masse en kilogrammes et l’énergie en joules, ou garde les kilojoules, mais jamais un mélange.
  • Penser qu’une température élevée signifie qu’il y a beaucoup de transfert thermique. La température mesure l’agitation ; le transfert est une énergie échangée.
  • Oublier que Δθ\Delta\theta se calcule comme finale moins initiale. Un système qui refroidit a Δθ<0\Delta\theta < 0, donc ΔU<0\Delta U < 0.

À retenir

  • Énergie interne : cinétique et interactions des constituants microscopiques ; on calcule ΔU\Delta U.
  • Premier principe (système au repos) : ΔU=W+Q\Delta U = W + Q, transferts comptés positivement s’ils sont reçus.
  • Le transfert thermique spontané va du plus chaud au plus froid.
  • Système incompressible sans changement d’état : ΔU=\Delta U ={}mcΔθ m c \Delta\theta ; avec changement d’état : Q=mLQ = m L.
  • Un système isolé a une énergie interne constante.

Questions fréquentes

  1. 1.Quelle différence entre chaleur, température et énergie interne ?+
    Réponse :La température mesure l’agitation moyenne des particules ; l’énergie interne est l’énergie totale du système ; le transfert thermique, souvent appelé chaleur, est l’énergie échangée à cause d’une différence de température.
  2. 2.Pourquoi écrit-on parfois ΔU = Q − W ?+
    Réponse :Certains manuels comptent WW positivement quand le système fournit du travail à l’extérieur. Le contenu physique est identique ; les sujets comptent tout du côté du système et écrivent ΔU=W+Q\Delta U = W + Q, ce qu’on retient ici.
  3. 3.Peut-on mesurer l’énergie interne d’un système ?+
    Réponse :Non, seulement ses variations. On les obtient en mesurant ce qui est échangé avec l’extérieur, ou en calculant mcΔθm c \Delta\theta lorsque le système est incompressible et garde son état.
  4. 4.Pourquoi la température d’un glaçon qui fond reste-t-elle à zéro degré ?+
    Réponse :Parce que l’énergie reçue sert à rompre les liaisons entre molécules, et non à accroître leur agitation. La température ne remonte qu’une fois toute la glace fondue, le glaçon ayant disparu.
  5. 5.Le premier principe suffit-il à prévoir le sens d’un transfert thermique ?+
    Réponse :Non : il exprime que l’énergie se conserve, mais n’indique pas le sens des échanges. Un autre principe précise que le transfert spontané va du chaud vers le froid.

Voir aussi

Toutes les notions de physique-chimie du bac

Notion suivante du programme : Transferts thermiques

Sources

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