
Voici le corrigé détaillé des exercices sur l’énergie interne et la première loi. Compare chaque démarche avec la tienne : le signe des transferts, les conversions (L en m³, bar en Pa) et les unités sont les points clés.
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La correction détaillée : corrigé énergie interne
Correction de l’exercice 1 : Questions de cours1. L’énergie interne est la somme des énergies cinétiques microscopiques et des énergies potentielles d’interaction des particules du système.
2. ΔU = W + Q (système au repos macroscopique) ; W et Q sont positifs lorsqu’ils sont reçus par le système.
3. U, W, Q : J ; C : J·K−1 ; c : J·kg−1·K−1.
4. ΔU = C ΔT = m c ΔT.
5. L’énergie interne et la température décrivent l’état du système ; le transfert thermique Q est une énergie échangée à cause d’une différence de température.
a. Vrai : W = 0 et Q = 0, donc ΔU = 0.
b. Vrai : pendant un changement d’état, T reste constante bien que le système reçoive de l’énergie.
c. Faux : Q = 0 mais W ≠ 0, donc ΔU = W ≠ 0.
d. Vrai : c’est l’énoncé de la première loi.
e. Faux : Q > 0 signifie que le système reçoit de l’énergie.
f. Faux : le système reçoit Q = mL, donc ΔU > 0 ; seule la température est constante.
g. Faux : l’équilibre thermique impose la même température, pas la même énergie interne (qui dépend aussi de la masse).
a. W > 0, Q ≈ 0 : ΔU > 0, U augmente (le gaz s’échauffe).
b. W < 0, Q > 0 (isotherme) : ΔU = 0, U constante.
c. Q > 0, W ≈ 0 : ΔU > 0.
d. Q < 0, W ≈ 0 : ΔU < 0, U diminue.
e. Les frottements fournissent un travail W > 0 (force de frottement), Q ≈ 0 : ΔU > 0.
1. ΔU = 2,0 × 450 × 50 = 4,5 × 104 J.
2. ΔT = ΔU ÷ (m c) = 1,8 × 104 ÷ (0,50 × 385) = 1,8 × 104 ÷ 192,5 ≈ 94 K (93,5 K).
3. C = m c = 2,0 × 450 = 9,0 × 102 J·K−1.
a. ΔU = 300 − 120 = +180 J (chauffé). b. ΔU = −50 + 200 = +150 J (chauffé). c. Q = ΔU − W = 0 − 80 = −80 J (le système cède de l’énergie sous forme de chaleur). d. W = ΔU − Q = +150 J (chauffé par le travail reçu).
a. ΔV = (2,0 − 5,0) × 10−3 = −3,0 × 10−3 m³ ; W = −2,0 × 105 × (−3,0 × 10−3) = +6,0 × 102 J.
b. ΔV = +3,0 × 10−3 m³ ; W = −1,5 × 105 × 3,0 × 10−3 = −4,5 × 102 J.
c. ΔV = 0 donc W = 0.
d. W = −1,0 × 105 × 0,50 × 10−3 = −50 J.
Commentaire : W > 0 en compression (le gaz reçoit de l’énergie), W < 0 en détente (il en cède en repoussant le piston).
1. A (2 L ; 2 bar), B (6 L ; 2 bar), C (6 L ; 1 bar).
2. AB isobare à 2,0 × 105 Pa : ΔV = 4,0 × 10−3 m³, WAB = −2,0 × 105 × 4,0 × 10−3 = −8,0 × 102 J. BC isochore : WBC = 0. Total : W = −8,0 × 102 J.
3. ΔU = W + Q = −800 + 1 100 = +3,0 × 102 J.
4. ΔU > 0 : l’énergie interne augmente, donc le gaz s’est réchauffé (pour un gaz, U croît avec T).
1. AB : isobare (3 bar) en détente ; BC : isochore (6 L) ; CD : isobare (1 bar) en compression ; DA : isochore (2 L).
2. WAB = −3,0 × 105 × 4,0 × 10−3 = −1 200 J ; WBC = 0 ; WCD = −1,0 × 105 × (−4,0 × 10−3) = +400 J ; WDA = 0. Cycle : W = −1 200 + 400 = −800 J.
3. Aire du rectangle = ΔP × ΔV = 2,0 × 105 × 4,0 × 10−3 = 800 J : |Wcycle| = aire ; le signe est négatif car le cycle est parcouru dans le sens horaire.
4. L’énergie interne est une fonction d’état : ΔUcycle = 0, donc Q = −W = +800 J : la machine reçoit de la chaleur et fournit du travail (c’est un moteur).
1. Système isolé : ΔUCu + ΔUeau = 0, soit mCu cCu (Tf − 90) + me ce (Tf − 20) = 0.
2. 57,75 (Tf − 90) + 1 045 (Tf − 20) = 0 ⇒ 1 102,75 Tf = 5 197,5 + 20 900 = 26 097,5 ⇒ Tf ≈ 23,7 °C.
3. Qcédé = 57,75 × (90 − 23,7) ≈ 3,8 × 103 J, égale à l’énergie reçue par l’eau : 1 045 × 3,7 ≈ 3,9 × 103 J (écart dû aux arrondis).
1. Q = m L = 0,250 × 3,34 × 105 = 8,35 × 104 J.
2. Δt = Q ÷ P = 8,35 × 104 ÷ 500 = 167 s (2 min 47 s).
3. Q = 500 × 60 = 3,0 × 104 J ; m = Q ÷ L = 3,0 × 104 ÷ 3,34 × 105 ≈ 0,090 kg, soit 90 g.
1. De −10 °C à 0 °C : glace ; 1er plateau : glace et eau liquide (fusion) ; montée de 0 à 100 °C : eau liquide ; 2e plateau : eau liquide et vapeur (ébullition) ; au-delà : vapeur.
2. Le premier plateau dure de 4 s à 71 s : Δt ≈ 67 s ; Q = P Δt = 500 × 67 = 3,35 × 104 J ; Lfus = Q ÷ m = 3,35 × 104 ÷ 0,100 ≈ 3,4 × 105 J·kg−1.
3. La montée dure de 71 s à 155 s : Δt ≈ 84 s ; Q = 500 × 84 = 4,2 × 104 J ; c = Q ÷ (m ΔT) = 4,2 × 104 ÷ (0,100 × 100) = 4,2 × 103 J·kg−1·K−1.
4. Le second plateau dure de 155 s à 607 s : Δt ≈ 452 s ; Q = 500 × 452 = 2,26 × 105 J ; Lvap = 2,26 × 105 ÷ 0,100 = 2,26 × 106 J·kg−1.
1. L’eau, en se refroidissant jusqu’à 0 °C, libère 0,300 × 4 180 × 25 = 3,1 × 104 J ; la fusion complète demande 0,050 × 3,34 × 105 = 1,67 × 104 J, inférieur : toute la glace fond.
2. Bilan : 0,050 × 3,34 × 105 + 0,050 × 4 180 × Tf + 0,300 × 4 180 × (Tf − 25) = 0 ⇒ 16 700 + 209 Tf + 1 254 Tf − 31 350 = 0 ⇒ 1 463 Tf = 14 650 ⇒ Tf ≈ 10,0 °C.
1. Q = 0,100 × 2,26 × 106 = 2,26 × 105 J ; Δt = 2,26 × 105 ÷ 2 000 = 113 s.
2. Q = 1,0 × 4 180 × 80 = 3,34 × 105 J ; Δt = 3,34 × 105 ÷ 2 000 ≈ 167 s.
3. Vaporiser seulement 100 g demande 113 s, presque autant que chauffer 1,0 kg de 20 à 100 °C : la vaporisation coûte beaucoup d’énergie (Lvap est grande). Laisser bouillir longtemps gaspille de l’énergie et de l’eau.
1. Q = 0 (adiabatique) donc ΔU = W = +450 J.
2. ΔT = ΔU ÷ C = 450 ÷ 12,5 = 36 K.
3. Le travail fourni s’accumule : à chaque coup de pompe, l’air reçoit du travail ; de plus les frottements du piston chauffent le corps de la pompe, et la chaleur n’a pas le temps de s’évacuer.
1. Gaz parfait, température constante : ΔU = 0 (l’énergie interne ne dépend que de T).
2. Q = ΔU − W = 0 − 320 = −320 J : le gaz cède de l’énergie à l’extérieur.
3. Le travail reçu est aussitôt évacué sous forme de transfert thermique vers le thermostat : l’énergie interne et la température restent constantes parce que la compression est lente et le contact thermique bon.
1. m = 200 kg ; Q = 200 × 4 180 × 40 = 3,3 × 107 J (3,344 × 107 J).
2. Δt = 3,344 × 107 ÷ 2 200 ≈ 15 200 s, soit 4 h 13 min.
3. Eélec = 3,344 × 107 ÷ 0,92 = 3,63 × 107 J ; en kWh : 3,63 × 107 ÷ 3,6 × 106 ≈ 10,1 kWh.
1. P = U I = 12 × 2,5 = 30 W.
2. Coefficient directeur : (32,6 − 19,0) ÷ (300 − 0) = 4,5 × 10−2 K·s−1 (0,0453).
3. Bilan : Ctot dT = P dt, donc dT/dt = P ÷ Ctot : coefficient directeur = P ÷ Ctot.
4. Ctot = P ÷ coefficient = 30 ÷ 0,0453 ≈ 6,6 × 102 J·K−1. Eau : 0,150 × 4 180 = 627 J·K−1 ; calorimètre : 662 − 627 ≈ 35 J·K−1.
1. Les frottements des patins exercent une force sur la jante en mouvement : c’est un travail W > 0 reçu par la jante : la force de frottement s’exerce sur un point qui se déplace, aucune source plus chaude n’est nécessaire.
2. ΔU = W + Q avec W > 0 ; Q est faible, voire négatif quand la jante est plus chaude que l’air. Au total ΔU > 0.
3. Parce que la « chaleur » n’est pas contenue dans un corps : le système contient de l’énergie interne ; la chaleur désigne seulement un mode de transfert d’énergie.
1. Boisson : 0,250 × 4 180 × 15 = 15 675 J cédés. Glace : m L + m c (10 − 0) = m (3,34 × 105 + 4 180 × 10) = m × 3,758 × 105. Donc m = 15 675 ÷ 3,758 × 105 ≈ 0,0417 kg, soit ≈ 42 g.
2. 2 glaçons (40 g). Bilan : 0,040 × 3,34 × 105 + 0,040 × 4 180 Tf + 0,250 × 4 180 (Tf − 25) = 0 ⇒ 13 360 + 167,2 Tf + 1 045 Tf − 26 125 = 0 ⇒ Tf = 12 765 ÷ 1 212,2 ≈ 10,5 °C.
3. La fusion de 1 kg de glace absorbe 3,34 × 105 J, soit autant que le refroidissement de 1 kg d’eau de 80 K : la glace est donc bien plus efficace que de l’eau froide pour une même masse.
1. Q1 = 1,0 × 4 180 × 80 = 3,344 × 105 J ; Q2 = 1,0 × 2,26 × 106 J ; total = 2,59 × 106 J.
2. Putile = 0,60 × 1 800 = 1 080 W.
3. Δt = 2,594 × 106 ÷ 1 080 ≈ 2 402 s, soit 40 min.
4. La vaporisation représente 2,26 × 106 ÷ 2,594 × 106 ≈ 87 % de l’énergie : faire bouillir l’eau jusqu’au bout coûte bien plus que la chauffer.
Comment progresser après ce corrigé
Si tu as hésité sur les signes, dessine le système et trace des flèches entrantes et sortantes avant d’écrire ΔU = W + Q. Pour la calorimétrie, écris toujours ΣΔU = 0 avec Tf inconnue, puis développe. Convertis les litres en m³ et les bars en pascals avant tout calcul de travail. Refais les exercices 8, 12 et 17 sans regarder la correction.
