Dix questions pour vérifier ta maîtrise de l’énergie interne et de la première loi de la thermodynamique : signes de W et Q, capacité thermique, travail des forces de pression et changements d’état.
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Que représente l’énergie interne d’un système ?
U est l’énergie microscopique du système ; l’énergie mécanique macroscopique est distincte.
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Selon la convention du cours, quand un travail W est-il positif ?
W et Q sont comptés positivement s’ils sont reçus par le système.
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Un système reçoit W = +300 J et Q = −120 J. Quelle est la variation de son énergie interne ?
ΔU = W + Q = 300 − 120 = +180 J.
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Quelle est la variation d’énergie interne de 0,50 kg d’eau (c = 4 180 J·kg⁻¹·K⁻¹) qui se réchauffe de 10 K ?
ΔU = m c ΔT = 0,50 × 4 180 × 10 = 2,09 × 10⁴ J ≈ 2,1 × 10⁴ J.
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Quelle énergie faut-il pour fondre 0,10 kg de glace à 0 °C (L = 3,34 × 10⁵ J·kg⁻¹) ?
Q = m L = 0,10 × 3,34 × 10⁵ = 3,34 × 10⁴ J.
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Un gaz est comprimé sous P = 2,0 × 10⁵ Pa avec ΔV = −1,0 × 10⁻³ m³. Quel travail reçoit-il ?
W = −P ΔV = −2,0 × 10⁵ × (−1,0 × 10⁻³) = +200 J.
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Que peut-on dire d’une transformation adiabatique ?
Adiabatique signifie sans échange thermique : seul le travail modifie l’énergie interne.
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Pour un gaz parfait subissant une transformation isotherme, quelle relation est correcte ?
L’énergie interne d’un gaz parfait ne dépend que de T : ΔU = 0, donc Q = −W.
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Dans un diagramme de Clapeyron, que représente l’aire sous la courbe ?
|W| = ∫ P dV est l’aire sous la courbe P(V).
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Pendant la fusion d’un corps pur sous pression constante, que se passe-t-il ?
L’énergie reçue modifie les interactions entre particules : U augmente à température constante.
Les notions passées en revue dans ce QCM énergie interne
- Définition de l’énergie interne
- Première loi ΔU = W + Q et convention de signe
- ΔU = m c ΔT et capacité thermique
- Travail des forces de pression W = −P ΔV
- Transformations isochore, isobare, isotherme, adiabatique
- Changement d’état Q = m L et calorimétrie
Le piège classique
Le piège classique : se tromper de signe. En compression le gaz reçoit un travail positif ; en détente, négatif. Autre piège : croire qu’une température constante impose ΔU = 0, ce qui est faux pendant un changement d’état, et oublier de convertir litres en m³.
La bonne habitude
Commence toujours par définir le système, représente les flèches d’énergie entrante et sortante, puis écris ΔU = W + Q avec les signes. Pour la calorimétrie, écris ΣΔU = 0 et traite chaque corps séparément, en isolant bien chaque changement d’état.
Questions fréquentes
Quelle différence y a-t-il entre chaleur, température et énergie interne ?
La température mesure l’agitation thermique moyenne, l’énergie interne est l’énergie microscopique totale du système, et la chaleur (transfert thermique) est une énergie échangée à cause d’une différence de température.
Pourquoi le travail des forces de pression est-il négatif en détente ?
Parce que le gaz repousse l’extérieur : il cède de l’énergie, donc le travail qu’il reçoit est négatif. Avec W = −P ΔV, ΔV est positif en détente, d’où W négatif.
Pourquoi la température ne varie-t-elle pas pendant un changement d’état ?
L’énergie reçue sert à rompre ou à modifier les interactions entre particules, pas à augmenter leur agitation : la température reste constante tant que les deux phases coexistent.
À quoi sert un calorimètre ?
C’est un récipient isolé thermiquement qui limite les échanges avec l’extérieur : on peut alors écrire que la somme des variations d’énergie interne de ses contenus est nulle et en déduire des températures ou des énergies massiques.