Energie Interne : Cours de Physique-Chimie STI2D

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1 STI2D
Chapitre n°2
Physique -
Chimie
Energie interne
Intro : Dans ce chapitre, nous étudierons la notion de température, celle d’énergie interne et de ses
variations. Nous travaillerons aussi les échanges de chaleur, la capacité thermique massique et l’énergie
massique de changement d’état.
Livre Delagrave : p65 et les suivantes.
Vidéo qui illustre ces notions : https://www.youtube.com/watch?v=bqMXlgUZCVw
I ) La température
1. Température et agitation thermique
La température est une grandeur caractérisant un système, elle est directement liée à l’agitation moléculaire
de la matière. Tous les atomes, les molécules, ions constituant la matière sont en continuelle agitation.
Lorsque l’on chauffe un corps, on augmente l’agitation des particules le constituant.

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2. Les différentes échelles de température
Il existe 3 principales échelles de température :
- Echelle de Kelvin : (Savant Anglais : 1824 - 1907)
Dans le système international, l’unité de température est le kelvin (symbole : K)
Si l’on refroidit suffisamment un corps, ses particules le constituant seront immobiles si l’on atteint la
température de 0 K.
Cette température de 0 K est appelée zéro absolu.
- Echelle de Celsius : (Savant Suédois : 1701 – 1744)
L’unité usuelle de température est le degré Celsius, de symbole °C. Cette échelle de température est
basée sur l’eau.
Le 0°C correspondant à sa température de fusion et 100°C correspond à sa température d’ébullition,
à pression atmosphérique.
- Echelle de Fahrenheit : (Savant Allemand : 1686 – 1736)
C’est une échelle de température usuelle dans les pays Anglo-saxons (notamment aux USA) (Symbole :
°F). Gabriel Fahrenheit a calé son échelle en prenant 2 températures. Une température basse, la plus
faible température qu’il ait enregistrée au cours d’un hiver froid et comme température chaude, celle du
sang de cheval.
Voici la relation pour passer de l’échelle °F à °C : T(°F) = T(°C) x 1,8 + 32
3. Passer de l’échelle en Celsius à la l’échelle en Kelvin
On peut relier la température en K à celle en °C par la relation :
T (K) = T(°C) + 273
Exemple :
La température de fusion du mercure est de 38,83 °C. Calculez cette température en degré Kelvin.
T (K) = T(°C) + 273 = 38,83 + 273 = 312 K
Réflexion sur les chiffres qu’on garde : dans une addition, le nombre qui comporte le moins de décimales
impose le nombre de décimales du résultat.
La température de surface du soleil est de 5778 K. Calculez sa température en degré Celsius.
T (°C) = T(K) – 273 = 5778 – 273 = 5505 °C

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4. Les différents types de thermomètres
Voir activité 1 p66
II ) Les modes de transfert thermique
Lorsque deux corps sont portés à des températures respectives T1
et T2 sont mis en contact, la température du corps le plus froid
augmente tandis que celle du corps le plus chaud diminue, jusqu’à
l’équilibre thermique (T1 = T2).
Les objets peuvent échanger de l’énergie sous forme de transferts
thermiques.
Ces transferts thermiques se produisent spontanément du corps chaud vers le corps froid.
Il existe 3 modes de transfert thermique :
1. La conduction thermique
Dans un solide, l’agitation thermique se transmet de proche en proche, dans déplacement de matière.
2. La convection thermique
Dans un gaz ou un liquide, l’agitation thermique se transmet avec un mouvement des molécules dans le
fluide.
3. Le rayonnement thermique
Les corps chauds émettent des ondes électromagnétiques dont la longueur d’onde dépend de la
température du corps chaud.

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III ) Energie interne d’un système
1. Qu’est-ce que l’énergie interne ?
Définition : On appelle énergie interne (U) d’un système, la somme de l’énergie cinétique des particules et de
l’énergie potentielle d’interaction liée aux interactions entres les particules constituant ce système.
La valeur de l’énergie interne d’un système n’est pas mesurable ou quantifiable. Ce qu’il est possible de
quantifier, c’est la variation d’énergie interne (notée : ∆U) d’un système.
2. Energie interne et variation de T°
Il existe deux façons de faire varier l’énergie interne d’un système, par :
- Echange de travail (Work ) W = travail d’une force (en J)
- Echange de chaleur Q = quantité de chaleur (en J)
(D’après le premier principe de la thermodynamique) ∆U = W + Q (en J)
Dans ce chapitre, nous étudierons uniquement la variation de l’énergie interne par échange de chaleur.
Soit : ∆U = Q (en J) Avec Q = m x c x (θf – θi)
Q = Quantité de chaleur (J)
m = masse (kg)
c = capacité thermique massique (J . kg-1. K-1 ou J . kg-1. °C-1)
θ = température (K ou °C)
Remarque : Si (θf – θi) ›0 alors le système a gagné de l’énergie, ∆U >0.
Si (θf – θi) <0 alors le système a perdu de l’énergie ∆U<0.
3. Capacité thermique massique c
Définition : La capacité thermique massique, notée c correspond à la quantité d’énergie à apporter pour élever
d’un degré la température d’un kilogramme du corps étudié. Elle s’exprime en J.kg-1.K-1 ou J . kg-1. °C-1.
La capacité thermique massique dépend donc du matériau étudié.
Exemples de capacité thermique massique :
Etat physique
Solide
Liquide
Substance
Verre
Zinc
Béton
Eau
Huile
c (J.kg-1.K-1)
700
389
880
4180
2000
Remarque : L’unité de c peut être J.kg-1.K-1 ou J.kg-1.°C-1 sans distinction.
ceau = 4180 J.kg-1.K-1 =4180 J.kg-1.°C-1
Application :
On chauffe 200g d’eau dans une bouilloire. L’eau initialement à 20°C est chauffée jusqu’à 98°C.
1) Quelle quantité d’énergie a-t-il fallu apporter à l’eau ?
Q= 0,200 x 4180 x (98-20) = 65000J = 65kJ
2) En déduire la variation d’énergie interne de l’eau.
∆U = W + Q = 0+ Q = 65kJ

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IV ) Energie échangée lors d’un changement d’état
1. Les différents changements d’état physique
Idée reçue : L’eau liquide bout à 100°C.
Expliquer pourquoi cette affirmation est incomplète ?
Cette affirmation est juste si la pression atmosphérique
de 1 bar. Mais si la pression est différente, les
températures de changement d’état dépendent de la
pression.
2. Echange d’énergie lors d’un changement d’état
Représenter l’évolution de la température en fonction du temps, dans le cas d’un chauffage à puissance constante
d’une quantité d’eau pure à la pression atmosphérique (entre les points A et B du graphique précédent).
(laisser au élèves 5min pour essayer de
faire une proposition au brouillon puis
envoyer plusieurs élèves au tableau pour
présenter ce qu’ils ont fait). + proposer
une correction détaillée pour tous au
propre sur le cours.
Gaz
Liquide Solide
…………………………
…………………………
…………………………
…………………………
…………………………
…………………………
Vaporisation
Liquéfaction
Ou condensation liquide
Sublimation
Sublimation inverse
Ou condensation solide
Solidification
Fusion
T° (°C)
temps
-30
0
100
Solide
+
Liquide
Liquide
Gaz
Liquide
+
Gaz
Fusion Vaporisation
QfQV
P = Cte = 1atm
AB
Graphique pression/température de l’eau pure