Premier principe, chaleur et travail | Physique-chimie Terminale

Objectifs du parcours

Ce que tu vas savoir faire

Distinguer énergie d'état et transfert.
Choisir une convention de signe.
Écrire le premier principe pour un système fermé.
Calculer Q = mcΔT sous hypothèses.
Effectuer un bilan calorimétrique.
Identifier conduction, convection, rayonnement et pertes.

Le chapitre en bref

Pour un système fermé entre deux états, le premier principe exprime la conservation de l'énergie. Avec la convention où les transferts reçus par le système sont positifs, $ΔU+Δ E_{c} +Δ E_{p} =Q+W$ , où Q est le transfert thermique reçu et W le travail reçu. Si les énergies cinétique et potentielle macroscopiques ne changent pas, $ΔU=Q+W$ . Pour un corps sans changement d'état et de capacité thermique massique c supposée constante, $Q=mc(T_{f} − T_{i})$ lorsque ce transfert thermique est la seule cause de la variation. Chaleur et travail sont des modes de transfert, non des contenus stockés.

1. Qu'est-ce qui est stocké et qu'est-ce qui est transféré ?

L'énergie interne U regroupe des contributions microscopiques liées à l'agitation et aux interactions des constituants. C'est une fonction d'état : sa variation dépend des états initial et final, pas du chemin suivi.

Le transfert thermique Q est une énergie échangée en raison d'une différence de température. Le travail W est une énergie transférée par une action macroscopique, par exemple une compression ou une action électrique selon le système.

Un système ne contient pas une quantité de chaleur Q comme il contient une énergie interne. Q et W n'existent que pour un processus entre système et extérieur.

2. Comment fixer les signes ?

Dans cette page, un transfert reçu par le système est positif. Chauffer le système donne Q > 0 ; le refroidir par transfert vers l'extérieur donne Q < 0. Comprimer un gaz par un piston correspond à un travail reçu W > 0.

Une autre convention existe parfois pour le travail fourni par le système. Elle est valide si l'équation est adaptée, mais mélanger les conventions au milieu d'un exercice crée des contradictions.

Dessine une frontière et des flèches : vers le système signifie positif dans la convention choisie ; vers l'extérieur, négatif.

3. Comment écrire le premier principe ?

Pour un système fermé, $ΔU+Δ E_{c} +Δ E_{p} =Q+W$ avec la convention reçue positive. Les variations du membre de gauche concernent l'énergie du système ; le membre de droite recense les transferts à travers la frontière.

Si le système ne change pas de vitesse ni d'altitude à l'échelle macroscopique, $Δ E_{c} =Δ E_{p} =0$ et le bilan devient $ΔU=Q+W$ . Ce raccourci doit être justifié.

Pour un système isolé, Q = W = 0 et son énergie totale reste constante. Isolé ne signifie pas nécessairement température constante si des conversions internes se produisent.

4. Quand utiliser Q = mcΔT ?

Pour un corps de masse m, sans changement d'état et sur un domaine où c est approximativement constant, sa variation d'énergie interne sensible peut s'écrire $ΔU=mc(T_{f} − T_{i})$ . Si seul un transfert thermique intervient, Q prend la même valeur.

Une différence de température a la même valeur numérique en kelvins et en degrés Celsius, mais les températures absolues et les écarts ne doivent pas être confondus.

Lors d'un changement d'état à température approximativement constante, on utilise une énergie massique de changement d'état $Q=mL$ avec un signe cohérent, plutôt que mcΔT pour la phase de transition.

5. Comment construire un bilan calorimétrique ?

Dans un calorimètre idéal englobant les corps en échange et isolé de l'extérieur, la somme des variations d'énergie interne est nulle : l'énergie cédée par les corps chauds est reçue par les corps froids.

On écrit pour chaque sous-système $m_{i} c_{i} (T_{f} − T_{i})$ puis on additionne, avec les signes produits automatiquement par Tf−Ti. La capacité thermique du calorimètre peut être ajoutée si elle n'est pas négligeable.

Une température finale calculée doit se situer entre les températures initiales si aucun changement d'état ni travail externe ne modifie le bilan. Sinon, une hypothèse ou un signe est probablement incorrect.

6. Comment l'énergie thermique se transfère-t-elle ?

La conduction transfère de l'énergie à travers la matière sans transport macroscopique global ; la convection associe transfert thermique et mouvement d'un fluide ; le rayonnement électromagnétique peut se propager dans le vide.

En régime stationnaire simple à travers une paroi, une résistance thermique Rth peut relier l'écart de température à la puissance transférée : $Φ= \frac{ΔT}{R_{th}}$ . Une grande résistance réduit la puissance pour le même écart.

Dans un bilan réel, les pertes vers l'air, les parois et le support doivent être estimées ou mentionnées. Un rendement thermique compare l'énergie utile à l'énergie reçue, sans dépasser 1 dans une frontière cohérente.

Erreurs fréquentes

L'essentiel à mémoriser

U est une fonction d'état ; Q et W sont des transferts.
Transferts reçus positifs dans la convention retenue.
ΔU + ΔEc + ΔEp = Q + W.
Q = mcΔT exige absence de changement d'état et c approximativement constant.
Un calorimètre idéal ferme le bilan énergétique.
Conduction, convection et rayonnement sont trois modes distincts.

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Sources et traçabilité

Dernière vérification : 2026-08-12

Programme de l'enseignement de spécialité de physique-chimie de la classe terminale, Ministère de l'Éducation nationale, consulté le 2026-08-12.
Programmes et ressources en physique-chimie - voie générale et technologique, Éduscol, consulté le 2026-08-12.
NIST Chemistry WebBook - thermochemistry, National Institute of Standards and Technology, consulté le 2026-08-12.
Heat capacity, IUPAC Gold Book, consulté le 2026-08-12.
Le Système international d'unités, 9e édition, Bureau international des poids et mesures, consulté le 2026-08-12.

L'énergie interne appartient à l'état ; chaleur et travail traversent la frontière