B.4 · Thermodynamique

Cette fiche couvre des sujets HL sélectionnés pour le cours évalué pour la première fois en 2025 ; elle ne représente pas l'intégralité du programme.

Prérequis : lire les quantités et unités indiquées, puis utiliser l'arithmétique et les conditions du modèle ci-dessous.

Les exemples sont originaux et fictifs : ils ne correspondent ni à de vraies mesures ni à de véritables enquêtes d'étudiants.

Qu'est-ce qui expliquerait cette observation ?

• Compresser un gaz peut le chauffer même sans chauffage. Le travail est un autre mode de transfert d'énergie vers le système.

Construire le modèle

• L'énergie interne est une propriété du système choisi.
• La chaleur et le travail décrivent le transfert d'énergie à travers sa frontière.
• Pour un gaz parfait monoatomique, l'énergie interne dépend de la température et de la quantité.
• adiabatique : Un processus sans transfert de chaleur.
• énergie interne : Énergie cinétique et potentielle microscopiques totales d'un système.

Choisir des preuves capables de le tester

• Énoncer une convention de signe avant d'utiliser la première loi.
• Ici, le changement d'énergie interne égale la chaleur entrant dans le système moins le travail effectué par le système.
• Le travail d'expansion peut réduire l'énergie interne lorsqu'aucune chaleur n'entre.

En laboratoire : Identifier si un processus est isotherme, adiabatique ou à volume constant. Sur un graphique pression-volume, l'aire sous la courbe du processus donne le travail effectué par le gaz. Le chemin compte pour le travail même lorsque les points extrêmes sont identiques.

Travailler à partir de quantités connues

• Connu : le gaz gagne 300 J par chauffage et effectue 120 J de travail.
• Avec ΔU = Q-W, ΔU = 300-120 = 180 J.
• Pour une compression adiabatique, Q=0 et le travail effectué par le gaz est négatif, donc ΔU est positif.

À vous : Un gaz gagne 500 J de chaleur et effectue 200 J de travail. Trouver le changement d'énergie interne.

Vérifier la conclusion et ses limites

• Adiabatique ne signifie pas température constante.
• Utiliser la convention de signe indiquée ; certains cours écrivent le travail effectué sur le gaz avec le signe opposé.

Pas vrai : Chaque processus adiabatique a une température constante. L'adiabatique fixe le transfert de chaleur (Q = 0), pas la température. Une compression adiabatique élève la température - les pompes de vélo chauffent - et une expansion adiabatique l'abaisse. Isotherme, et non adiabatique, est le processus à température constante.

Clé :

• L'énergie interne est une propriété du système choisi.
• Énoncer une convention de signe avant d'utiliser la première loi.
• Surveiller : adiabatique ne signifie pas température constante.

Écrire à partir d'une variation d'énergie interne de 450 J

• Un gaz absorbe 800 J de chaleur et effectue 350 J de travail.
• Trouver la variation d'énergie interne. Adiabatique signifie aucun transfert de chaleur, pas une température constante.

Écrire à partir d'un processus isotherme

• Un gaz se dilate lentement à température constante, fournissant 200 J de travail.
• ΔU = 0, donc Q = W = 200 J : la chaleur entre exactement aussi vite que le travail sort — une isotherme est un équilibre, pas une absence d'énergie.

Écrire à partir du bilan net d'un cycle

• Sur un cycle complet, un gaz absorbe 500 J et rejette 300 J.
• Travail net = 500 − 300 = 200 J et ΔU = 0 sur le cycle — l'énergie interne est une fonction d'état ; elle revient à sa valeur initiale.