Fiche de révision : Premier principe de la thermodynamique

📋 Plan du Cours

1. Système thermodynamique et échanges
2. Variables et fonctions d’état
3. Énergie interne et premier principe
4. Travail des forces de pression
5. Chaleur et calorimétrie
6. Volume constant et énergie interne
7. Enthalpie et applications biologiques
8. Applications et exercices énergétiques

📖 1. Système thermodynamique et échanges

🔑 Notions clés & Définitions

• Système thermodynamique : Portion de l’univers délimitée par une surface réelle ou fictive et isolée par la pensée pour être étudiée.

📝 Points essentiels

📌 Un système ouvert échange de la matière et de l’énergie avec le milieu extérieur, un système fermé échange seulement de l’énergie, et un système isolé n’échange ni matière ni énergie.

💡 Astuce mémo

Ouvert échange matière et énergie, fermé seulement l’énergie, isolé ni matière ni énergie.

📖 2. Variables et fonctions d’état

🔑 Notions clés & Définitions

• Fonction d’état : Grandeur dont la variation entre deux états ne dépend que de l’état initial et de l’état final, jamais du chemin suivi.

📝 Points essentiels

• Les exemples de grandeurs extensives sont:
  • volume
  • quantité de matière
  • masse
  • énergie interne

📌 L’énergie interne U et l’enthalpie H sont des fonctions d’état, tandis que le travail W et la chaleur Q ne le sont pas.

💡 Astuce mémo

U et H dépendent des états ; W et Q dépendent du chemin.

📖 3. Énergie interne et premier principe

🔑 Notions clés & Définitions

• Énergie interne : Somme de toutes les formes d’énergie microscopique contenues dans un système, notamment l’énergie cinétique d’agitation moléculaire, l’énergie de liaison chimique et l’énergie potentielle d’interaction entre particules.

📝 Points essentiels

📐 Formule — Pour un système fermé, la conservation de l’énergie s’écrit $\Delta U = W + Q$, où ΔU, W et Q sont exprimés en joules.

📌 Avec une convention centrée sur le système, ce que le système reçoit est positif et ce qu’il cède est négatif.

💡 Astuce mémo

Énergie reçue → variation de U ; énergie cédée → diminution de U.

📖 4. Travail des forces de pression

🔑 Notions clés & Définitions

• Travail de pression : Travail mécanique des forces de pression associé aux variations de volume.

📝 Points essentiels

📐 Formule — Pour une transformation à pression extérieure constante, le travail vaut $W = -P_{ext}\Delta V$ avec $\Delta V = V_{final} - V_{initial}$.

📌 Lors d’une détente, le système fournit du travail au milieu extérieur, tandis que lors d’une compression, le milieu extérieur fournit du travail au système.

💡 Astuce mémo

Détente : le système fournit du travail ; compression : il en reçoit.

📖 5. Chaleur et calorimétrie

🔑 Notions clés & Définitions

• Chaleur : Transfert d’énergie désordonné lié à une différence de température entre le système et le milieu extérieur.

📝 Points essentiels

📐 Formule — Sans changement d’état, la chaleur échangée vérifie $Q = mc\Delta T$, où m est la masse, c la capacité calorifique massique et ΔT la variation de température.

• Pour l’eau, la capacité calorifique massique vaut environ 4,18 J·g⁻¹·K⁻¹.

💡 Astuce mémo

Sans changement d’état : mcΔT ; avec changement d’état : mL.

📖 6. Volume constant et énergie interne

📝 Points essentiels

📌 À volume constant, le travail est nul, donc la chaleur échangée vérifie $Q_v = \Delta U$.

💡 Astuce mémo

À volume constant, le travail est nul et la chaleur mesure ΔU.

📖 7. Enthalpie et applications biologiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Enthalpie : Fonction d’état définie par $H = U + PV$.

📝 Points essentiels

📌 À pression constante, la chaleur échangée par le système est égale à la variation d’enthalpie : $Q_p = \Delta H$.

📌 Selon la loi de Hess, l’enthalpie totale d’une réaction ne dépend que de ses états initial et final, quel que soit le nombre d’étapes intermédiaires.

💡 Astuce mémo

Pression constante → Qp = ΔH → grandeur adaptée au métabolisme.

📖 8. Applications et exercices énergétiques

📝 Points essentiels

• Pour un gaz qui reçoit 500 J de chaleur et fournit 200 J de travail au milieu extérieur, la convention du système donne Q = 500 J, W = −200 J et donc ΔU = 300 J.

• Lorsqu’une réaction métabolique à pression constante libère 60 kJ de chaleur vers le milieu extérieur, Q = −60 kJ et ΔH = −60 kJ ; la réaction est exothermique.

• Dans une bombe calorimétrique, on calcule d’abord la chaleur reçue par l’eau avec $Q = mc\Delta T$, puis on utilise $Q_v = \Delta U$ pour déterminer la variation d’énergie interne de la combustion.

📊 Tableaux de synthèse

Grandeurs thermodynamiques