Bilans énergétiques simples - Interactions entre matière et énergie

• 1 Énergie cinétique : liée au mouvement
• 2 Énergie potentielle : liée à la position
• 3 Énergie thermique : liée à la température
• 4 Énergie chimique : stockée dans les liaisons chimiques

• 1 Chute d'un objet : énergie potentielle → énergie cinétique
• 2 Combustion : énergie chimique → énergie thermique
• 3 Batterie : énergie chimique → énergie électrique
• 4 Centrale électrique : énergie chimique/nucléaire → énergie électrique

Le premier principe de la thermodynamique exprime la conservation de l'énergie pour un système thermodynamique. Il établit la relation entre la variation d'énergie interne, la chaleur échangée et le travail fourni.

Où :

• ΔU est la variation d'énergie interne du système
• Q est la chaleur échangée avec l'extérieur
• W est le travail échangé avec l'extérieur

• 1 Q > 0 : le système reçoit de la chaleur
• 2 Q < 0 : le système cède de la chaleur
• 3 W > 0 : le système reçoit du travail
• 4 W < 0 : le système fournit du travail

La chaleur est une forme d'énergie transférée entre deux systèmes à cause d'une différence de température. Elle s'exprime en joules (J).

La température est une mesure de l'agitation thermique des particules d'un corps. Elle s'exprime en kelvins (K) ou en degrés Celsius (°C).

La capacité thermique (C) d'un corps est la quantité de chaleur nécessaire pour élever sa température de 1°C.

Où :

• m est la masse du corps
• c est la capacité thermique massique
• ΔT est la variation de température

• 1 Eau : c = 4,18 J·g⁻¹·°C⁻¹
• 2 Aluminium : c = 0,897 J·g⁻¹·°C⁻¹
• 3 Cuivre : c = 0,385 J·g⁻¹·°C⁻¹
• 4 Fer : c = 0,449 J·g⁻¹·°C⁻¹

Lors d'un transfert thermique entre deux corps isolés, la chaleur perdue par le corps chaud est égale à la chaleur gagnée par le corps froid.

Soit : m₁c₁(Tf - T₁) = -m₂c₂(Tf - T₂)

Où Tf est la température finale d'équilibre.

Soit 200 g d'eau à 80°C mélangée avec 100 g d'eau à 20°C. Quelle est la température finale ?

On suppose que c = 4,18 J·g⁻¹·°C⁻¹ pour l'eau.

m₁c₁(Tf - T₁) = -m₂c₂(Tf - T₂)

200 × 4,18 × (Tf - 80) = -100 × 4,18 × (Tf - 20)

200(Tf - 80) = -100(Tf - 20)

200Tf - 16000 = -100Tf + 2000

300Tf = 18000

Tf = 60°C

L'enthalpie de réaction (ΔHr) est la variation d'enthalpie lors d'une transformation chimique à pression constante.

Où H est l'enthalpie de formation standard.

• 1 ΔHr < 0 : réaction exothermique (libération de chaleur)
• 2 ΔHr > 0 : réaction endothermique (absorption de chaleur)
• 3 ΔHr = 0 : réaction isothermique (pas de transfert thermique)

Combustion du méthane : CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

ΔHr = -890 kJ/mol (énergie libérée)

• 1 Chauffage d'eau : Q = mcΔT
• 2 Fusion de la glace : Q = mLf
• 3 Vaporisation de l'eau : Q = mLv
• 4 Réactions exothermiques : combustion du gaz

Les systèmes de climatisation exploitent les bilans énergétiques pour transférer la chaleur d'un endroit à un autre. Le réfrigérant subit des cycles de compression et de détente, alternant entre absorption et libération de chaleur.

• 1 Lampe : énergie électrique → énergie lumineuse + thermique
• 2 Bouilloire : énergie électrique → énergie thermique
• 3 Téléphone : énergie chimique → énergie électrique → énergie lumineuse

La chaleur perdue par l'eau chaude est égale à la chaleur gagnée par l'eau froide plus la chaleur absorbée par le calorimètre.

Qeau chaude = m₁c(Tf - T₁) = 100 × 4,18 × (44,0 - 80,0) = 100 × 4,18 × (-36,0) = -15 048 J

Qeau froide = m₂c(Tf - T₂) = 150 × 4,18 × (44,0 - 20,0) = 150 × 4,18 × 24,0 = 15 048 J

Qcalorimètre = Ccal(Tf - T₂) = 50 × (44,0 - 20,0) = 50 × 24,0 = 1 200 J

Qtotal = Qeau chaude + Qeau froide + Qcalorimètre

Qtotal = -15 048 + 15 048 + 1 200 = 1 200 J

La différence est due à la chaleur absorbée par le calorimètre, donc l'énergie est conservée dans le système isolé (eau + calorimètre).

• 1 L'énergie ne se crée ni ne se détruit, elle se transforme
• 2 Premier principe de la thermodynamique : ΔU = Q - W
• 3 Bilan thermique : Qperdu = -Qgagné

• 1 Q = mcΔT (chaleur sensible)
• 2 Q = mL (chaleur latente)
• 3 ΔU = Q - W (premier principe)
• 4 ΔHr = Σ(Hproduits) - Σ(Hréactifs) (enthalpie de réaction)