Travail d’une Expansion Isotherme Réversible

Exercice : Travail d'une Expansion Isotherme

Calcul du Travail d’une Expansion Isotherme Réversible

Contexte : La thermodynamique classiqueBranche de la physique qui étudie les transformations de l'énergie, et notamment les relations entre les phénomènes thermiques et mécaniques..

Cet exercice se concentre sur un concept fondamental en thermodynamique : le calcul du travail échangé par un système lors d'une transformation. Nous étudierons le cas spécifique d'une expansion isotherme réversibleUne détente d'un gaz à température constante, menée de manière infiniment lente pour que le système soit toujours en équilibre avec l'extérieur. d'un gaz parfait. Comprendre ce processus est essentiel pour analyser le fonctionnement des moteurs thermiques, des réfrigérateurs et de nombreux processus industriels.

Remarque Pédagogique : Cet exercice vous apprendra à appliquer le premier principe de la thermodynamique et la loi des gaz parfaits pour quantifier l'énergie mécanique (travail) fournie par un gaz lors de sa détente à température constante.


Objectifs Pédagogiques

  • Comprendre la notion de travail thermodynamique \(W\).
  • Maîtriser la formule du travail pour une transformation isotherme et réversible.
  • Appliquer la loi des gaz parfaits \(PV=nRT\) dans un calcul de travail.
  • Interpréter le signe du travail (travail reçu ou fourni par le système).

Données de l'étude

On considère un cylindre fermé par un piston mobile, contenant une certaine quantité de diazote (\(N_2\)), considéré comme un gaz parfait. Le système subit une expansion isotherme réversible à une température constante.

Schéma du système Piston-Cylindre
Gaz (N₂) (Vᵢ, Pᵢ, T) Expansion
Vue 3D du Piston
Nom du Paramètre Symbole Valeur Unité
Quantité de matière de \(N_2\) \(n\) 2.0 mol
Température du système \(T\) 298 K
Volume initial \(V_{\text{i}}\) 10 L
Volume final \(V_{\text{f}}\) 25 L
Constante des gaz parfaits \(R\) 8.314 \(\text{J} \cdot \text{K}^{-1} \cdot \text{mol}^{-1}\)

Questions à traiter

  1. Calculer le travail (\(W\)) effectué par le gaz lors de cette expansion isotherme réversible.
  2. Le travail est-il moteur ou résistant ? Justifiez votre réponse en interprétant le signe du résultat.
  3. Quelle serait la variation d'énergie interne (\(\Delta U\)) du gaz au cours de cette transformation ? Justifiez.
  4. Calculer les pressions initiale (\(P_i\)) et finale (\(P_f\)) du gaz.
  5. Calculer la quantité de chaleur (\(Q\)) échangée par le système avec le milieu extérieur.

Les bases sur le Travail Isotherme

Pour résoudre cet exercice, il est crucial de comprendre les concepts de travail thermodynamique et de transformation isotherme pour un gaz parfait.

1. Travail des forces de pression
Le travail élémentaire \(\delta W\) reçu par un système fermé lors d'une variation de volume \(dV\) est donné par \(\delta W = -P_{\text{ext}} dV\), où \(P_{\text{ext}}\) est la pression extérieure. Pour une transformation réversible, le système est à chaque instant en équilibre mécanique avec l'extérieur, donc \(P_{\text{ext}} = P_{\text{int}} = P\). Le travail total s'obtient en intégrant : \[ W = -\int_{V_{\text{i}}}^{V_{\text{f}}} P \, dV \]

2. Cas d'une transformation isotherme réversible
Pour un gaz parfaitModèle théorique d'un gaz où les interactions entre particules sont négligées. Il suit la loi PV=nRT., la pression \(P\) peut être exprimée en fonction du volume \(V\) grâce à la loi des gaz parfaits : \(P = \frac{nRT}{V}\). Comme la transformation est isothermeSe dit d'une transformation qui s'effectue à température constante (T = cste)., la température \(T\) est constante. En substituant \(P\) dans l'intégrale, on obtient la formule du travail pour ce cas précis.


Correction : Calcul du Travail d’une Expansion Isotherme Réversible

Question 1 : Calcul du travail (\(W\))

Principe

Le but est de calculer l'énergie mécanique échangée entre le gaz et le milieu extérieur (le piston) lors de son changement de volume. Puisque le gaz se détend (son volume augmente), il pousse sur le piston. On s'attend donc à ce que le gaz fournisse du travail au milieu extérieur.

Mini-Cours

Le travail est une forme de transfert d'énergie. En thermodynamique, le travail des forces de pression est lié à la variation de volume d'un système. Pour une transformation réversible, la pression interne du système \(P\) est égale à la pression externe \(P_{\text{ext}}\) à chaque instant. L'intégration de \(\delta W = -P dV\) nous permet de calculer le travail total sur l'ensemble de la transformation.

Remarque Pédagogique

L'approche clé ici est d'identifier le type de transformation (isotherme, réversible) et le type de système (gaz parfait). Cela nous permet de choisir la bonne formule et de simplifier l'intégrale générale du travail. Pensez toujours à "caractériser" la transformation avant de vous lancer dans les calculs.

Normes

Le calcul présenté ici est basé sur les principes fondamentaux de la thermodynamique classique. Il n'est pas lié à une norme d'ingénierie spécifique (comme les Eurocodes), mais repose sur des lois physiques universelles comme la loi des gaz parfaits et le premier principe de la thermodynamique.

Formule(s)

Pour une transformation isotherme et réversible d'un gaz parfait, le travail \(W\) se calcule en intégrant \(-P dV\). En utilisant \(P = nRT/V\), on obtient la formule directe :

\[ W = -nRT \ln\left(\frac{V_{\text{f}}}{V_{\text{i}}}\right) \]
Hypothèses

Pour appliquer cette formule, nous nous basons sur les hypothèses suivantes, données dans l'énoncé :

  • Le diazote (\(N_2\)) se comporte comme un gaz parfait.
  • La transformation est isotherme (température constante).
  • La transformation est réversible (succession d'états d'équilibre).
Donnée(s)

Nous reprenons les données de l'énoncé, en s'assurant de leur cohérence avec les unités requises pour le calcul.

  • \(n = 2.0 \, \text{mol}\)
  • \(R = 8.314 \, \text{J} \cdot \text{K}^{-1} \cdot \text{mol}^{-1}\)
  • \(T = 298 \, \text{K}\)
  • \(V_{\text{i}} = 10 \, \text{L}\)
  • \(V_{\text{f}} = 25 \, \text{L}\)
Astuces

Attention aux unités ! Le volume est donné en Litres (L). Pour obtenir un travail en Joules (J), l'unité d'énergie du Système International, il n'est pas nécessaire de convertir les volumes en m³ ici. Pourquoi ? Car on utilise le rapport \(V_{\text{f}}/V_{\text{i}}\). Le rapport est sans dimension, donc les unités s'annulent. C'est une astuce qui simplifie le calcul.

Schéma (Avant les calculs)
Schéma du système Piston-Cylindre
Gaz (N₂)(Vᵢ, Pᵢ, T)Expansion
Calcul(s)

Appliquons la formule avec les données numériques, en décomposant le calcul.

\[ \begin{aligned} W & = -nRT \ln\left(\frac{V_{\text{f}}}{V_{\text{i}}}\right) \\ & = -(2.0 \, \text{mol}) \times (8.314 \, \text{J} \cdot \text{K}^{-1} \cdot \text{mol}^{-1}) \times (298 \, \text{K}) \times \ln\left(\frac{25 \, \text{L}}{10 \, \text{L}}\right) \\ & = -(4955.8 \, \text{J}) \times \ln(2.5) \\ & \approx -(4955.8 \, \text{J}) \times 0.9163 \\ & \approx -4541.6 \, \text{J} \end{aligned} \]

On peut arrondir et convertir en kilojoules pour une meilleure lisibilité.

\[ W \approx -4.54 \, \text{kJ} \]
Schéma (Après les calculs)
Réflexions

Le résultat de -4.54 kJ est négatif, ce qui est cohérent avec une expansion : le système (le gaz) fournit de l'énergie mécanique au milieu extérieur (le piston). La valeur quantifie exactement cette énergie transférée. Si le volume final avait été plus grand, la valeur absolue du travail aurait été plus importante.

Points de vigilance

L'erreur la plus commune est d'oublier le signe "$-$" dans la formule du travail, ou de mal l'interpréter. Une autre erreur fréquente est de mal utiliser sa calculatrice pour le logarithme népérien (\(\ln\)), à ne pas confondre avec le logarithme décimal (\(\log\)).

Points à retenir
  • La formule clé : \(W = -nRT \ln(V_{\text{f}}/V_{\text{i}})\).
  • Expansion : \(V_{\text{f}} > V_{\text{i}} \Rightarrow \ln(V_{\text{f}}/V_{\text{i}}) > 0 \Rightarrow W < 0\) (travail moteur).
  • Compression : \(V_{\text{f}} < V_{\text{i}} \Rightarrow \ln(V_{\text{f}}/V_{\text{i}}) < 0 \Rightarrow W > 0\) (travail résistant).
Le saviez-vous ?

Le concept de transformation réversible est une idéalisation. Dans la réalité, toutes les transformations sont irréversibles et un peu d'énergie est toujours "perdue" (dissipée), par exemple par frottement. Le travail calculé pour un processus réversible représente la quantité maximale de travail que l'on peut extraire d'une expansion.

FAQ

Voici quelques questions fréquentes.

Résultat Final

Le travail effectué par le gaz lors de son expansion est d'environ -4.54 kJ.

\[ W \approx -4.54 \, \text{kJ} \]
A vous de jouer

Maintenant, calculez le travail si la température était de 350 K, toutes choses étant égales par ailleurs. Entrez votre réponse en kJ.


Question 2 : Nature du travail (moteur ou résistant)

Principe

En thermodynamique, le signe du travail indique le sens du transfert d'énergie mécanique entre le système (ici, le gaz) et le milieu extérieur. Il permet de savoir si le système "subit" le travail ou s'il le "produit".

Mini-Cours

Convention de signe du travail : La convention la plus utilisée en physique (et celle que nous utilisons ici) est la suivante :

  • \(W < 0\) : Le système cède de l'énergie sous forme de travail au milieu extérieur. C'est un travail moteur.
  • \(W > 0\) : Le système reçoit de l'énergie sous forme de travail du milieu extérieur. C'est un travail résistant.
Cette convention est centrée sur le système : ce qui sort est négatif, ce qui entre est positif.

Remarque Pédagogique

Une bonne façon de s'en souvenir est de penser à un moteur de voiture. Il brûle du carburant (énergie interne) pour faire avancer la voiture (fournir un travail). Le travail sort du moteur, il est donc compté négativement. Inversement, pour freiner, on applique un travail sur les roues (on reçoit le travail), qui est donc positif.

Normes

Cette convention de signe (\(W<0\) pour un travail fourni par le système) est la norme recommandée par l'Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée (UICPA). Attention, certains domaines de l'ingénierie plus ancienne utilisent parfois la convention inverse.

Formule(s)

Il n'y a pas de formule de calcul ici, mais une règle d'interprétation :

\[ \text{Si } W < 0 \Rightarrow \text{Travail Moteur} \]
Hypothèses

L'interprétation dépend uniquement de la convention de signe adoptée. Nous supposons que nous suivons la convention standard de la physique/chimie.

Donnée(s)

La seule donnée nécessaire est le résultat de la question précédente.

  • \(W \approx -4.54 \, \text{kJ}\)
Astuces

Sans même faire le calcul, on peut prédire le signe. Une "expansion" ou "détente" signifie que le gaz pousse, donc il travaille. Le travail doit être moteur, et donc négatif. C'est un bon moyen de vérifier la cohérence de son résultat.

Schéma (Avant les calculs)
Calcul(s)

Il n'y a pas de calcul numérique. C'est une déduction directe à partir du signe.

Puisque \(W \approx -4.54 \, \text{kJ}\), on a \(W < 0\).

Schéma (Après les calculs)
Visualisation du transfert d'énergie
Système (Gaz)W < 0
Réflexions

Notre résultat \(W \approx -4.54 \, \text{kJ}\) est négatif. Cela signifie que le gaz a fourni de l'énergie au milieu extérieur en poussant le piston. C'est donc le système qui est le "moteur" de la transformation.

Points de vigilance

Le principal point de vigilance est de ne pas inverser la convention. Si vous concluez qu'un travail négatif est résistant, toute votre analyse énergétique sera faussée. Soyez cohérent tout au long de vos exercices.

Points à retenir

La convention de signe est cruciale : Travail négatif = travail moteur = le système travaille. C'est logique : lors d'une expansion (\(V_{\text{f}} > V_{\text{i}}\)), le rapport \(V_{\text{f}}/V_{\text{i}} > 1\), donc son logarithme est positif. Le signe de \(W\) est alors négatif à cause du signe "$-$" dans la formule.

Le saviez-vous ?

Le terme "travail" a été introduit en mécanique par le mathématicien et ingénieur français Gaspard-Gustave Coriolis au début du 19ème siècle. Son application à la thermodynamique par des scientifiques comme Sadi Carnot a permis de jeter les bases de la révolution industrielle.

FAQ

Voici quelques questions fréquentes.

Résultat Final

Le travail est moteur car son signe est négatif.

A vous de jouer

Si on effectuait une compression du volume final de 25 L au volume initial de 10 L (le chemin inverse), le travail serait-il moteur ou résistant ?


Question 3 : Variation d'énergie interne (\(\Delta U\))

Principe

L'énergie interneSomme de toutes les énergies microscopiques (cinétique et potentielle) des particules constituant un système. \(U\) d'un système représente son contenu énergétique total à l'échelle microscopique. Sa variation \(\Delta U\) dépend des transferts d'énergie avec l'extérieur (chaleur \(Q\) et travail \(W\)).

Mini-Cours

Première loi de Joule pour les gaz parfaits : Pour un gaz parfait, l'énergie interne ne dépend que de sa température. C'est un résultat fondamental démontré expérimentalement par James Prescott Joule. On écrit \(U = f(T)\). Par conséquent, si la température d'un gaz parfait ne change pas, son énergie interne ne change pas non plus, quelle que soit la variation de pression ou de volume.

Remarque Pédagogique

C'est un point essentiel qui simplifie énormément de problèmes de thermodynamique. Dès que vous lisez "gaz parfait" et "isotherme" dans un énoncé, le réflexe doit être immédiat : \(\Delta U = 0\). C'est un raccourci puissant.

Normes

La première loi de Joule est une loi expérimentale fondamentale de la thermodynamique, pas une norme réglementaire. Elle est une pierre angulaire de la théorie des gaz parfaits.

Formule(s)

La formule conceptuelle est :

\[ \Delta U = U_{\text{f}} - U_{\text{i}} = f(T_{\text{f}}) - f(T_{\text{i}}) \]

Pour une transformation isotherme, \(T_{\text{f}} = T_{\text{i}}\), donc :

\[ \Delta U = 0 \]
Hypothèses

Ce résultat n'est vrai que sous deux hypothèses cruciales :

  • Le système est un gaz parfait.
  • La transformation est isotherme.
Donnée(s)

La seule donnée pertinente de l'énoncé est la nature de la transformation.

  • Température \(T = \text{constante}\).
Astuces

Pas besoin de calculatrice ! C'est une question de pur raisonnement basée sur les définitions. Ne vous laissez pas impressionner par les chiffres des questions précédentes, ils ne sont pas utiles ici.

Schéma (Avant les calculs)
Calcul(s)

Puisque la transformation est isotherme, \(T_{\text{f}} = T_{\text{i}}\), donc \(\Delta T = 0\).
Puisque le gaz est parfait, son énergie interne ne dépend que de la température.
Donc, si \(\Delta T = 0\), alors nécessairement \(\Delta U = 0\).

Schéma (Après les calculs)
Bilan énergétique : \(\Delta U = 0\)
Système (Gaz)Q > 0W < 0Q = -W
Réflexions

Ce résultat \(\Delta U = 0\) peut sembler contre-intuitif. Le gaz se détend et fournit du travail, il "dépense" donc de l'énergie. Pour que son énergie interne (et donc sa température) reste constante, il doit impérativement recevoir une quantité de chaleur \(Q\) du milieu extérieur qui compense exactement le travail fourni. C'est le rôle du thermostat dans lequel le cylindre est plongé.

Points de vigilance

Ne généralisez pas ce résultat ! \(\Delta U = 0\) n'est vrai que pour une transformation isotherme d'un gaz parfait. Pour un gaz réel, ou pour une autre transformation (adiabatique, isobare...), \(\Delta U\) n'est généralement pas nul, même si \(\Delta T = 0\) (pour un gaz réel) ou si \(\Delta T \neq 0\).

Points à retenir

Loi de Joule : L'énergie interne d'un gaz parfait ne dépend que de sa température. C'est le point fondamental à retenir de cette question.

Le saviez-vous ?

D'après le premier principe de la thermodynamique, \(\Delta U = W + Q\). Puisque nous avons trouvé que \(\Delta U = 0\), cela implique que \(Q = -W\). Dans notre cas, \(Q \approx +4.54 \, \text{kJ}\). Cela signifie que pour maintenir sa température constante tout en se détendant (ce qui devrait le refroidir), le gaz a dû absorber une quantité de chaleur du milieu extérieur exactement égale au travail qu'il a fourni !

FAQ

Voici quelques questions fréquentes.

Résultat Final

Pour une transformation isotherme d'un gaz parfait, la variation d'énergie interne est nulle.

\[ \Delta U = 0 \, \text{J} \]
A vous de jouer

Lors d'une transformation adiabatique réversible (\(Q=0\)), si le gaz se détend (\(W<0\)), comment varie son énergie interne \(\Delta U\) ?


Question 4 : Calcul des pressions initiale (\(P_i\)) et finale (\(P_f\))

Principe

Pour un gaz parfait, les variables d'état (Pression, Volume, Température, quantité de matière) sont liées par une équation simple : la loi des gaz parfaits. Nous pouvons utiliser cette loi pour calculer la pression du gaz à l'état initial et à l'état final, puisque nous connaissons les autres variables.

Mini-Cours

Loi des Gaz Parfaits : Cette loi stipule que pour une quantité donnée de gaz, le produit de la pression et du volume est directement proportionnel à la température absolue. Elle s'écrit \(PV = nRT\). Cette équation est fondamentale pour décrire l'état d'un gaz dans des conditions idéales.

Remarque Pédagogique

Cette question est une application directe de la loi des gaz parfaits. C'est une étape importante pour vérifier que l'on sait manipuler cette équation et, surtout, faire attention aux unités. Le calcul de la pression est souvent un prérequis pour d'autres calculs en thermodynamique.

Normes

La loi des gaz parfaits est une loi physique fondamentale, pas une norme. Cependant, les unités utilisées (Pascals, mètres cubes) sont celles du Système International (SI), qui est la norme dans les sciences et l'ingénierie.

Formule(s)

En réarrangeant la loi des gaz parfaits, on obtient la formule pour la pression :

\[ P = \frac{nRT}{V} \]
Hypothèses

Le calcul repose sur l'hypothèse que le diazote se comporte comme un gaz parfait, ce qui est stipulé dans l'énoncé.

Donnée(s)

Nous utilisons les données de l'énoncé, en faisant attention à la conversion des volumes pour obtenir une pression en Pascals (Pa), l'unité du SI.

  • \(n = 2.0 \, \text{mol}\)
  • \(R = 8.314 \, \text{J} \cdot \text{K}^{-1} \cdot \text{mol}^{-1}\)
  • \(T = 298 \, \text{K}\)
  • \(V_{\text{i}} = 10 \, \text{L} = 10 \times 10^{-3} \, \text{m}^3\)
  • \(V_{\text{f}} = 25 \, \text{L} = 25 \times 10^{-3} \, \text{m}^3\)
Astuces

Pour convertir les Pascals en bars, une unité plus courante pour la pression, souvenez-vous que \(1 \, \text{bar} = 10^5 \, \text{Pa}\). C'est une conversion très fréquente en thermodynamique appliquée.

Schéma (Avant les calculs)
Schéma du système Piston-Cylindre
(Vᵢ, Pᵢ=?)
Calcul(s)

Calcul de la pression initiale \(P_i\):

\[ \begin{aligned} P_{\text{i}} & = \frac{nRT}{V_{\text{i}}} \\ & = \frac{(2.0) \times (8.314) \times (298)}{10 \times 10^{-3}} \, \frac{\text{mol} \cdot \frac{\text{J}}{\text{K} \cdot \text{mol}} \cdot \text{K}}{\text{m}^3} \\ & = \frac{4955.8}{0.01} \, \frac{\text{J}}{\text{m}^3} \\ & = 495580 \, \text{Pa} \end{aligned} \]

Calcul de la pression finale \(P_f\):

\[ \begin{aligned} P_{\text{f}} & = \frac{nRT}{V_{\text{f}}} \\ & = \frac{4955.8}{25 \times 10^{-3}} \, \frac{\text{J}}{\text{m}^3} \\ & = \frac{4955.8}{0.025} \, \text{Pa} \\ & = 198232 \, \text{Pa} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)
Réflexions

La pression initiale est d'environ 4.96 bar et la pression finale d'environ 1.98 bar. Comme attendu pour une expansion, la pression du gaz diminue lorsque son volume augmente, conformément à la loi de Boyle-Mariotte pour une transformation isotherme (\(P \times V = \text{constante}\)).

Points de vigilance

L'erreur la plus critique dans ce type de calcul est la gestion des unités. Il est impératif de convertir le volume en mètres cubes (\(\text{m}^3\)) si l'on veut obtenir un résultat en Pascals (\(\text{Pa}\)) en utilisant la constante \(R = 8.314 \, \text{J} \cdot \text{K}^{-1} \cdot \text{mol}^{-1}\).

Points à retenir
  • La loi des gaz parfaits \(PV=nRT\) est l'outil central pour déterminer l'état d'un gaz.
  • Pour les calculs, la cohérence des unités du Système International (Pa, m³, K, mol) est essentielle.
Le saviez-vous ?

La loi des gaz parfaits est une excellente approximation pour de nombreux gaz (comme l'azote ou l'oxygène) à des pressions proches de la pression atmosphérique et à des températures ambiantes. Cependant, elle devient moins précise à très haute pression ou très basse température, où les interactions entre molécules ne sont plus négligeables. On utilise alors des modèles plus complexes comme l'équation de van der Waals.

FAQ

Voici quelques questions fréquentes.

Résultat Final

Les pressions initiale et finale sont :

\[ P_{\text{i}} \approx 4.96 \, \text{bar} \quad \text{et} \quad P_{\text{f}} \approx 1.98 \, \text{bar} \]
A vous de jouer

Quelle serait la pression finale (en bar) si le volume final était de 50 L au lieu de 25 L ?


Question 5 : Calcul de la quantité de chaleur (\(Q\))

Principe

Le premier principe de la thermodynamique établit que la variation de l'énergie interne d'un système est égale à la somme du travail et de la chaleur échangés avec le milieu extérieur. En connaissant la variation d'énergie interne (Question 3) et le travail (Question 1), nous pouvons en déduire la chaleur.

Mini-Cours

Premier Principe de la Thermodynamique : C'est un principe de conservation de l'énergie. Pour un système fermé, il s'énonce : \(\Delta U = Q + W\). L'énergie interne d'un système ne peut varier que s'il échange de l'énergie avec l'extérieur, soit sous forme de chaleur \(Q\) (transfert d'énergie désordonné), soit sous forme de travail \(W\) (transfert d'énergie ordonné).

Remarque Pédagogique

Cette question fait la synthèse des précédentes. Elle montre que le travail et la chaleur ne sont que deux facettes des échanges d'énergie. Comprendre leur lien via le premier principe est au cœur de la thermodynamique.

Normes

Le premier principe de la thermodynamique est une loi fondamentale de la physique, universellement acceptée.

Formule(s)

La formule de base est le premier principe :

\[ \Delta U = Q + W \]

Comme \(\Delta U = 0\) pour cette transformation, la formule se simplifie en :

\[ Q = -W \]
Hypothèses

Ce calcul repose sur les conclusions des questions précédentes : le système est un gaz parfait subissant une transformation isotherme (\(\Delta U = 0\)) et le travail calculé en Question 1 est correct.

Donnée(s)

Nous n'avons besoin que des résultats des questions 1 et 3.

  • \(\Delta U = 0 \, \text{J}\)
  • \(W \approx -4.54 \, \text{kJ}\)
Astuces

Le signe est tout ce qui compte ici. Puisque le travail est négatif (moteur), la chaleur doit être positive pour que la somme soit nulle. Une chaleur positive signifie que le système a reçu de la chaleur. C'est logique : pour se détendre sans se refroidir, le gaz doit "pomper" de la chaleur de l'extérieur.

Schéma (Avant les calculs)
Bilan énergétique à déterminer
Système (Gaz)W = -4.54 kJQ = ?
Calcul(s)

En appliquant le premier principe :

\[ \begin{aligned} \Delta U & = Q + W \\ 0 & = Q + W \\ Q & = -W \\ & = -(-4541.6 \, \text{J}) \\ & = +4541.6 \, \text{J} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)
Bilan énergétique final
Système (Gaz)Q = +4.54 kJW = -4.54 kJ
Réflexions

Le signe positif de \(Q\) confirme que le système a reçu de la chaleur. La quantité de chaleur reçue est exactement égale à la quantité de travail que le système a fournie. L'énergie est parfaitement conservée : l'énergie qui entre sous forme de chaleur est utilisée par le système pour fournir un travail à l'extérieur, sans que son stock d'énergie interne ne soit modifié.

Points de vigilance

Attention à ne pas faire une double erreur de signe. Si vous vous trompez sur le signe de \(W\), vous vous tromperez aussi sur le signe de \(Q\). La cohérence entre les signes est fondamentale pour une analyse correcte.

Points à retenir
  • Premier principe : \(\Delta U = Q + W\).
  • Pour une transformation isotherme d'un gaz parfait, \(\Delta U = 0\) et donc \(Q = -W\).
  • \(Q > 0\) : Chaleur reçue par le système (processus endothermique).
  • \(Q < 0\) : Chaleur cédée par le système (processus exothermique).
Le saviez-vous ?

Ce principe de conversion de chaleur en travail est la base de tous les moteurs thermiques. Dans un cycle moteur (comme le cycle de Carnot), le système subit une série de transformations, dont une expansion isotherme, pour absorber de la chaleur d'une source chaude et la convertir en travail utile.

FAQ

Voici quelques questions fréquentes.

Résultat Final

La quantité de chaleur échangée est :

\[ Q \approx +4.54 \, \text{kJ} \]
A vous de jouer

Si le travail fourni par le gaz avait été de -6 kJ, quelle aurait été la quantité de chaleur échangée pour que la transformation reste isotherme ?


Outil Interactif : Simulateur de Travail Isotherme

Utilisez les curseurs pour faire varier la quantité de gaz et le volume final. Observez comment le travail fourni par le gaz et la pression finale changent. La température est fixe à 298 K et le volume initial à 10 L.

Paramètres d'Entrée
2.0 mol
25 L
Résultats Clés
Travail Fourni (\(W\)) - kJ
Pression Finale (\(P_{\text{f}}\)) - bar

Quiz Final : Testez vos connaissances

1. Lors d'une compression isotherme réversible d'un gaz parfait, le travail W est :

2. Si on double la quantité de gaz (n) tout en gardant les volumes et la température constants, le travail fourni lors de l'expansion :


Énergie interne (\(U\))
Somme des énergies cinétiques et potentielles de toutes les particules (atomes, molécules) qui composent un système. Pour un gaz parfait, elle ne dépend que de la température.
Expansion (ou Détente)
Transformation durant laquelle le volume d'un système augmente (\(V_{\text{f}} > V_{\text{i}}\)).
Gaz Parfait
Modèle idéalisé d'un gaz dont les particules ont une taille nulle et n'interagissent pas entre elles, sauf par des collisions élastiques. Il obéit à la loi \(PV = nRT\).
Processus Isotherme
Transformation thermodynamique qui se déroule à température constante (\(T = \text{constante}\)).
Processus Réversible
Transformation idéale, infiniment lente, constituée d'une succession d'états d'équilibre. Elle permet d'obtenir le travail maximal (en valeur absolue) d'un système.
Travail (\(W\))
Mode de transfert d'énergie ordonné entre un système et le milieu extérieur, lié au déplacement d'un objet (comme un piston) sous l'effet d'une force.
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