Verrouillage — Physique Ch8

🎯 Renseignements d'examen captés

« Le but du cours n'est pas de vous faire apprendre par cœur les formules compliquées : celles-ci devraient être dans le formulaire. Je ne vous promets pas que toutes les formules imaginables y sont, mais certainement toutes les formules non triviales seront soit dans le formulaire, soit dans l'énoncé. » (début de la séance 9) — ce qui s'apprend, c'est quand appliquer quoi, pas la formule elle-même.
« Il y aura probablement dans le formulaire des formules que nous n'avons pas vues, et dans ce cas vous n'avez pas besoin de les connaître. Mais attention, le champ de l'examen, comme je vous l'ai déjà dit, c'est LE COURS ET LES EXERCICES. Assurez-vous de regarder au moins les exercices d'approfondissement. » (séance 9) — d'où la série 7 Q9 et la série 8 Q12 traitées ici en entier.
« Le but n'est pas de vous tromper ou de cacher quelque chose, mais il peut arriver qu'il y ait dans les exercices quelque chose qui va au-delà de ce qu'il y a dans le cours. » (séance 9) — c'est le cas de v̄ = √(3P/ρ) (série 8 Q2), du bulbe humide (Q3) et du cycle de Stirling (Q12) : à connaître quand même.
En-tête officiel de la série 8 : « les exercices au format QCM devraient être réalisables en 2 minutes environ ; des exercices plus longs sont proposés afin d'approfondir vos connaissances — ceux-ci font toutefois partie du champ de l'examen. »
Les sept votes d'amphi (pneu, CO₂, radiateur, cuivre/eau, glaçons, pompe à vélo, fonction d'état) sont écrits au format de l'examen : à savoir répondre en 10 secondes.
Ce qui tombe : chaleur latente + m c ΔT (chaque année, sous une forme ou une autre), PV = nRT, 1er principe et transformations, moyenne pondérée, vitesse moyenne des molécules.
Manques déclarés : les transcriptions sont des traductions automatiques (retraduites ici) ; la séance 9 se dégrade après la d.33 (la fin est couverte par la séance 10) ; le vote du d.43 n'est pas commenté ; le diagramme de SFO 2011 A49 est perdu.

Notions (9) → micro-notions (38)

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N1 · Température : Kelvin, zéro absolu, mesure et perception

d.1-5

0/4

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T(°C) = T(K) − 273,15 : le Kelvin, le zéro absolu, et pourquoi un ÉCART est identique dans les deux échelles

~8 min

📊 DIAPOS d.2
Unité officielle : le Kelvin (K) ; vie courante : le degré Celsius. T (°C) = T (K) − 273,15 K ⟺ T (K) = T (°C) + 273,15. C'est un simple décalage ⇒ un ÉCART de température (ΔT) a la même valeur en K et en °C — c'est ce qui permet d'écrire m c ΔT indifféremment dans les deux unités. Repères : 0 K = −273,15 °C · 0 °C = 273,15 K · 25 °C = 298,15 K · 37 °C = 310,15 K.

🎙️ ORAL (séance 9)
« Le 0 en Kelvin est le zéro absolu. Vous ne pouvez pas avoir de températures négatives en Kelvin. Pour cette raison, dans les formules, vous devrez en général utiliser les Kelvins, et si dans la loi des gaz parfaits vous utilisez des degrés Celsius, vous obtiendrez des résultats complètement faux. » — et, à une question d'étudiant : « pourquoi le 0 Kelvin ne peut-il jamais être atteint ? C'est une question qui n'est pas entièrement triviale ; je n'en discuterai pas ici. »

⚠️ PIÈGE
Le piège n° 1 de tout le chapitre : mettre des °C dans PV = nRT, dans (3/2)k_B T ou dans v̄ = √(3RT/M). En revanche, dans m c ΔT et dans la moyenne pondérée, K et °C donnent le même résultat — à condition de ne pas mélanger les deux.

📝 TOMBE EN QCM
Série 7 Q7 A (« la température de l'échantillon vaut −248,15 K » : FAUX, la température en K est toujours positive) ; Med'moi 2023-24 K′6 (−5 °C ⇒ 268,15 K) ; Med'moi 2024-25 Q22 (53 °C ⇒ 326,15 K) ; Med'moi 2023-24 Q21 (distracteurs 315 K et 357 K).

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On ne mesure pas T directement : on mesure un de ses EFFETS (les 4 méthodes officielles)

~5 min

📊 DIAPOS d.2
« La température se mesure via ses effets physiques » : dilatation (thermomètre à mercure, à alcool) · conductivité (thermistance) · tension électrique (thermocouple) · rayonnement infrarouge (thermomètre médical). 💊 C'est la liste des thermomètres cliniques : mercure/galinstan, sonde électronique, thermomètre auriculaire ou frontal.

🎙️ ORAL (séance 9)
« Comment peut-on mesurer les températures ? Une possibilité est d'utiliser le fait que les objets changent normalement de taille avec la température : vous utilisez un thermomètre à mercure ; ou vous pouvez utiliser qu'il y a des matériaux qui changent de conductivité ou de tension électrique — mais ce sont des choses dont nous ne discuterons pas ici. Ou, si vous mesurez dans l'oreille ou à distance, vous pouvez utiliser le fait qu'il y a un rayonnement infrarouge. »

⚠️ PIÈGE
Croire que la température est une grandeur « directement lisible » : tout thermomètre est un capteur indirect, et sa réponse dépend de l'équilibre thermique avec l'objet (d'où le temps de mesure).

📝 TOMBE EN QCM
Question de cours de type A (« lequel de ces principes n'est PAS utilisé pour mesurer une température ? ») ; le rayonnement infrarouge fait le pont avec les transferts thermiques.

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Les thermorécepteurs mesurent un FLUX, pas une température — d'où les illusions (les trois bassines)

~8 min

📊 DIAPOS d.3
Nous percevons la température par des thermorécepteurs cutanés sensibles au sens du flux de chaleur ⇒ illusions de perception. La diapo cite : « on a froid en sortant du bain chaud, chaud en sortant du lac glacé, et le thé à la menthe nous rafraîchit ». L'expérience des trois bassines (schéma officiel) : une main dans l'eau froide, l'autre dans l'eau chaude, puis les deux dans la même eau tiède ⇒ deux sensations opposées.

🎙️ ORAL (séance 9)
« Ces thermorécepteurs ne mesurent pas une température absolue, mais ils mesurent un flux de chaleur. […] Si en hiver vous voulez avoir chaud, prenez une douche froide : en sortant vous aurez chaud. Ou allez au sauna puis prenez une douche froide. C'est la même chose que de boire du thé dans le désert, qui est plus chaud que le désert. Mais pour nous, ce n'est pas la perception de la température qui est pertinente, c'est la propriété physique de la température. »

⚠️ PIÈGE
Répondre « parce que l'eau est plus froide » : la même eau donne deux sensations opposées. Ce qui est perçu, c'est le signe et l'intensité du flux H = Q/Δt à travers la peau (d.21) — donc aussi la conductivité du milieu (d'où l'eau à 20 °C qui paraît plus froide que l'air à 20 °C).

📝 TOMBE EN QCM
K′ de cours (« nos thermorécepteurs mesurent la température absolue » : FAUX) ; sert d'argument dans la série 8 Q3 (sauna, bulbe humide) et dans le vote d'amphi d.40.

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Les deux démonstrations d'entrée : le pneu chaud (je SURESTIME) et le piston qui enflamme (Diesel)

~8 min

📊 DIAPOS d.4-5
Vote d'amphi d.4 — après avoir roulé, je mesure la pression : réponse B, je surestime. Chaîne : frottements ⇒ T ↑ · V fixé · n fixé ⇒ dans PV = nRT, P ↑ ⇒ la « bonne » pression étant celle à froid, on lit plus. Démonstration d.5 : on enfonce brutalement un piston transparent contenant un peu de matière inflammable ⇒ ça s'enflamme ⇒ c'est le principe du moteur Diesel (allumage par compression, sans bougie).

🎙️ ORAL (séance 9)
« Quand vous roulez, vous allez chauffer un peu le pneu, parce qu'il y a des frottements ; et si le pneu chauffe et que le volume reste le même, alors si T croît, P doit croître aussi. » — puis « avant c'était avec les frottements, maintenant on va comprimer, donc on va changer le VOLUME […] c'est aussi le principe du moteur Diesel ».

⚠️ PIÈGE
Confondre les deux mécanismes : au d.4 c'est la température qui change à volume constant (isovolumique) ; au d.5 c'est le volume qui change sans échange de chaleur (adiabatique). Dans le second cas, P et T changent en même temps.

📝 TOMBE EN QCM
Vote d'amphi type A ; Med'moi 2024-25 K′8 A (« pendant la compression la température va diminuer » : FAUX, elle augmente) ; série 8 Q6 (compression adiabatique, ΔU = +200 J).

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N2 · Équation d'état des gaz parfaits : PV = nRT

d.6-11

0/6

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⭐ PV = nRT : R = 8,314 J·mol⁻¹·K⁻¹, N = N_A·n — et les quatre formes de la même loi

~10 min

📊 DIAPOS d.6
P V = n R T avec P en Pa, V en m³, T en K, n en mol (tout en SI). R = 8,314 J·mol⁻¹·K⁻¹ est la constante universelle des gaz parfaits. 1 mol = 6,02·10²³ molécules ; nombre d'Avogadro N_A = 6,02·10²³ mol⁻¹ ⇒ N = N_A · n. Avertissement écrit sur la diapo : « attention, ici n n'est PAS la concentration N/V ». Les quatre formes : PV = nRT · P = nRT/V · V = nRT/P · n = PV/(RT) (celle des annales).

🎙️ ORAL (séance 9)
« Pour un gaz parfait, des propriétés comme la pression, le volume, la température et la quantité de gaz sont liées par une équation d'état : P fois V égale n R T ; utilisez toujours les bonnes unités, et spécifiquement la température doit être en Kelvin. […] Si vous êtes courageux vous pouvez utiliser d'autres systèmes d'unités, mais je vous conseille de toujours utiliser les unités SI. »

⚠️ PIÈGE
Oublier de convertir les litres en m³ (facteur 10³) — c'est l'erreur la plus fréquente des annales — et les °C en K. Confondre n (moles) et N (molécules), ou n et la densité de particules N/V.

📝 TOMBE EN QCM
Série 7 Q7 (n = 1,9·10⁻¹ mol) · Série 7 Q8 (masse d'air) · Med'moi 2023-24 K′6 C (n = 0,13 mol) · SFO 2023-24 Q16 (la loi s'applique à chaque gaz ET au mélange).

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Ce qu'est un gaz parfait : dilué, désordonné, sans interaction — SAUF les collisions

~6 min

📊 DIAPOS d.7
Un gaz est un milieu dilué : particules loin les unes des autres, désordonnées, interagissant peu. Un gaz parfait est un modèle : faible densité, on néglige toutes les interactions (attraction, répulsion…) hormis les collisions. Ordre de grandeur de l'oral : ρ(air) ≈ 1,3 kg·m⁻³ contre ρ(eau) = 1000 kg·m⁻³ ⇒ facteur ≈ 800. Les particules interagissent quand même avec les parois (sinon elles passeraient à travers) : c'est de là que vient la pression.

🎙️ ORAL (séance 9)
« Un gaz est déjà un milieu dilué : par exemple dans un ballon de football, vous avez des molécules d'air qui sont toutes assez loin les unes des autres, beaucoup plus loin que pour un liquide. […] Évidemment, les particules vont bien interagir avec les parois, avec votre récipient, sinon elles passeraient à travers, et ça ne serait pas très utile ; mais il n'y a pas d'attraction ni de répulsion entre les particules. »

⚠️ PIÈGE
Dire que « les molécules de gaz parfait n'entrent jamais en collision » : les collisions sont conservées (ce sont elles qui créent la pression et qui thermalisent le gaz) ; ce sont les forces à distance qui sont négligées.

📝 TOMBE EN QCM
SFO 2023-24 Q16 C et D (van der Waals : FAUX pour un gaz parfait / « les molécules n'interagissent pas entre elles » : VRAI) — le couple contradictoire classique. Base de U = E_T (d.24).

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💊 La pléthysmographie : mesurer le volume pulmonaire par la PRESSION de l'enceinte

~8 min

📊 DIAPOS d.8
Pour mesurer les variations du volume pulmonaire, on mesure les variations de la pression dans l'enceinte étanche où est enfermé le patient. Écrit sur la diapo : « attention, les poumons sont “à l'extérieur” ! Le volume de l'enceinte DIMINUE quand le sujet INSPIRE ». Chaîne : inspiration ⇒ poumons gonflés ⇒ volume d'air de la cabine ↓ ⇒ à n et T fixés, P de la cabine ↑ ⇒ on mesure ΔP et on remonte à ΔV_poumons. C'est l'examen qui donne le volume résiduel et la capacité pulmonaire totale.

🎙️ ORAL (séance 9)
« Vous avez une boîte fermée, étanche, et votre patient est placé dedans ; elle est étanche, mais les poumons sont connectés à l'extérieur par un tube. Maintenant si vous respirez, les poumons vont s'agrandir et ça va changer le volume. Comme vous savez que PV = nRT, si la quantité d'air dans le pléthysmographe ne change pas et que vous gardez la température constante, si le volume diminue, la pression va changer — et vous pouvez mesurer la pression et en déduire le changement de volume. »

⚠️ PIÈGE
Se tromper de sens : croire que la pression de la cabine baisse à l'inspiration. Le raisonnement se fait sur l'air de la cabine, pas sur l'air des poumons.

📝 TOMBE EN QCM
Question médicale de type A (« lors de l'inspiration, la pression dans la cabine… ») ; sert de contexte pour toute application de PV = cte à T constante.

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CNTP (0 °C, 1 atm), CSTP (25 °C, 10⁵ Pa), 💊 BTPS (37 °C) et ATPS (25 °C)

~7 min

📊 DIAPOS d.9
CNTP (ou STPD, standard temperature and pressure, dry) : P = 1,013·10⁵ Pa (= 1 atm) et T = 273,15 K (= 0 °C). Autres conventions : CSTP (chimie) 25 °C et 10⁵ Pa · 💊 BTPS : Body Temperature (37 °C), ambient Pressure (1 atm), Saturated (HR 100 %) ≈ conditions de l'air expiré · 💊 ATPS : Ambient Temperature (25 °C) and Pressure, Saturated.

🎙️ ORAL (séance 9)
« Il y a des combinaisons de P et T un peu standard que vous n'avez pas besoin de connaître par cœur. […] Par exemple l'air que vous respirez a des propriétés de température du corps, pression ambiante et saturé : température du corps veut dire 37 °C, pression ambiante veut dire 1 atmosphère, et air expiré veut dire humidité relative de 100 %. […] En général on vous dira, selon le contexte, ce qu'il faut utiliser. »

⚠️ PIÈGE
Utiliser 10⁵ Pa quand l'énoncé dit « 1 atm » (écart de 1,3 %) ou l'inverse ; oublier que CNTP est à 0 °C et non à 25 °C (l'erreur qui fait passer 22,4 L à 24,8 L).

📝 TOMBE EN QCM
Série 8 Q10 (V_M(37 °C) = 25,4 L, donnée dans l'énoncé) ; toute question de volume molaire. Rassurant : « vous n'avez pas besoin de les connaître par cœur ».

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⭐ Volume molaire V_M = RT/P : 22,4 L aux CNTP (et 24,8 L / 💊 25,4 L)

~9 min

📊 DIAPOS d.10
Volume d'une mole de gaz : pour n = 1, V_M = R T / P — il ne dépend pas de la nature du gaz, seulement de T et P. CNTP : V_M = 8,314 × 273,15 / (1,013·10⁵) = 0,0224 m³ = 22,4 L (Python ✓). CSTP (25 °C, 10⁵ Pa) : 24,8 L. 💊 BTPS (37 °C, 1 atm) : 25,4 L — la valeur du corps humain, celle de la série 8 Q10. Dans 22,4 L il y a 6,02·10²³ particules : « c'est une taille plutôt humaine ; la mole a été choisie parce que c'est un nombre typique ».

🎙️ ORAL (séance 9)
« Le T est 0 °C, donc 273,15 ; si vous mettez 0 là, la réponse serait 0 — mais évidemment ce n'est pas la bonne réponse à 0 °C. Donc vous ne devez pas mettre 0, vous devez mettre 273,15 Kelvin. […] Vous pouvez voir que ça ne dépend de rien d'autre : c'est une quantité standard de tous les gaz parfaits, 22,4 litres. Juste pour vous rappeler que les unités sont importantes. »

⚠️ PIÈGE
Mettre T = 0 (au lieu de 273,15 K) — le prof le signale explicitement ; ou croire que le volume molaire dépend du gaz (l'oxygène et l'hydrogène occupent le même volume molaire).

📝 TOMBE EN QCM
Série 8 Q10 (désorption du CO₂ : V_M(0 °C) = 22,4 et V_M(37 °C) = 25,4 L/mol — question rattachée au Ch9 « gaz dissous » mais qui utilise ce résultat) ; pont avec la chimie générale.

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Le diagramme P-V : deux grandeurs suffisent, les isothermes sont des hyperboles P = nRT/V

~7 min

📊 DIAPOS d.11
On représente l'état du système (caractérisé par les fonctions d'état P, V, T…) et son évolution. Gaz parfait : deux grandeurs suffisent ⇒ diagramme à deux dimensions (P en ordonnée, V en abscisse) ; T est alors donné par PV = nRT. À T fixée, P = nRT/V ⇒ une hyperbole (« ça va comme 1/V ») ⇒ isotherme. Deux isothermes ne se croisent jamais, et celle qui est plus loin de l'origine correspond à la T plus grande (T₂ > T₁).

🎙️ ORAL (séance 9)
« Si vous gardez la température et tracez une courbe, ça va comme 1 sur V : c'est une courbe pour un T fixé, qu'on appelle aussi une courbe isotherme. […] Vous voyez, ici vous n'êtes pas sur la même courbe, donc ça aura une autre température T₂ ; et dans ce cas vous pouvez vous convaincre avec la formule que T₁ sera plus petit que T₂. »

⚠️ PIÈGE
Inverser les axes (P en abscisse) ou classer les isothermes à l'envers. Le test : à V fixé, la courbe la plus haute a la plus grande P, donc la plus grande T.

📝 TOMBE EN QCM
Série 8 Q7 (choisir le bon graphe parmi 4) · Série 8 Q8 (aire sous la courbe) · SFO 2011 module A Q49 (diagramme perdu) · Série 8 Q12 (cycle de Stirling).

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N3 · Mélanges de gaz, pressions partielles et loi de Dalton

d.12-15

0/4

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Le mécanisme : on ouvre la paroi ⇒ chaque gaz occupe TOUT le volume et ne « voit » pas l'autre

~7 min

📊 DIAPOS d.12
Enceinte séparée en deux moitiés V/2 : gaz A à gauche, gaz B à droite ; on ouvre la paroi à T constante. Gaz A : P_A·V/2 = n_A R T puis P′_A·V = n_A R T ⇒ P′_A = P_A/2. Idem pour B. Le point-clé : « si l'on néglige les interactions (gaz parfait), le gaz A ne “voit” pas le gaz B et réciproquement ; chacun occupe tout le volume disponible » ⇒ P′ = P′_A + P′_B = (n_A + n_B) R T / V.

🎙️ ORAL (séance 9)
« Puisque les deux sont des gaz parfaits, il n'y a pas d'interaction entre les gaz : le gaz A va se comporter comme avant, il va juste se répandre dans tout le volume, et le gaz B va faire la même chose qu'avant, parce que pour chaque gaz il ne voit pas l'autre gaz. »

⚠️ PIÈGE
Croire que « le volume se partage » entre les gaz : chacun occupe la totalité du volume. C'est parce que V est le même pour tous que les pressions s'ajoutent simplement.

📝 TOMBE EN QCM
Série 8 Q1 (réponse C : P′ = P, indépendant de V₁ et V₂ — B est le distracteur qui confond pression totale et pressions partielles).

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⭐ Loi de Dalton : P_totale = ΣP_i — et la définition exacte d'une pression partielle

~8 min

📊 DIAPOS d.13
P_totale = Σ P_i = (R T / V) · Σ n_i — loi de Dalton. Définition à savoir mot pour mot : « P_i est appelée pression partielle du gaz i ; c'est la pression qu'aurait ce gaz s'il était SEUL dans le volume V ». La loi des gaz parfaits s'applique DEUX fois : (1) à chaque composant, avec sa pression partielle ; (2) au mélange entier, avec n_total.

🎙️ ORAL (séance 9)
« On peut généraliser ceci à un mélange d'un nombre arbitraire de gaz, et dans ce cas la pression totale est juste la somme, sur tous les gaz différents, des P_i — de la pression que chaque gaz aurait s'il était seul dans le volume. Et c'est ce qu'on appelle la loi de Dalton. »

⚠️ PIÈGE
Définir la pression partielle comme « la part de pression due au gaz i » sans préciser « s'il était seul dans V » : c'est cette formulation qui est demandée. Autre piège : appliquer Dalton à un mélange de liquides (elle ne vaut que pour les gaz parfaits).

📝 TOMBE EN QCM
SFO 2023-24 Q16 A et B (V V : utilisable pour un gaz isolé ET pour l'ensemble) ; base de toute la physiologie respiratoire et du Ch9 (loi de Henry).

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⭐ 💊 L'air (0,78 / 0,21 / 0,01) et la formule P_i = P_totale · n_i/n_total

~9 min

📊 DIAPOS d.14
Une mole d'air = 0,78 mol N₂ + 0,21 mol O₂ + 0,01 mol Ar. Démonstration officielle : on écrit P_i V = n_i RT et P_totale V = n_total RT, on divise ⇒ V, R et T disparaissent ⇒ P_i / P_totale = n_i / n_total ⟺ P_i = P_totale · n_i / n_total (la pression partielle est proportionnelle à la fraction molaire). À 1 atm : p(N₂) = 0,78 atm · p(O₂) = 0,21 atm · p(Ar) = 0,01 atm. 💊 En Pa : p(O₂) = 0,21 × 1,013·10⁵ = 2,1·10⁴ Pa ≈ 160 mmHg (air inspiré ; ≈ 100 mmHg dans l'alvéole après humidification et CO₂).

🎙️ ORAL (séance 9)
« Si la pression totale est 1 atmosphère, dans ce cas la pression de l'azote est 0,78 atmosphère, la pression de l'oxygène est 0,21 atmosphère et la pression de l'argon est 0,01 atmosphère. »

⚠️ PIÈGE
Confondre fraction molaire (constante tant qu'on n'ajoute pas de gaz) et pression partielle (qui suit P_totale). Comprimer un mélange multiplie toutes les pressions partielles par le même facteur, sans changer les proportions.

📝 TOMBE EN QCM
SFO 2024-25 Q12 D (volume ÷2 ⇒ P_totale = 2 atm ⇒ p(O₂) = 0,4 atm, pas 2 atm : FAUX) ; Med'moi 2024-25 K′8 (caisson hyperbare) ; toutes les questions d'oxygénothérapie et de plongée.

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Le vote d'amphi CO₂ (V V V F) : la méthode « j'écris la loi pour LE SEUL gaz i »

~8 min

📊 DIAPOS d.15
« La pression partielle de CO₂ dans le ballon augmente si : A. j'écrase le ballon · B. je chauffe le ballon · C. j'injecte du CO₂ · D. j'injecte de l'azote pur » ⇒ V V V F. La méthode du prof : écrire p_CO₂ = n_CO₂ R T / V et regarder ce que chaque action change dans cette seule formule. A : V ↓ ⇒ p ↑ · B : T ↑ ⇒ p ↑ · C : n_CO₂ ↑ ⇒ p ↑ · D : n_CO₂ inchangé ⇒ p_CO₂ INCHANGÉE (seule P_totale monte).

🎙️ ORAL (séance 9)
« Il y a encore 45 % qui ont voté pour A : si j'écrase le ballon je vais diminuer le volume, et si le reste reste constant la pression va aussi augmenter. […] Il n'y a pas beaucoup de votes pour la dernière option, parce que mettre de l'azote dans le ballon, si T et V ne changent pas, ne va pas changer la pression partielle du CO₂. » — et, à une question : « P_i augmente-t-elle si P_totale augmente ? Ça dépend de comment. »

⚠️ PIÈGE
LE piège du bloc : croire qu'augmenter la pression totale augmente forcément toutes les pressions partielles. Faux si on ajoute un autre gaz à V et T fixés.

📝 TOMBE EN QCM
Vote d'amphi K′ ; 💊 pont clinique direct : donner de l'O₂ pur augmente p(O₂) sans toucher p(CO₂) — seule la ventilation change n(CO₂).

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N4 · Énergie thermique, vitesse des molécules et origine microscopique de la pression

d.16-19

0/4

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E_T : l'énergie cinétique du mouvement MICROSCOPIQUE (solide, liquide, gaz)

~5 min

📊 DIAPOS d.16
Trois vignettes officielles : solide — les atomes vibrent autour de leur position d'équilibre, fixe · liquide — ils vibrent autour d'une position d'équilibre qui se déplace lentement · gaz — mouvement libre, sauf collisions. À ce mouvement est associée une énergie cinétique à l'échelle microscopique : l'énergie thermique E_T, en joules.

🎙️ ORAL (séance 9)
« Pour tous ces mouvements, puisque c'est un mouvement, vous avez une énergie cinétique exactement comme en mécanique. C'est un mouvement mécanique, donc vous avez une énergie cinétique qui est microscopique : ce sont les molécules qui bougent, pas l'objet macroscopique en général. C'est ce qu'on appelle l'énergie thermique et, comme toutes les énergies, elle est en joules. »

⚠️ PIÈGE
Confondre l'énergie cinétique mécanique de l'objet (Ch4, ½mv²) et son énergie thermique : un glaçon lancé possède les deux, indépendamment.

📝 TOMBE EN QCM
Base de la distinction T / E_T / Q (d.20) et de U = E_T pour un gaz parfait (d.24).

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⭐ Ec = (3/2)k_B T par molécule, avec k_B = R/N_A = 1,38·10⁻²³ J/K

~8 min

📊 DIAPOS d.17, 20
Pour un gaz parfait monoatomique, l'énergie cinétique moyenne d'une molécule vaut Ec = (3/2) k_B T. Constante de Boltzmann : k_B = R / N_A = 1,38·10⁻²³ J/K (Python : 8,314/6,02·10²³ = 1,381·10⁻²³ ✓). Application : à 300 K, Ec = 6,2·10⁻²¹ J par molécule. Sur N = n·N_A molécules ⇒ E_T = n N_A (3/2) k_B T = (3/2) n R T (d.20).

🎙️ ORAL (séance 9)
« Il y avait une question sur le point que c'est monoatomique ici : c'est parce que si ce n'est pas monoatomique, vous avez des degrés de liberté supplémentaires, comme les rotations. Et c'est vrai que par exemple l'oxygène est O₂ dans l'atmosphère, donc ce n'est pas vraiment monoatomique — mais si vous insistez, je vous donne deux heures de cours en plus. La réalité est plus compliquée : ça change certains nombres précis, mais pas le principe et pas l'ordre de grandeur. » — et : « le k_B de Boltzmann est plutôt une grandeur microscopique : on l'utilise du côté physique statistique pour des questions d'énergie de particules, alors que pour l'équation des gaz parfaits on utilise R. »

⚠️ PIÈGE
Appliquer (3/2)k_B T à un gaz diatomique sans le signaler : le formulaire donne alors U = (5/2)nRT. Écrire k_B = R·N_A au lieu de R/N_A.

📝 TOMBE EN QCM
Question de cours K′ ; permet de relier v̄, T et E_T dans toute question de théorie cinétique. Med'moi 2024-25 Q22 utilise la version macroscopique √(3RT/M).

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⭐ v̄ = √(3k_B T/m) = √(3RT/M) = √(3P/ρ) — H₂ 1933 m/s, O₂ 483 m/s, air ≈ 500 m/s

~10 min

📊 DIAPOS d.17
On écrit Ec = ½mv̄² et on isole : v̄ = √(2Ec/m) = √(3 k_B T / m) = √(3 R T / M) (m = masse d'UNE molécule ; M = masse molaire). Valeurs officielles à 300 K : hydrogène 1933 m/s (M = 2 g/mol) · oxygène 483 m/s (M = 32 g/mol) — Python ✓. Troisième forme, issue de la série 8 Q2 : puisque k_B T/m = P/ρ, v̄ = √(3P/ρ) ⇒ air à 10⁵ Pa et 1,2 kg/m³ : 500 m/s. Dépendances : v̄ ∝ 1/√m (H₂ va 4 fois plus vite que O₂) et v̄ ∝ √T.

🎙️ ORAL (séance 9)
« Pour l'oxygène à une température de 300 Kelvin, température ambiante un peu plus chaude, cette vitesse moyenne est de 483 m/s — c'est un peu plus rapide que la vitesse du sang ; en effet il y a un lien entre la vitesse du sang et la vitesse moyenne des particules, mais en général c'est un peu plus rapide. Et puisque c'est divisé par m, si vous avez une molécule très légère comme l'hydrogène, elle aura une vitesse moyenne plus élevée, dans ce cas presque 2000 m/s. »

⚠️ PIÈGE
Oublier la racine : doubler P (à ρ fixé) multiplie v̄ par √2 = 1,41, pas par 2 — c'est l'item B de la série 8 Q2. Mélanger m (kg par molécule) et M (kg/mol).

📝 TOMBE EN QCM
Série 8 Q2 (V F V V : la formule √(3P/ρ), le facteur √2, le facteur ÷2, et 500 m/s) ; Med'moi 2024-25 Q22 (M = 3RT/v̄² = 37,6 g/mol ⇒ F₂ diatomique).

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L'origine de la pression : Newton 2 puis Newton 3 sur chaque collision — et le principe de Pascal retrouvé

~8 min

📊 DIAPOS d.18-19
La chaîne en 4 maillons : ① la molécule qui rebondit change de vitesse ⇒ accélération · ② 2ᵉ loi de Newton ⇒ la paroi exerce F⃗_p→m sur elle · ③ 3ᵉ loi ⇒ elle exerce F⃗_m→p = −F⃗_p→m sur la paroi · ④ cette force divisée par la surface, c'est la pression. Les deux dépendances tombent seules : la force augmente avec la vitesse (donc T) et avec le nombre de chocs (donc n/V) ⇒ P = n R T / V. d.19 : le raisonnement se répète dans toutes les directions ⇒ principe de Pascal — la pression est la même partout et dans toutes les directions (si l'on néglige ρgh).

🎙️ ORAL (séance 9)
« Le fait que la pression augmente avec la température, et qu'elle augmente si n divisé par V augmente, j'espère que c'est assez convaincant ; et donc, le fait qu'il y ait cette équation d'état du gaz parfait, qui au début était probablement assez mystérieuse, en fait c'est assez logique. » — et : « on a assez naturellement le principe de Pascal, simplement parce que vous avez la même densité de particules de gaz partout et que ça bouge dans toutes les directions. »

⚠️ PIÈGE
Croire que la pression vient du poids du gaz : elle vient des collisions. Le poids (ρgh) n'ajoute qu'une correction hydrostatique, négligeable dans un gaz sur quelques mètres (🔗 Ch5).

📝 TOMBE EN QCM
K′ de raisonnement ; Med'moi 2024-25 K′8 D (VRAI : la pression sur la paroi et sur le tympan est la même — c'est Pascal) ; pont explicite avec le Ch5.

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N5 · Trois notions distinctes : température, énergie thermique, chaleur

d.20-22

0/3

⬜

⭐ T (moyenne, par molécule) ≠ E_T (total, (3/2)nRT) ≠ Q (TRANSFERT)

~9 min

📊 DIAPOS d.20
Écrit tel quel sur la diapo : « Trois notions distinctes, à ne pas confondre ! » · Température T : liée à l'énergie cinétique MOYENNE des molécules, Ec = (3/2)k_B T — indépendante de la quantité de matière · Énergie thermique E_T : le TOTAL de l'énergie cinétique désordonnée de toutes les molécules ⇒ dépend de T et de n : E_T = (3/2) n R T · Chaleur Q : un TRANSFERT d'énergie d'un objet chaud vers un objet froid. Un corps ne “contient” pas de chaleur, il en échange.

🎙️ ORAL (séance 9)
« On a la température T, liée à l'énergie cinétique moyenne à travers trois demis k_B T ; ensuite il y a l'énergie thermique E_T, et ceci est l'énergie cinétique de chaque particule alors que E_T est le total ; d'autre part il y a aussi la notion de chaleur, et la chaleur est en fait un TRANSFERT d'énergie. »

⚠️ PIÈGE
Dire « ce corps a beaucoup de chaleur » : il a une grande énergie thermique. L'analogie qui verrouille : une tasse de thé à 90 °C a une T plus grande qu'une piscine à 25 °C, mais une E_T bien plus petite.

📝 TOMBE EN QCM
Question de cours (type A ou K′) posée presque chaque année sous une forme ou une autre ; indispensable pour interpréter correctement les énoncés de calorimétrie.

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⭐ Les quatre signes de Q (reçue/cédée × chaud/froid) et le flux H = Q/Δt

~8 min

📊 DIAPOS d.21
Entre un corps chaud et un corps froid : Q_{chaud→froid} > 0 et Q_{froid→chaud} < 0. Côté chaud : Q_reçue < 0 et Q_cédée > 0. Côté froid : Q_reçue > 0 et Q_cédée < 0. La règle en une phrase : un transfert dans le sens chaud → froid est POSITIF. Flux de chaleur : H = Q / Δt — une puissance, en watts ; mêmes conventions d'orientation que Q.

🎙️ ORAL (séance 9)
« On s'attend à ce que le flux de chaleur d'un objet plus chaud vers un objet plus froid soit positif dans cette direction. »

⚠️ PIÈGE
Confondre « cédée par X » (X est la source) et « reçue par X » (X est la cible). Les deux formulations de la même flèche ont le même signe ; inverser la flèche change le signe.

📝 TOMBE EN QCM
Vote d'amphi d.22 (radiateur) ; série 8 Q5 A (FAUX : Q_reçue,Hg < 0 puisque le mercure cède) ; SFO 2024-25 Q20 B et C ; vote d'amphi d.40 C.

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Le vote d'amphi « radiateur / murs / extérieur » : classer les températures puis lire chaque flèche

~6 min

📊 DIAPOS d.22
Six propositions, trois vraies : A, C et E. Méthode en deux temps : ① classer — T_radiateur > T_murs > T_extérieur ; ② appliquer la règle du d.21 à chaque flèche. A (cédée radiateur→murs) ✔ et C (reçue murs←radiateur) ✔ décrivent la même flèche vue des deux côtés ⇒ toutes deux vraies. E (cédée murs→extérieur) ✔. B, D, F décrivent des sens inverses ⇒ négatifs ⇒ faux.

🎙️ ORAL (séance 9)
« En hiver il fait froid dehors et chaud dedans, donc le radiateur sera plus chaud que les murs — sinon vous devriez appeler votre régie — et les murs seront plus chauds que l'extérieur. […] Une écrasante majorité a dit que A est vrai. […] Vous avez parfaitement compris la question et le problème. »

⚠️ PIÈGE
Chercher « la » bonne réponse : dans ce vote, trois propositions sont vraies simultanément. Et surtout : ne pas croire que A et C se contredisent — elles disent la même chose.

📝 TOMBE EN QCM
Vote d'amphi (adapté ici en K′ à 4 items) ; le raisonnement de signe se retrouve dans chaque question de calorimétrie.

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N6 · Énergie interne U et 1er principe de la thermodynamique

d.23-28

0/4

⬜

U = E_c,interne + E_p,interne — l'analogue microscopique de E_M = Ec + Ep

~7 min

📊 DIAPOS d.23
Hormis dans les gaz parfaits, molécules et atomes interagissent (liaisons chimiques, cohésion) ⇒ énergie potentielle interne E_p,interne. Graphique officiel (E_p en fonction de la distance) : forte répulsion à courte distance, puits à la distance préférée (la liaison), remontée vers 0 quand on éloigne — « si vous voulez les séparer, il faut fournir de l'énergie ». Par analogie avec E_M = Ec + Ep (Ch4) : U = E_c,interne + E_p,interne, sommée sur toutes les molécules.

🎙️ ORAL (séance 9)
« En analogie avec la mécanique des objets macroscopiques dont nous avons discuté avant, où l'énergie mécanique est la somme de l'énergie cinétique et de l'énergie potentielle, on peut définir une énergie interne qu'on appelle normalement U. […] C'est exactement analogue à ce que nous avons vu en mécanique, juste maintenant c'est pour chaque molécule, puis sur la somme des contributions. »

⚠️ PIÈGE
Croire que U inclut l'énergie mécanique de l'objet : non, U est purement interne. L'énergie totale est E = E_m + U (d.27).

📝 TOMBE EN QCM
Sert au d.24 (U = E_T pour un gaz parfait) et surtout au d.35 : la chaleur latente augmente E_p,interne sans augmenter T.

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⭐⭐ Gaz parfait ⇒ E_p,interne = 0 ⇒ U = E_T = (3/2)nRT : U NE DÉPEND QUE DE T

~10 min

📊 DIAPOS d.24
Titre officiel = résultat : « l'énergie interne d'un gaz parfait est son énergie thermique ». Démonstration : pas d'interaction ⇒ E_p,interne = 0 ⇒ U = E_c,interne = E_T. Formulaire : U = (3/2) nRT (monoatomique) · U = (5/2) nRT (diatomique). LA conséquence : U ne dépend QUE de T ⇒ isotherme ⇒ ΔU = 0 et Q = −W · adiabatique ⇒ ΔU = W ⇒ une détente REFROIDIT · détente dans le vide ⇒ Q = 0 et W = 0 ⇒ T inchangée.

🎙️ ORAL (séance 9)
« Spécifiquement pour un gaz parfait, quand il n'y a pas d'interaction, le potentiel interne est zéro par construction, et donc l'énergie interne d'un gaz parfait est E_c interne plus E_p interne — mais E_p interne est zéro, donc c'est juste E_c interne, et ça correspond à l'énergie thermique. Donc pour un gaz parfait, l'énergie interne du gaz est simplement E_T. »

⚠️ PIÈGE
Oublier que la relation « ΔU = 0 ⟺ ΔT = 0 » n'est vraie que pour un gaz parfait. Et croire qu'un changement de volume change U : non — seul T compte.

📝 TOMBE EN QCM
SFO 2021 Q22 B et D (F F : ΔU = 0 en isotherme ; E_p,interne est nulle par définition) · Série 8 Q7 B (la détente adiabatique doit refroidir) · Série 8 Q8 D (même ΔU sur trois chemins) · Série 8 Q9 (ΔU = 0) · Série 8 Q12 B (ΔU = (3/2)nRΔT = 15 kJ).

⬜

⭐⭐ 1er principe : ΔU = Q + W avec W le travail REÇU (Kane : ΔU = Q − W avec W fourni)

~10 min

📊 DIAPOS d.25-26
Système fermé, sans énergie mécanique : ΔU = U_finale − U_initiale = Q + W. Q est la chaleur REÇUE (Q < 0 si fournie par le système) · W est le travail REÇU (W < 0 si fourni par le système). Avertissement écrit sur la diapo : « attention ! cette convention n'est pas universelle pour W ; pour des raisons historiques, Kane et Sternheim considèrent le travail fourni, soit −W dans notre convention : ils ont alors ΔU = Q − W ». Énoncé qualitatif (d.25) : l'énergie ne peut être ni créée ni détruite, seulement transférée ou transformée.

🎙️ ORAL (séance 9)
« Le Q ici avec ce signe est la chaleur reçue, et le W est le travail reçu. Maintenant il faut faire attention, parce qu'à l'origine la thermodynamique a été conçue pour comprendre comment marchent les machines à vapeur et comment les optimiser — et dans une machine à vapeur vous voulez recevoir la chaleur et céder le travail ; c'est pour cette raison que dans certains textes, par exemple chez Kane, il y a un moins. » — et : « l'énergie est conservée, mais ça ne veut pas dire qu'elle est constante. »

⚠️ PIÈGE
Le piège d'énoncé du chapitre : ne pas repérer « reçu » ou « fourni » avant de poser l'équation. Les deux écritures disent la même physique — seul le signe de la lettre W change.

📝 TOMBE EN QCM
Série 8 Q6 (« le gaz REÇOIT un travail de 200 J » ⇒ ΔU = +200 J) · SFO 2023-24 Q5 (« le gaz DÉGAGE une forme de travail ») · série 8 Q9 · série 8 Q12 C et D.

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ΔE = ΔE_m + ΔU = Q + W : c'est ainsi qu'on traite les FROTTEMENTS

~7 min

📊 DIAPOS d.27-28
E = E_m + U = Ec + Ep + E_T + E_p,interne (deux termes macroscopiques, deux microscopiques) ⇒ ΔE = ΔE_m + ΔU = Q + W, mêmes conventions de signe. d.28 (photos) : faire du feu en frottant deux bouts de bois, puis avec une perceuse ⇒ du travail purement mécanique intégralement transformé en énergie thermique.

🎙️ ORAL (séance 9)
« Avec ce contexte, vous pouvez modéliser des questions où vous avez un frottement : le frottement va changer votre énergie mécanique, mais en général il va transformer cette énergie mécanique en chaleur — donc l'énergie totale est toujours là. » — et sur la démonstration : « je n'ai jamais essayé de le faire à la maison ; faites un peu attention si vous êtes tenté. »

⚠️ PIÈGE
Croire que l'énergie « disparaît » avec les frottements (Ch4) : elle passe dans E_T. Et penser que la conversion inverse (chaleur → travail) est aussi facile : elle est limitée (2ᵉ principe, hors programme).

📝 TOMBE EN QCM
Pont explicite avec le Ch4 (forces non conservatives) ; Med'moi 2024-25 Q21 (le travail de compression sert à chauffer l'eau).

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N7 · Capacité calorifique et mise en contact de deux corps

d.29-33

0/4

⬜

L'énergie à apporter dépend de la MASSE et de la MATIÈRE : l'idée d'inertie thermique

~5 min

📊 DIAPOS d.29
L'énergie à apporter pour faire varier la température dépend : ① de la masse (« plus il y a de matière, plus il y a d'atomes à mettre en mouvement ») ; ② de la matière (« le cuivre chauffe plus vite que l'eau : cette inertie au chauffage est la capacité calorifique »). Grande capacité ⇒ le corps chauffe lentement et refroidit lentement.

🎙️ ORAL (séance 9)
« Il y a une raison pour laquelle en cuisine les casseroles sont en cuivre : le cuivre chauffe vite pour une quantité donnée. Cette propriété de chauffer plus ou moins vite est encodée dans ce que nous appelons la capacité calorifique : c'est juste une propriété du matériau qui vous dit avec quelle facilité un certain matériau chauffe. »

⚠️ PIÈGE
Croire qu'une grande capacité calorifique signifie « stocke plus de chaleur donc chauffe plus » : c'est l'inverse — il faut plus d'énergie pour le même ΔT.

📝 TOMBE EN QCM
Introduit ΔE_T = mcΔT ; le raisonnement qualitatif suffit à répondre au vote d.31 sans calculer.

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⭐ ΔE_T = m c ΔT, C = mc — et la table officielle (cuivre 385, eau 4169)

~10 min

📊 DIAPOS d.30
ΔE_T = m c ΔT · c = capacité calorifique massique (ou chaleur spécifique), en J·kg⁻¹·K⁻¹ (ou cal·g⁻¹·K⁻¹) · C = m c = capacité calorifique du corps (J/K). Table officielle à 25 °C, à pression constante : cuivre 385 · aluminium 898 · eau 4 169 · eau (vapeur, 100-200 °C) 1 963 · glace (−10-0 °C) 2 089 · hydrogène (gaz) 14 250. 💊 c(corps humain) ≈ 3500 ⇒ 1 °C sur 70 kg = 245 kJ ; 1 cal = 4,186 J ; 1 kcal (« Calorie » alimentaire) = 4186 J.

🎙️ ORAL (séance 9)
« Vous pouvez voir que le cuivre par exemple est assez petit, tandis que l'eau est assez grande : donc chauffer de l'eau est assez difficile, elle peut stocker beaucoup d'énergie. Et ensuite vous pouvez définir la capacité calorifique, le grand C, comme petit m fois c : c'est la capacité calorifique d'un objet donné avec une certaine masse. »

⚠️ PIÈGE
Écart déclaré : la table donne 4169 J·kg⁻¹·K⁻¹ (valeur à 25 °C) alors que les séries et les annales utilisent 4185 ou 4186 (valeur à 15 °C, celle du formulaire de chimie). Écart 0,4 % : toujours prendre la valeur de l'énoncé. Autre piège : confondre petit c (matière) et grand C (objet).

📝 TOMBE EN QCM
Série 8 Q4 (or : c = 129 J·K⁻¹·kg⁻¹ = 30,8 cal·K⁻¹·kg⁻¹ — le distracteur A est le bon nombre avec la mauvaise unité) · SFO 2021 Q23 · Med'moi 2023-24 Q21 et Q22 · Med'moi 2024-25 Q21.

⬜

Le vote d'amphi cuivre + eau : réponse B — et le calcul exact donne 8,45 °C

~7 min

📊 DIAPOS d.31
« 1 kg de cuivre à 100 °C dans 1 kg d'eau à 0 °C » ⇒ B, inférieure à 50 °C (deux tiers des votes). Calcul (Python ✓) : T = (1×385×100 + 1×4169×0)/(385+4169) = 38 500/4 554 = 8,45 °C. Les masses sont égales exprès pour que seul c compte : c(eau)/c(cuivre) = 10,8.

🎙️ ORAL (séance 9)
« Le delta E, le changement d'énergie du cuivre pour un certain delta T, sera plus petit que pour l'eau ; donc le cuivre ne peut pas libérer beaucoup d'énergie tandis que l'eau a besoin de beaucoup d'énergie pour changer sa température, et donc le cuivre ne peut pas chauffer beaucoup d'eau. Si vous essayez, ce sera moins de 10 °C. »

⚠️ PIÈGE
Répondre 50 °C : ce serait la moyenne arithmétique, valable seulement si m_A c_A = m_B c_B. La règle d'or : la température finale est toujours tirée vers le corps de plus grand m·c.

📝 TOMBE EN QCM
Vote d'amphi type A ; le même réflexe résout Med'moi 2023-24 Q21 (thé) et série 8 Q4 (or).

⬜

⭐⭐ T_finale = (m_A c_A T_A + m_B c_B T_B)/(m_A c_A + m_B c_B) : une MOYENNE PONDÉRÉE

~10 min

📊 DIAPOS d.32-33
Démonstration officielle en 3 lignes : ① Q_A = m_A c_A (T − T_iA) et Q_B = m_B c_B (T − T_iB) · ② la chaleur est échangée entre A et B ⇒ Q_A = −Q_B · ③ ⇒ (m_A c_A + m_B c_B) T = m_A c_A T_iA + m_B c_B T_iB ⇒ T = (m_A c_A T_iA + m_B c_B T_iB) / (m_A c_A + m_B c_B). Trois conséquences : T est toujours entre les deux ; plus proche du corps de grand m·c ; si m_A c_A = m_B c_B, c'est la moyenne arithmétique. La formule marche en K comme en °C (le décalage se simplifie), mais sans mélanger.

🎙️ ORAL (séance 9)
« Vous pouvez voir que c'est une moyenne pondérée de T_iA et T_iB avec le poids donné par m_A c_A et m_B c_B — c'est exactement une moyenne pondérée. » — et, à une question : « lequel reçoit, A ou B ? Le transfert de chaleur va toujours de l'objet le plus chaud vers le plus froid. »

⚠️ PIÈGE
Appliquer cette formule quand il y a un changement d'état : elle ne vaut que si aucun corps ne fond ni ne bout (sinon il faut d'abord comparer les énergies, cf. série 8 Q5). Autre piège : oublier de convertir 300 K en 26,85 °C avant de mélanger avec des °C.

📝 TOMBE EN QCM
Série 8 Q4 (or dans l'eau, c'est la formule inversée) · Med'moi 2023-24 Q21 (10 cl + 30 cl ⇒ 65 °C) · d.31 (cuivre/eau).

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N8 · Chaleurs latentes et changements d'état

d.35-40

0/4

⬜

⭐ Fusion : ΔU = L_f m — la température reste CONSTANTE, l'énergie casse les liaisons

~9 min

📊 DIAPOS d.35
En apportant de la chaleur à de la glace à son point de fusion, elle fond et la température reste constante jusqu'à fusion complète. Où va l'énergie : « elle n'accroît pas la température (donc pas l'énergie cinétique interne) ; elle surmonte l'énergie potentielle interne qui lie les molécules d'eau dans la glace, en libérant les molécules des liaisons rigides de l'état solide » ⇒ c'est le retour du d.23 : chauffer augmente E_c,interne, fondre augmente E_p,interne. ΔU = L_f m (fusion) et ΔU = − L_f m (solidification).

🎙️ ORAL (séance 10)
« Il y a aussi des périodes où il y a un changement d'état : par exemple une période à 0 °C quand la glace commence à fondre et devient liquide, la température reste constante, et il y a une certaine chaleur latente qui est nécessaire pour faire fondre la glace. »

⚠️ PIÈGE
Le piège n° 1 des annales : oublier le terme de fusion dans un problème « glace → eau chaude ». Il faut TROIS termes : m c_glace ΔT + L_f m + m c_eau ΔT.

📝 TOMBE EN QCM
SFO 2021 Q23 (glaçon avalé : 3337 + 1549 = 4886 J) · Med'moi 2023-24 Q22 (le distracteur B = 99,2 kJ est exactement le total sans la fusion) · série 8 Q5.

⬜

⭐ Vaporisation : ΔU = L_v m — et la table (eau : L_f 333, L_v 2255 kJ/kg)

~9 min

📊 DIAPOS d.36
Une chaleur latente est associée à chaque changement d'état : ΔU = L_v m (vaporisation), −L_v m (condensation). « Les valeurs dépendent de la matière et des conditions (P, T…) ». Table officielle (T_fusion °C · L_f kJ/kg · T_ébullition °C · L_v kJ/kg) : azote −209,9 · 25,5 · −195,8 · 201 | éthanol −114 · 104 · 78 · 854 | mercure −39 · 11,8 · 357 · 272 | eau 0 · 333 · 100 · 2255 | argent 96 · 88,3 · 2193 · 2335 | plomb 327 · 24,5 · 1620 · 912 | or 1063 · 64,4 · 2660 · 1580. Rapport à retenir : L_v/L_f = 6,8 pour l'eau. 💊 Évaporer 100 g de sueur évacue 226 kJ ⇒ refroidit un corps de 70 kg de 0,9 °C.

🎙️ ORAL (séance 10)
« Après, la glace a fondu, c'est liquide, tout est liquide, l'eau chauffe jusqu'à 100 °C et là à nouveau la température reste constante. Et ensuite ça continue à chauffer. »

⚠️ PIÈGE
Écart déclaré : L_f de l'eau vaut 333 kJ/kg sur cette table, 334 sur l'axe de la d.38 et dans la série 8, 333,7 dans l'annale SFO 2021 Q23. Toujours utiliser la valeur de l'énoncé. Autre piège : confondre L (par kg) et Q (l'énergie totale, = L·m).

📝 TOMBE EN QCM
Série 8 Q5 (L_f = 334 kJ/kg, coïncidence exacte avec la chaleur cédée par le mercure) · SFO 2021 Q23 (L_v est une donnée inutile) · série 8 Q3 (sauna, chaleur latente d'évaporation).

⬜

⭐ La courbe de chauffage de 1 kg d'eau : 4 pentes, 2 plateaux — et comment la lire

~9 min

📊 DIAPOS d.37-38
Graphique officiel (température en ordonnée, chaleur fournie en kJ/kg en abscisse). Cinq segments : ① chauffer la glace (Q = m c_glace ΔT ; −10→0 °C : 20,9 kJ) · ② plateau à 0 °C, fusion (Q = L_f m = 334 kJ) · ③ chauffer l'eau (Q = m c_eau ΔT ; 0→100 °C : 417 kJ) · ④ plateau à 100 °C, vaporisation (Q = L_v m = 2260 kJ, de très loin le plus long) · ⑤ chauffer la vapeur. Lire le graphique : la pente vaut 1/(m c) ⇒ pente douce = grand c ; la longueur d'un plateau vaut L·m. Total ≈ 3 000 kJ pour 1 kg, dont 75 % pour la vaporisation.

🎙️ ORAL (séance 10)
« Nous avions fini avec ce diagramme qui donne un petit résumé de certains concepts : pendant les périodes où un fluide — solide, liquide ou gaz — chauffe, la température est proportionnelle à la chaleur avec un coefficient de proportionnalité qui dépend de l'état et du fluide. »

⚠️ PIÈGE
Lire les plateaux comme des « pauses » sans échange : au contraire, c'est là qu'on fournit le plus d'énergie. Et croire que la pente de la glace et celle de l'eau sont les mêmes.

📝 TOMBE EN QCM
Le réflexe de comptage : dessiner mentalement cette courbe et compter un terme par segment traversé — c'est ce qui sauve Med'moi 2023-24 Q22 (3 termes) et SFO 2021 Q23 (2 termes).

⬜

Fondre et vaporiser REFROIDISSENT l'environnement (frigo, transpiration) — et le verre d'eau à 0 °C

~9 min

📊 DIAPOS d.39-40
Le changement d'état a lieu à T constante mais nécessite un échange : fusion ou vaporisation ⇒ l'environnement fournit la chaleur, donc il refroidit : Q = L m = − C ΔT_{environnement}. Réfrigérateur : la vaporisation du fluide frigorigène refroidit l'air du frigo ; à l'arrière, la liquéfaction réchauffe l'air de la pièce. « L'évaporation de la transpiration nous rafraîchit ». Vote d'amphi d.40 (verre d'eau + glaçons, à l'équilibre) : V F F V — l'eau reçoit de l'air ✔, elle ne reçoit rien des glaçons ✘, son bilan total est nul ✘, et sa température est 0 °C ✔.

🎙️ ORAL (séance 10)
« Si l'eau reçoit un flux positif, sa température devrait augmenter — or elle reste constante, donc il doit aussi y avoir un flux de chaleur de l'eau vers la glace, et c'est ce qui fait fondre la glace. […] La chaleur totale reçue par l'eau sera nulle, parce qu'elle reçoit une chaleur positive de l'air mais donne la même quantité à la glace ; et quand toute la glace a fondu, la température de l'eau commence à monter. »

⚠️ PIÈGE
Croire qu'un frigo « fabrique du froid » : il déplace la chaleur vers la pièce (et y ajoute le travail du compresseur). Et confondre « à l'équilibre, T = 0 °C » (vrai) avec « la température ne change jamais » (faux — SFO 2024-25 Q20 D).

📝 TOMBE EN QCM
Vote d'amphi d.40 (V F F V) · SFO 2024-25 Q20 (V V V F — la même situation, mais l'énoncé ne dit pas « à l'équilibre ») · série 8 Q3 (sauna) · série 8 Q5 D.

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N9 · Transformations, travail et fonctions d'état

d.41-48

0/5

⬜

Transformation quasi-statique = lente, proche de l'équilibre ⇒ RÉVERSIBLE

~6 min

📊 DIAPOS d.41
Transformation : évolution du système dans laquelle des grandeurs caractéristiques (P, V, T) changent. Quasi-statique : « à chaque instant on peut caractériser P, V, T ; on est très proche de l'équilibre à chaque instant = transformation lente, sans frottement ni turbulence » ⇒ elle est alors RÉVERSIBLE (on peut la suivre en sens inverse). Sinon : irréversible.

🎙️ ORAL (séance 10)
« Si vous avez un changement rapide, la pression peut varier à travers votre système : vous n'avez plus de pression homogène ni de température homogène, et dans ce cas ça n'a pas de sens d'associer une valeur de pression au système. Pour que ces caractéristiques restent vraiment des caractéristiques, l'évolution doit être lente, quasi-statique. Et si elle est assez lente, c'est aussi une transformation réversible, parce que si c'est très long je peux faire un petit changement et changer la direction. »

⚠️ PIÈGE
Vouloir tracer une transformation brutale dans un diagramme P-V : impossible — seuls l'état initial et l'état final ont un sens (c'est le cas de la détente de Joule, série 8 Q9).

📝 TOMBE EN QCM
Question de cours K′ ; condition implicite de toutes les questions à diagramme P-V (série 8 Q7, Q8, Q12).

⬜

⭐ Les 4 transformations (isotherme, isobare, isovolumique/isochore, adiabatique) et le classement des pentes

~10 min

📊 DIAPOS d.42
Isotherme ΔT = 0 ⇒ hyperbole ⇒ (gaz parfait) ΔU = 0 et Q = −W · Isobare ΔP = 0 ⇒ droite horizontale ⇒ W = −PΔV · Isovolumique (= isochore) ΔV = 0 ⇒ droite verticale ⇒ W = 0 et ΔU = Q · Adiabatique Q = 0 ⇒ ΔU = W, courbe plus raide qu'une isotherme (formulaire : PV^γ = cte, γ = 5/3 monoatomique, 7/5 diatomique, ≈ 1,3 polyatomique). Classement des pentes : isochore (verticale) > adiabatique > isotherme > isobare (horizontale). À retenir absolument : détente adiabatique ⇒ REFROIDIT ; compression adiabatique ⇒ RÉCHAUFFE.

🎙️ ORAL (séance 10)
« Adiabatique veut dire sans échange de chaleur ; si vous avez un changement adiabatique, le changement d'énergie interne vient du travail, et dans ce cas on peut se convaincre que si on a une compression, la température monte. […] La transformation adiabatique est entre l'isochore et l'isotherme. » — et : « pour être plus cool, puisque vous êtes au bar ce soir, vous pouvez dire que vous avez discuté de transformations isochores : c'est exactement la même chose qu'isovolumique, mais c'est moins évident. »

⚠️ PIÈGE
Confondre isotherme (ΔU = 0, mais Q ≠ 0 et W ≠ 0) et adiabatique (Q = 0, mais ΔU ≠ 0). Et confondre isovolumique (W = 0) avec isotherme (ΔU = 0) — c'est le distracteur D de la série 8 Q12.

📝 TOMBE EN QCM
Série 8 Q6 (compression adiabatique) · Série 8 Q7 (identifier les 3 transformations sur 4 graphes) · SFO 2023-24 Q5 (détente adiabatique) · SFO 2021 Q22 (détente isotherme) · Med'moi 2023-24 K′6 A (chauffer au chalumeau ⇒ pas adiabatique).

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⭐ W = −P ΔV et dW = −P dV : le signe et son sens physique

~9 min

📊 DIAPOS d.43-44
Un gaz dans un piston sans frottement se déplaçant de Δℓ : F = P·A et le travail REÇU par le gaz vaut W = −F Δℓ = −P A Δℓ = −P ΔV. W < 0 si le volume AUGMENTE (le gaz a fourni un travail, le piston l'a reçu) · W > 0 si le volume DIMINUE (le gaz a reçu un travail). Forme infinitésimale : dW = −P dV (« ici on admet que la pression reste constante »). Vote d'amphi d.43 (« lorsque je gonfle mon pneu ») : A je fournis un travail à l'air, et D je reçois de la chaleur de l'air (la pompe chauffe).

🎙️ ORAL (séance 10)
« Nous voulons le travail reçu par convention : donc le travail reçu par le gaz est moins F fois delta l, et le F est P fois A, et A fois delta l est le volume. […] Par exemple si vous gonflez le pneu de votre vélo, c'est là que vous devez pousser contre le gaz : c'est vous qui faites le travail et c'est le gaz qui reçoit le travail. »

⚠️ PIÈGE
Le signe. W = −PΔV donne le travail REÇU ; si l'énoncé demande le travail fourni par le gaz, c'est +P ΔV. Écart déclaré : le vote du d.43 n'est pas commenté dans les transcriptions ; les réponses A et D sont déduites du raisonnement du cours, pas entendues.

📝 TOMBE EN QCM
SFO 2024-25 Q12 C (compression ⇒ W > 0, donc « le travail est négatif » est FAUX) · SFO 2021 Q22 A · SFO 2023-24 Q5 E · Med'moi 2024-25 Q21 (|ΔV| = Q/P).

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⭐ W = −∫P dV = − l'AIRE sous la courbe : les trois cas immédiats

~9 min

📊 DIAPOS d.45
Une transformation se décompose en mouvements infinitésimaux ⇒ W_I→F = − ∫_I^F P dV ⇒ « ce travail est égal à l'opposé de l'AIRE sous la trajectoire dans le diagramme P, V ». Trois cas immédiats : isobare ⇒ aire d'un rectangle ⇒ W = −PΔV · isovolumique ⇒ aire nulle ⇒ W = 0 · isotherme ⇒ W = −nRT ln(V_F/V_I) (Python : 1 mol à 300 K, V ×2 ⇒ −1729 J). Sur un cycle, l'aire enfermée est le travail net ; parcouru dans le sens horaire, le gaz fournit du travail (moteur).

🎙️ ORAL (séance 10)
« Géométriquement, cette intégrale P dV, c'est une intégrale f dx — et comme vous le savez, l'intégrale f dx est simplement l'aire sous la courbe. Le travail fourni sera moins l'aire sous la courbe. Il faut faire attention : si l'énoncé dit le travail fourni par le gaz, vous devez utiliser le signe opposé. […] Ça peut être utile pour comprendre rapidement si deux travaux sont les mêmes ou si l'un est plus grand que l'autre. »

⚠️ PIÈGE
Calculer l'aire alors qu'on peut juste comparer : en QCM, il suffit très souvent de regarder quelle aire est la plus grande. Et oublier que le travail dépend du sens de parcours.

📝 TOMBE EN QCM
Série 8 Q8 (les 3 chemins : V V V V) · Série 8 Q12 F (|W_CD| > |W_AB| par comparaison d'aires ⇒ le gaz fournit du travail sur le cycle) · SFO 2011 module A Q49.

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⭐⭐ FONCTION D'ÉTAT : U, P, T oui ; W et Q non — et le droit de changer de chemin

~10 min

📊 DIAPOS d.46-48
Définition : « une fonction d'état est une grandeur qui ne dépend que de son état, et pas du chemin parcouru ». Exemples : énergie interne, pression, température (et V, n). « Travail ou chaleur ne sont pas des fonctions d'état, car ils dépendent du chemin suivi ». Démonstration graphique : deux chemins (isobare puis isovolumique / l'inverse) entre les mêmes A et B ⇒ aires différentes ⇒ W₁ ≠ W₂, mais ΔU = W₁+Q₁ = W₂+Q₂ identique. Conséquences : sur un cycle, toute fonction d'état a une variation NULLE ; et on peut changer de chemin pour calculer un ΔU (d.48 : « cf. cours de chimie générale » = loi de Hess) — jamais pour W ni Q. Vote d.47 : E_p = mgz est une fonction d'état (A) ; le travail du cycliste pour monter au Salève n'en est pas une (D).

🎙️ ORAL (séance 10)
« Ma position actuelle ne dépend pas du chemin que j'ai pris pour venir ici : c'est une fonction d'état. En revanche, si vous voulez connaître la longueur du chemin que j'ai parcouru entre chez moi et ici, il vous faut connaître mon chemin. […] Pour l'énergie potentielle de pesanteur, vous savez qu'elle est donnée par m fois g fois z : si vous montez à vélo, vous gagnez toujours la même énergie potentielle. En revanche, le travail fourni dépendra de votre chemin, et aussi des frottements, donc de l'énergie perdue. »

⚠️ PIÈGE
Changer de chemin pour calculer W ou Q : interdit, eux dépendent du chemin. Et croire que « ΔU = 0 sur un cycle » implique « W = 0 » : non, W = −Q ≠ 0.

📝 TOMBE EN QCM
Série 8 Q8 D (VRAI : même ΔU sur trois chemins) · Série 8 Q12 B (ΔU sur un cycle = 0) · vote d'amphi d.47 · SFO 2011 module A Q49.

📝 Séries 7 et 8 — les 13 exercices de thermodynamique résolus (✓ corrigés officiels + Python, concordance 13/13)

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Série 7 Q7 (K′) · Gaz parfait, V = 3,2 L, P = 1,5·10⁵ Pa, T = 25 °C

F F F F — les quatre sont fausses · ✓ officiel + Python

A : 0 K = −273,15 °C est vrai, mais « la température de l'échantillon vaut −248,15 K » est faux — la température en K est toujours positive : T = 298,15 K. B : n = PV/(RT) ⇒ n est inversement proportionnelle à T. C : n = (1,5·10⁵ × 3,2·10⁻³)/(8,31 × 298,15) = 1,9·10⁻¹ mol, pas 2,3·10⁻¹. D : n = (1,5·10⁵ × 1,6·10⁻³)/(8,31 × 298,15) = 9,7·10⁻² mol ⇒ la valeur donnée est retrouvée ⇒ c'est bien un gaz parfait (méthode 3 du corrigé : V et n divisés par 2 conservent PV = nRT). Piège de forme : une proposition composée (A) est fausse dès qu'une moitié l'est.

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Série 7 Q8 (A) · La masse de l'air dans une chambre entre l'hiver et l'été

Réponse : B — 2,5 kg · ✓ officiel + Python

V = 5 × 5 × 2,5 = 62,5 m³. Été (27 °C = 300,15 K) : n = 10⁵ × 62,5/(8,314 × 300,15) = 2 505 mol. Hiver (290 K) : n = 2 592 mol. Δ = 87 mol × 29 g/mol = 2 523 g ≈ 2,5 kg. Il y a PLUS d'air en hiver (n ∝ 1/T à P et V fixés). E est le distracteur « je renonce » : 2,5 kg sur ≈ 73 kg, c'est 3,5 %, parfaitement mesurable. Piège : mélanger 290 K et 27 °C.

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Série 7 Q9 (approfondissement) · Piston en équilibre sous son propre poids

h = nRT/(mg + P₀A) = 0,665 m — et 0,647 m avec le ressort · ✓ officiel + Python

Équilibre du piston (ΣF = 0) : P_gazA = mg + P₀A ; gaz parfait dans V = Ah : P_gaz = nRT/(Ah) ⇒ h = nRT/(mg + P₀A) = 0,2 × 8,314 × 400/(200 + 800) = 0,665 m. Avec ressort (k = 50 N/m, l₀ = 0,1 m) : h² + Lh − nRT/k = 0 avec L = (mg+P₀A)/k − l₀ = 19,9 ⇒ h = ½(−19,9 + √(396,01 + 53,21)) = 0,647 m. À noter : le poids du piston ne pèse que 200 N contre 800 N pour l'atmosphère.

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Série 8 Q1 (A) · Mélange de deux gaz à même P et T

Réponse : C — P (indépendant de V₁ et V₂) · ✓ officiel + Python

P′₁ = V₁/(V₁+V₂)·P et P′₂ = V₂/(V₁+V₂)·P ⇒ Dalton : P′ = P′₁ + P′₂ = P. B est le distracteur central : ce sont les pressions PARTIELLES qui dépendent du rapport r = V₁/V₂ (P′₁ = r/(r+1)·P), pas la pression totale. Raccourci : n_total, T et V_total sont inchangés ⇒ P ne peut pas changer.

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Série 8 Q2 (K′) · Vitesse moyenne à partir de P et ρ

V F V V · ✓ officiel + Python

A : PV = N k_B T ⇒ k_B T = PV/N ; m = ρV/N ⇒ k_B T/m = P/ρ ⇒ v̄ = √(3P/ρ) — P et ρ suffisent. B : v̄ ∝ √P ⇒ P doublé ⇒ ×√2, pas ×2. C : ρ ×4 ⇒ ÷2. D : √(3·10⁵/1,2) = 500 m/s. Formule à ajouter au par-cœur : elle vient de la série, pas de la diapo — et le champ de l'examen inclut les séries.

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Série 8 Q3 (K′) · 💊 Sauna, humidité et température du bulbe humide

V F V V · ✓ officiel

A : à puissance constante, une part de l'énergie sert à évaporer (chaleur latente) ⇒ moins pour chauffer l'air ⇒ la température baisse légèrement ; l'humidité, elle, monte fortement. B : plus d'humidité ⇒ air plus proche de la saturation ⇒ il faut plus d'énergie pour évaporer ⇒ la température du bulbe humide AUGMENTE (FAUX). C : l'évaporation étant moins efficace, il faut transpirer davantage pour évacuer la même puissance métabolique — « c'est pour cela qu'un sauna humide paraît beaucoup plus chaud qu'un sauna sec à la même température ». D 💊 : si le bulbe humide atteint la température de la peau (≈ 35 °C), l'évaporation n'extrait plus de chaleur ⇒ la thermorégulation devient impossible — c'est le mécanisme du coup de chaleur en canicule humide.

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Série 8 Q4 (A) · Le lingot d'or dans l'eau (calorimètre)

Réponse : C — 30,8 cal·K⁻¹·kg⁻¹ · ✓ officiel + Python

300 K = 26,85 °C ⇒ Q_or = −Q_eau ⇒ c_or = −[1 × 4185 × (14,66 − 10)]/[12,4 × (14,66 − 26,85)] = 129 J·K⁻¹·kg⁻¹ ⇒ /4,186 = 30,8 cal·K⁻¹·kg⁻¹. A est le piège d'unité : 129 est le résultat en JOULES. B = erreur de virgule. Contrôle de vraisemblance : 129 pour l'or contre 385 pour le cuivre — un métal lourd a une petite capacité massique (Dulong et Petit).

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Série 8 Q5 (K′) · Mélange glace-mercure

F F V V · ✓ officiel + Python

A : le mercure est le corps chaud ⇒ il cède ⇒ Q_reçue,Hg < 0 (FAUX). B : la glace ayant entièrement fondu, la chaleur cédée est supérieure ou égale à celle de la fusion (FAUX). C : Q_cédée,Hg = 1 × 133,6 × 100 = 13 360 J et Q_fusion = 0,040 × 334 000 = 13 360 J ⇒ exactement égales ⇒ rien pour chauffer ⇒ T = 0 °C. D : moins de glace ⇒ excédent ⇒ T > 0 °C. Méthode : dans tout problème avec changement d'état, COMPARER les deux énergies avant de conclure.

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Série 8 Q6 (A) · Compression adiabatique

Réponse : A — l'énergie interne a augmenté de 200 J · ✓ officiel

« Adiabatique » ⇒ Q = 0 ; « reçoit un travail de 200 J » ⇒ W = +200 J ⇒ ΔU = 0 + 200 = +200 J ⇒ T monte. D et E sont faux par définition (Q = 0). B = erreur de signe. « D'un facteur 2 » est une donnée inutile ici.

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Série 8 Q7 (K′) · Quel(s) graphe(s) représente(nt) les 3 transformations ?

F F F V — seul le graphique D · ✓ officiel

A : de 1 à 2 le volume augmente ⇒ détente, pas compression. B (le distracteur fin) : la compression isotherme et l'isobare sont correctes, mais la détente 2→3 ne peut pas être adiabatique : ΔU = W < 0 ⇒ U diminue ⇒ T diminue ; or sur B le gaz passe de T₁ à T₂ > T₁, il s'échauffe. C : détente puis compression — ordre inversé. D : compression isotherme ✔, détente qui fait passer de T₂ à T₁ (refroidissement) ✔, isobare qui ramène au volume initial ✔. Test en 5 secondes : une détente adiabatique doit TRAVERSER les isothermes vers le bas.

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Série 8 Q8 (K′) · Travail sur un diagramme P-V (trois chemins)

V V V V — les quatre sont vraies · ✓ officiel

A : le travail est l'aire sous la courbe ; B → C se fait à la pression élevée P_C ⇒ aire la plus grande. B : segment vertical ⇒ dV = 0 ⇒ W = 0. C : le chemin diagonal est intermédiaire — W_ADC < W_diag < W_ABC. D : U ne dépend que de T donc de l'état ⇒ même ΔU pour les trois chemins. C'est LA démonstration que W et Q ne sont pas des fonctions d'état : W diffère, Q diffère, mais Q + W est identique.

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Série 8 Q9 (A) · Détente dans le vide (détente de Joule)

Réponse : B — ΔU est nulle · ✓ officiel

Deux zéros : le second récipient est vide ⇒ aucune pression à pousser ⇒ W = 0 ; parois isolantes ⇒ Q = 0 ⇒ ΔU = 0 ⇒ (gaz parfait) T ne change pas. Piège majeur : « détente ⇒ le gaz travaille ⇒ W < 0 » est faux ici, car W = −∫P_ext dV avec P_ext = 0. Note du corrigé : si un piston opposait une résistance, alors il y aurait un travail.

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Série 8 Q12 (approfondissement) · Moteur de Stirling

ΔU_BC = +15 kJ · ΔU_CD = ΔU_AB = 0 · ΔU_DA = −15 kJ · ΔU sur un cycle = 0 · ✓ officiel + Python

A : BC et AD sont isovolumiques, AB et CD isothermes ; T₂ = T_C au-dessus de T₁ = T_F ⇒ le cycle est parcouru dans le sens horaire (ABCD). B : U = (3/2)nRT ⇒ ΔU_BC = 1,5 × 8,314 × (1500 − 293) = 15 kJ ; sur le cycle, 0 — « ce résultat est attendu, car U est une fonction d'état ». C et D : sur les isovolumiques W = 0 ⇒ Q_BC = +15 kJ et Q_DA = −15 kJ. E : CD est une détente ⇒ W < 0 (le gaz fournit) ; AB une compression ⇒ W > 0. F : l'aire sous CD > l'aire sous AB ⇒ W du cycle < 0 ⇒ le gaz fournit du travail. G : ΔU = 0 ⇒ Q = −W ⇒ le moteur convertit les transferts thermiques en travail.

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Le reste des séries (pour mémoire)

Série 7 : Q1, Q2, Q10 = Ch6 (ondes) · Q3-Q6 = Ch7 (tension de surface) · Série 8 : Q10, Q11, Q13 = Ch9 (gaz dissous)

La série 8 s'appelle « Fin gaz parfaits, transferts de chaleur, changements d'état, transformations, gaz dissous » : ses trois dernières questions (désorption du CO₂, diffusion, plongée sous-marine) relèvent du chapitre suivant et seront traitées avec lui. Rappel de l'en-tête officiel : « les exercices au format QCM devraient être réalisables en 2 minutes environ. Des exercices plus longs sont proposés afin d'approfondir vos connaissances ; ceux-ci font toutefois partie du champ de l'examen. »

📜 Annales croisées — les 13 vraies questions Ch8 (SFO 2011, 2021 ×2, 2023-24 ×2, 2024-25 ×2 ; Med'moi 2023-24 ×3 et 2024-25 ×3)

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Ce que le chapitre pèse vraiment

Le chapitre le plus lourd de la physique : 2 séances, 47 diapos, 13 questions recensées

Cinq familles reviennent : (1) chaleur latente + m c ΔT — SFO 2021 Q23, Med'moi 2023-24 Q22 (la question la plus rentable : elle vaut un point à elle seule et se prépare en 10 minutes) · (2) PV = nRT — SFO 2024-25 Q5, Med'moi 2023-24 K′6, série 7 Q7-Q8 · (3) transformations et 1er principe — SFO 2021 Q22, SFO 2023-24 Q5, SFO 2011 A49 · (4) moyenne pondérée — Med'moi 2023-24 Q21 · (5) théorie cinétique — Med'moi 2024-25 Q22. Conclusion stratégique : quatre formules (PV = nRT, m c ΔT, L m, ΔU = Q + W) et deux réflexes graphiques (isotherme = hyperbole, aire = travail) couvrent la totalité des annales.

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SFO 2021 Q22 (K′) · Détente isotherme d'un gaz parfait

F F V F · ✓ clé officielle + Python

A : détente ⇒ ΔV > 0 ⇒ W = −PΔV < 0 ⇒ le gaz fournit du travail. B : isotherme + gaz parfait ⇒ U = (3/2)nRT ⇒ ΔU = 0. C : ΔU = Q + W = 0 ⇒ Q = −W > 0 : le gaz reçoit de la chaleur. D : dans un gaz parfait E_p,interne = 0 par définition. La chaîne à automatiser : isotherme + gaz parfait ⇒ ΔU = 0 ⇒ Q = −W.

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SFO 2021 Q23 (A) · On avale un glaçon de 10 g (0 °C → 37 °C)

Réponse : C — 4,885 kJ · ✓ clé officielle + Python

Deux étapes (le glaçon est déjà à 0 °C) : fusion 0,010 × 333 700 = 3 337 J ; chauffage 0,010 × 4 186 × 37 = 1 549 J ⇒ 4 886 J = 4,89 kJ. L_vaporisation est une DONNÉE INUTILE (rien ne bout à 37 °C). Les 4 distracteurs sont des pièges d'unité, pas de calcul : A = ×1000, B = ÷1000, D = mJ, E = des watts (une puissance !). Réflexe : quand les 5 options portent le même chiffre, la question ne teste que l'unité.

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SFO 2023-24 Q5 (A) · Détente adiabatique

Réponse : E — le gaz dégage une forme de travail · ✓ clé officielle

Détente ⇒ ΔV > 0 ⇒ W < 0 ⇒ le gaz fournit du travail ✔. C : le volume augmente, il n'est pas conservé. D : adiabatique ⇒ Q = 0. A et B : ΔU = W < 0 ⇒ U diminue ⇒ la température BAISSE. Le résultat à retenir : détente adiabatique ⇒ refroidit ; compression adiabatique ⇒ réchauffe.

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SFO 2023-24 Q16 (K′) · La loi des gaz parfaits appliquée à un mélange

V V F V · ✓ clé officielle

A et B : la loi s'applique à chaque composant (avec sa pression partielle) ET au mélange entier — c'est écrit mot pour mot sur la d.13. C : les interactions de van der Waals existent dans les gaz réels ; le modèle du gaz parfait les néglige. D : c'est la définition (d.7). C et D sont contradictoires : dans un K′ bien construit elles ne peuvent pas être vraies ensemble.

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SFO 2024-25 Q12 (A) · Le ballon écrasé (80 % N₂, 20 % O₂)

Réponse : E — la quantité d'oxygène ne varie pas · ✓ clé officielle

E est la seule affirmation indiscutable : le ballon est fermé ⇒ n(O₂) constant. D : volume ÷2 et retour à T ambiante ⇒ P_totale = 2 atm ⇒ p(O₂) = 0,4 atm, pas 2 atm (confusion pression totale / partielle). C : compression ⇒ ΔV < 0 ⇒ W = −PΔV > 0, le travail reçu est positif. ⚠️ Écart déclaré : le retranscrit juge lui-même la question floue et conseille de procéder par élimination.

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SFO 2024-25 Q20 (K′) · Verre d'eau avec glaçons à température ambiante

V V V F · ✓ clé officielle

A : sortis du congélateur, les glaçons sont à ≈ −18 °C ⇒ plus froids que l'eau. B : l'eau (plus chaude) cède à la glace ✔. C : l'air ambiant, le plus chaud, alimente le système ✔. D : la glace fond puis la température finit par monter jusqu'à l'ambiante ⇒ FAUX. ⚠️ Le piège de la paire : le vote d'amphi disait « la température est 0 °C » (VRAI, « à l'équilibre ») ; l'annale dit « ne change pas » (FAUX, sur toute la durée). Lis toujours l'échelle de temps.

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SFO 2011 module A Q49 (A) · Diagramme P-V (diagramme perdu)

Méthode reconstituée — pas de clé exploitable

Les propositions retranscrites : a) l'énergie interne diminue ; b) la température augmente ; c) c'est une compression isotherme. Les trois réflexes de lecture : (1) une isotherme est une hyperbole PV = cte, et pour un gaz parfait U ∝ T ⇒ a et b sont incompatibles ; (2) une compression va vers les V décroissants (vers la gauche) ; (3) le travail est l'aire sous la courbe. ⚠️ Écart déclaré : le diagramme est perdu ; cette question n'est pas reprise dans les QCM du site, seule sa méthode l'est.

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Med'moi 2023-24 Q21 (A) · Mélanger 10 cl d'eau à 5 °C et 30 cl de thé à 85 °C

Réponse : D — 65 °C · ✓ Python

Même liquide ⇒ c et ρ se simplifient ⇒ T = (10 × 5 + 30 × 85)/40 = 65 °C. Raccourci mental : le thé pèse 3 fois plus ⇒ la température finale est aux trois quarts du chemin de 5 vers 85 : 5 + 0,75 × 80 = 65. C (315 K = 41,85 °C) et E (357 K = 83,85 °C) sont des pièges d'unité : 65 °C vaut 338 K, qui n'est pas proposé.

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Med'moi 2023-24 Q22 (A) · 500 g de glace à −15 °C jusqu'à 40 °C — LA question-type

Réponse : C — 265,7 kJ · ✓ Python

TROIS termes : chauffer la glace 0,5 × 2 060 × 15 = 15,5 kJ ; fondre 0,5 × 333 700 = 166,9 kJ ; chauffer l'eau 0,5 × 4 186 × 40 = 83,7 kJ ⇒ 266 kJ. B (99,2 kJ) = 15,5 + 83,7 : c'est EXACTEMENT le total en oubliant la fusion — le distracteur construit sur l'erreur n° 1 du chapitre. Réflexe : dessiner la courbe de chauffage et compter un terme par segment traversé.

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Med'moi 2023-24 K′6 (K′) · Bonbonne de 2 L chauffée au chalumeau

F V V F · ✓ Python

A : on chauffe au chalumeau ⇒ Q ≫ 0 ⇒ pas adiabatique (c'est isovolumique). B : ΔV = 0 et n constant ⇒ P ∝ T ⇒ P(50 °C) = 150 000 × 323,15/268,15 = 1,81·10⁵ Pa > P(−5 °C) ✔. C : n = PV/(RT) = 150 000 × 0,002/(8,314 × 268,15) = 0,135 mol ≈ 0,13 ✔. D : l'énoncé dit lui-même que la quantité ne change pas. Les 3 lois dérivées : isotherme PV = cte · isobare V/T = cte · isovolumique P/T = cte.

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Med'moi 2024-25 Q21 (A) · Comprimer une boîte pour chauffer de l'eau

Réponse : B — 465 dm³ · ✓ Python

Q = m c ΔT = 0,1 × 4 186 × 10 = 4 186 J ⇒ W = −PΔV ⇒ |ΔV| = 4 186/120 000 = 34,9 L ⇒ V_final = 500 − 34,9 = 465 L. Les 4 moles d'azote sont une donnée inutile. C (534 L) = erreur de signe ; E (499 L) = facteur 100 ; A et D ont des unités absurdes. ⚠️ Écart déclaré : clé non officielle, modèle simplifié (rendement 100 %, pression constante).

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Med'moi 2024-25 Q22 (A) · Identifier le gaz par sa vitesse moyenne

Réponse : C — le fluor (F₂) · ✓ Python

M = 3RT/v̄² = 3 × 8,314 × 326,15/465² = 37,6 g/mol ⇒ F₂ = 38 g/mol. ⚠️ Le piège central : il faut penser DIATOMIQUE (le fluor atomique vaut 19 g/mol et ne correspond à rien). Contrôle des distracteurs à 326,15 K : N₂ 539 m/s, O₂ 504 m/s, He 1426 m/s, Cl₂ 338 m/s — aucun ne donne 465.

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Med'moi 2024-25 K′8 (K′) · 💊 Le caisson hyperbare des HUG

F F F V · ✓ Python

A : comprimer réchauffe (ΔU = W > 0). B : 2,5 bar absolus = 1,5 bar relatifs ⇒ h = 1,5·10⁵/(1000 × 9,81) = 15,3 m, pas 25 m (🔗 Ch5). C : S = 2πr² + 2πrL = 89,5 m² ⇒ F = 2,5·10⁵ × 89,5 = 2,24·10⁷ N, pas 5,18·10⁷. D : principe de Pascal — la pression est la même partout et dans toutes les directions ✔. 💊 C'est parce que la face externe du tympan subit 2,5 bar que le patient doit équilibrer (Valsalva) pendant la compression.

🎯 Critères de verrouillage du Ch8

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Ce que « verrouillé » veut dire

Les 6 réflexes du chapitre

1. Convertir avant de calculer : °C → K, L → m³, cl → kg. 2. Devant un mélange, écrire la loi des gaz parfaits pour le seul gaz demandé (p_i = n_i RT/V), puis P_i = P_totale · n_i/n_total. 3. Devant un problème de chaleur, dessiner la courbe de chauffage et compter un terme par segment traversé (m c ΔT pour une pente, L m pour un plateau). 4. Devant un contact entre deux corps, écrire directement la moyenne pondérée — sauf s'il y a un changement d'état, auquel cas comparer les énergies d'abord. 5. Devant une transformation, identifier laquelle des quatre (ΔT, ΔP, ΔV ou Q nul), puis appliquer ΔU = Q + W en repérant « reçu » ou « fourni ». 6. Devant un diagramme P-V : isotherme = hyperbole, aire = travail, cycle ⇒ ΔU = 0.

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Les valeurs par cœur (le chapitre en a plus que les autres)

6 constantes + 4 formules + 2 tables

Constantes : R = 8,314 J·mol⁻¹·K⁻¹ · N_A = 6,02·10²³ · k_B = 1,38·10⁻²³ J/K · 1 atm = 1,013·10⁵ Pa · 0 °C = 273,15 K · V_M(CNTP) = 22,4 L (et 💊 25,4 L à 37 °C). Formules : PV = nRT · v̄ = √(3RT/M) = √(3P/ρ) · ΔE_T = m c ΔT et T = Σm_i c_i T_i / Σm_i c_i · ΔU = Q + W avec W = −PΔV = −aire. Table des c : cuivre 385, aluminium 898, eau 4169 (4185/4186 dans les énoncés), vapeur 1963, glace 2089, H₂ 14250. Table des L (eau) : L_f = 333 kJ/kg (334 dans les séries), L_v = 2255 kJ/kg. Ordres de grandeur à retenir : v̄(air) ≈ 500 m/s ; U = (3/2)nRT ⇒ 1 mol à 300 K = 3,7 kJ ; vaporiser coûte 6,8× plus que fondre.

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Sortie du chapitre (protocole PEGASUS)

Toutes les micro-notions ✅ + examen v2 ≥ 80 % + 2 rappels libres ≥ 85 % sur deux jours + les séries 7 (Q7-Q9) et 8 (Q1-Q9, Q12) refaites sans aide

Calendrier : J0 diapos + séries sans regarder · J+1 examen v2 + Anki · J+2 page blanche n°1 · J+4 tirage v3 · J+7 page blanche n°2 + v2 refait · J+14 tirage v3. Puis examen entrelacé Ch1-8. Ce chapitre pèse deux séances : prévoir deux passages complets plutôt qu'un seul.