Aller au contenu
Terminale spécialité · Physique-chimie · L’énergie : conversions et transferts · Chapitre 17

Gaz parfait et premier principe

Fiche de cours5 min de lecturePar Robin RinguetMise à jour : octobre 2026

1Le modèle du gaz parfait

Définition. Dans le modèle du gaz parfait, les entités (atomes ou molécules) sont ponctuelles — leur volume propre est négligeable devant celui du récipient —, elles n’ont aucune interaction entre elles, et leurs chocs sur les parois sont élastiques. Elles sont animées d’un mouvement désordonné permanent : l’agitation thermique.

Propriété — interprétation microscopique. La pression PP résulte des chocs incessants des entités sur les parois : elle augmente si les chocs sont plus fréquents (plus d’entités, volume plus petit) ou plus violents. La température thermodynamique TT mesure l’énergie cinétique moyenne d’agitation d’une entité : elle est d’autant plus grande que les entités vont vite. La masse volumique ρ=m/V\rho=m/V traduit, pour un gaz donné, le nombre d’entités par unité de volume.

Remarque. Le modèle cesse d’être valable à forte pression (le volume propre des entités n’est plus négligeable) et à basse température (les interactions attractives deviennent sensibles : le gaz se liquéfie).

2Équation d’état

Propriété. Pour nn moles de gaz parfait : P V=n R T\boxed{P\,V=n\,R\,T} avec PP en Pa{\mathrm{Pa}}, VV en m3{\mathrm{m}^{3}}, nn en mol{\mathrm{mol}}, R=8,314 J⋅K−1⋅mol−1R={8{,}314\,\mathrm{J}{\cdot}\mathrm{K}^{-1}{\cdot}\mathrm{mol}^{-1}} et TT en K{\mathrm{K}}, avec T (K)=θ (∘C)+273,15T\,({\mathrm{K}})=\theta\,({{}^{\circ}\mathrm{C}})+273{,}15. En conséquence, pour un gaz de masse molaire MM : ρ=mV=n MV=P MR T\rho=\dfrac{m}{V}=\dfrac{n\,M}{V}=\dfrac{P\,M}{R\,T}.

Notation. Une transformation est isotherme si TT est constante (alors PV=PV= constante : loi de Mariotte), isobare si PP est constante (V/T=V/T= constante), isochore si VV est constant (P/T=P/T= constante). Entre deux états d’une même quantité de gaz : P1V1T1=P2V2T2\dfrac{P_1V_1}{T_1}=\dfrac{P_2V_2}{T_2}.

Méthode — appliquer PV=nRTPV=nRT. convertir d’abord toutes les grandeurs en unités du système international (Pa{\mathrm{Pa}}, m3{\mathrm{m}^{3}}, K{\mathrm{K}}) ; ne jamais utiliser de température en ∘C{{}^{\circ}\mathrm{C}} dans cette relation.

3Énergie interne

Définition. L’énergie interne UU d’un système (en J{\mathrm{J}}) est la somme des énergies microscopiques qu’il contient : énergies cinétiques d’agitation des entités et énergies potentielles d’interaction entre elles. Elle ne comprend ni l’énergie cinétique d’ensemble ni l’énergie potentielle de pesanteur du système.

Propriété. Pour un système incompressible (solide ou liquide), UU ne dépend que de la température :

ΔU=m c ΔT=C ΔT\Delta U=m\,c\,\Delta T=C\,\Delta T

où cc est la capacité thermique massique (J⋅kg−1⋅K−1{\mathrm{J}{\cdot}\mathrm{kg}^{-1}{\cdot}\mathrm{K}^{-1}}), C=m cC=m\,c la capacité thermique du système (J⋅K−1{\mathrm{J}{\cdot}\mathrm{K}^{-1}}) et ΔT=Tf−Ti\Delta T=T_{\text{f}}-T_{\text{i}}. Une variation de température a la même valeur en K{\mathrm{K}} et en ∘C{{}^{\circ}\mathrm{C}}.

Propriété — changement d’état. À température constante, la fusion, la vaporisation ou leur inverse mettent en jeu Q=± m LQ=\pm\,m\,L, où LL est l’énergie massique de changement d’état (J⋅kg−1{\mathrm{J}{\cdot}\mathrm{kg}^{-1}}) : Q>0Q>0 pour une fusion ou une vaporisation (le système reçoit), Q<0Q<0 pour une solidification ou une liquéfaction.

4Premier principe de la thermodynamique

Théorème. Pour un système fermé au repos évoluant d’un état initial à un état final :

ΔU=W+Q\Delta U=W+Q

WW (travail) et QQ (transfert thermique, ou chaleur) sont exprimés en J{\mathrm{J}} et comptés positivement lorsqu’ils sont reçus par le système, négativement lorsqu’ils sont cédés.

Remarque. UU est une propriété du système, qui ne dépend que de son état ; WW et QQ décrivent des transferts entre le système et l’extérieur au cours de la transformation. Pour un système incompressible, WW est négligeable et ΔU=Q\Delta U=Q.

Propriété — sens du transfert thermique. Le transfert thermique se fait spontanément du corps le plus chaud vers le corps le plus froid, jusqu’à l’équilibre thermique (températures égales). Dans un ensemble thermiquement isolé (calorimètre), l’énergie interne totale se conserve : ∑Qi=0\sum Q_i=0.

Propriété — puissance et rendement. E=P ΔtE=\mathcal{P}\,\Delta t (P\mathcal{P} en W{\mathrm{W}}, Δt\Delta t en s{\mathrm{s}}) ; η=EutileEconsommeˊe⩽1\eta=\dfrac{E_{\text{utile}}}{E_{\text{consommée}}}\leq 1 ; 1 kW⋅h=3,6×106 J{1\,\mathrm{kW}{\cdot}\mathrm{h}}={3{,}6\times10^{6}\,\mathrm{J}}.

Méthode — mener un bilan d’énergie. définir le système et son état initial ; écrire ΔU=W+Q\Delta U=W+Q ; exprimer chaque terme (m c ΔTm\,c\,\Delta T, m Lm\,L, P Δt\mathcal{P}\,\Delta t) ; résoudre en littéral, puis faire l’application numérique avec des unités SI.

DonnéesValeurs de référence

R=8,314 J⋅K−1⋅mol−1R={8{,}314\,\mathrm{J}{\cdot}\mathrm{K}^{-1}{\cdot}\mathrm{mol}^{-1}} • Patm=1,013×105 PaP_{\text{atm}}={1{,}013\times10^{5}\,\mathrm{Pa}} • ceau=4,18×103 J⋅kg−1⋅K−1c_{\text{eau}}={4{,}18\times10^{3}\,\mathrm{J}{\cdot}\mathrm{kg}^{-1}{\cdot}\mathrm{K}^{-1}} • calu=9,0×102 J⋅kg−1⋅K−1c_{\text{alu}}={9{,}0\times10^{2}\,\mathrm{J}{\cdot}\mathrm{kg}^{-1}{\cdot}\mathrm{K}^{-1}} • Lf(eau)=3,34×105 J⋅kg−1L_f(\text{eau})={3{,}34\times10^{5}\,\mathrm{J}{\cdot}\mathrm{kg}^{-1}} • Lv(eau)=2,26×106 J⋅kg−1L_v(\text{eau})={2{,}26\times10^{6}\,\mathrm{J}{\cdot}\mathrm{kg}^{-1}} • M(air)=29,0 g⋅mol−1M(\text{air})={29{,}0\,\mathrm{g}{\cdot}\mathrm{mol}^{-1}}.

5Savoir-faire du chapitre

Savoir-faire
  • Énoncer les hypothèses du modèle du gaz parfait et ses limites ; relier PP, TT et ρ\rho à l’échelle microscopique.
  • Exploiter PV=nRTPV=nRT et ρ=PM/(RT)\rho=PM/(RT) ; identifier une transformation isotherme, isobare ou isochore.
  • Distinguer variation d’énergie interne et transferts ; prévoir le sens d’un transfert thermique.
  • Calculer ΔU=mcΔT\Delta U=mc\Delta T et l’énergie d’un changement d’état ; déterminer une température d’équilibre.
  • Mener un bilan d’énergie : durée de chauffage, puissance, rendement d’un dispositif.

6Exemples types

Exemplevolume molaire et masse volumique

À θ=20∘C\theta={20{}^{\circ}\mathrm{C}} et PatmP_{\text{atm}}, T=293,15 KT={293{,}15\,\mathrm{K}} et une mole de gaz parfait occupe V=nRTP=1,00×8,314×293,151,013×105=2,41×10−2 m3=24,1 LV=\dfrac{nRT}{P}=\dfrac{1{,}00\times 8{,}314\times 293{,}15}{1{,}013\times 10^{5}}={2{,}41\times10^{-2}\,\mathrm{m}^{3}}={24{,}1\,\mathrm{L}}. L’air y a pour masse volumique ρ=PMRT=1,21 kg⋅m−3\rho=\dfrac{PM}{RT}={1{,}21\,\mathrm{kg}{\cdot}\mathrm{m}^{-3}}.

Exempledurée de chauffage

Une bouilloire de puissance P=2,00 kW\mathcal{P}={2{,}00\,\mathrm{kW}} porte m=1,50 kgm={1{,}50\,\mathrm{kg}} d’eau de 20∘C{20{}^{\circ}\mathrm{C}} à 100∘C{100{}^{\circ}\mathrm{C}}. L’eau est incompressible : ΔU=Q=m ceau ΔT=1,50×4,18×103×80=5,02×105 J\Delta U=Q=m\,c_{\text{eau}}\,\Delta T=1{,}50\times 4{,}18\times 10^{3}\times 80={5{,}02\times10^{5}\,\mathrm{J}}. Si tout le transfert est utile, Δt=Q/P=251 s\Delta t=Q/\mathcal{P}={251\,\mathrm{s}}, soit environ 4 min{4\,\mathrm{min}}.

Exempleéquilibre thermique avec changement d’état

Un glaçon de m=50,0 gm={50{,}0\,\mathrm{g}} à 0∘C{0{}^{\circ}\mathrm{C}} est placé dans m′=300 gm'={300\,\mathrm{g}} d’eau à 25,0∘C{25{,}0{}^{\circ}\mathrm{C}}, dans un calorimètre de capacité négligeable. Le glaçon fond (+m Lf+m\,L_f) puis l’eau obtenue s’échauffe ; l’eau initiale se refroidit. ∑Qi=0\sum Q_i=0 s’écrit m Lf+m ceau (θf−0)+m′ ceau (θf−25,0)=0m\,L_f+m\,c_{\text{eau}}\,(\theta_{\text{f}}-0)+m'\,c_{\text{eau}}\,(\theta_{\text{f}}-25{,}0)=0, d’où θf=10,0∘C\theta_{\text{f}}={10{,}0{}^{\circ}\mathrm{C}}.

Pièges
  • Utiliser des ∘C{{}^{\circ}\mathrm{C}}, des litres ou des bars dans PV=nRTPV=nRT : cette relation exige les unités SI et TT en kelvins.
  • Écrire ΔT\Delta T en kelvins mais TT en degrés Celsius : une variation a la même valeur dans les deux unités, une température non.
  • Confondre UU (propriété du système) et QQ (transfert) : on ne dit pas qu’un corps « contient de la chaleur ».
  • Oublier les signes : Q<0Q<0 pour le corps qui se refroidit ; dans un calorimètre, la somme de tous les transferts est nulle.
  • Oublier l’énergie de changement d’état : tant que la glace fond, la température reste à 0∘C{0{}^{\circ}\mathrm{C}}.

Exercices, contrôles et sujets

Les énoncés sont en accès libre, à télécharger en PDF.

1

Exercices de base

PDF

Les bases : modèle du gaz parfait, équation d’état, énergie interne, bilans d’énergie

10 exercicesniveau Difficulté 1 sur 3durée conseillée : 1 h 30calculatrice autorisée

  1. Le modèle du gaz parfaitDifficulté 1 sur 3
  2. Utiliser l’équation d’étatDifficulté 1 sur 3
  3. La loi de Mariotte, cas particulier de l’équation d’étatDifficulté 1 sur 3
  4. La masse volumique d’un gazDifficulté 1 sur 3
  5. Isotherme, isobare, isochoreDifficulté 1 sur 3
  6. Énergie interne et premier principeDifficulté 1 sur 3
  7. Chauffer de l’eau dans une casseroleDifficulté 1 sur 3
  8. Mélanger de l’eau chaude et de l’eau froideDifficulté 1 sur 3
  9. Faire fondre des glaçonsDifficulté 2 sur 3
  10. Une bouilloire électriqueDifficulté 2 sur 3
2

Exercices d'application

PDF

Application : plongée, ballon-sonde, loi de Mariotte au laboratoire, calorimétrie, chauffage

8 exercicesniveau Difficulté 2 sur 3durée conseillée : 1 h 45calculatrice autorisée

  1. La bouteille du plongeurDifficulté 2 sur 3
  2. Le ballon-sonde météorologiqueDifficulté 2 sur 3
  3. Vérifier la loi de Mariotte au laboratoireDifficulté 2 sur 3
  4. La capacité thermique du calorimètreDifficulté 2 sur 3
  5. Plaque à induction ou plaque vitrocéramique ?Difficulté 2 sur 3
  6. Du glaçon à l’eau bouillante : lire une courbe T(t)T(t)Difficulté 2 sur 3
  7. Python : un glaçon dans un verre d’eauDifficulté 2 sur 3
  8. Le coût d’une doucheDifficulté 2 sur 3
3

Contrôle A

PDF

Modèle du gaz parfait, équation d’état, premier principe, bilans d’énergie

Durée : 1 hcalculatrice autorisée5 exercices indépendantsbarème sur 20

  1. Questions de cours4 ptsDifficulté 1 sur 3
  2. La bouteille de diazote du laboratoire5 ptsDifficulté 2 sur 3
  3. Une expérience de calorimétrie5 ptsDifficulté 2 sur 3
  4. Le chauffe-eau électrique4 ptsDifficulté 2 sur 3
  5. L’autocuiseur2 ptsDifficulté 2 sur 3
4

Contrôle B

PDF

Air comprimé, capacité thermique d’un métal, chauffage d’une piscine

Durée : 1 hcalculatrice autorisée5 exercices indépendantsbarème sur 20

  1. Le cours en questions4 ptsDifficulté 2 sur 3
  2. L’air comprimé d’un atelier4 ptsDifficulté 2 sur 3
  3. Identifier un métal par calorimétrie5 ptsDifficulté 3 sur 3
  4. Chauffer une piscine : résolution de problème5 ptsDifficulté 3 sur 3
  5. Le radiateur à bain d’huile2 ptsDifficulté 2 sur 3
5

Approfondissement

PDF

Du choc microscopique à PV=nRTPV=nRT, limites du modèle, calorimétrie fine : pour aller plus loin

7 exercicesniveau Difficulté 3 sur 3durée conseillée : 2 hcalculatrice autorisée

  1. Du choc microscopique à l’équation d’étatDifficulté 3 sur 3
  2. Jusqu’où le gaz parfait est-il parfait ?Difficulté 3 sur 3
  3. Le travail reçu par un gaz qui se dilateDifficulté 3 sur 3
  4. Calorimètre : mesure par effet Joule et incertitudeDifficulté 3 sur 3
  5. Les glaçons dans le verreDifficulté 3 sur 3
  6. Python : exploiter un relevé de températureDifficulté 3 sur 3
  7. Mesurer le zéro absoluDifficulté 3 sur 3
6

Sujet type bac

PDF

Deux exercices indépendants : le chauffe-eau solaire individuel, le coussin gonflable

Durée : 1 h 30calculatrice autorisée2 exercices indépendantsbarème sur 20

  1. Un chauffe-eau solaire individuel12 ptsDifficulté 3 sur 3
  2. Le coussin gonflable d’un véhicule8 ptsDifficulté 3 sur 3

Terminale · Physique-chimie : les 22 chapitres

  1. Transformations acide-base
  2. Analyse par des méthodes physiques
  3. Titrages
  4. Cinétique chimique
  5. Mécanismes réactionnels
  6. Radioactivité
  7. Sens d’évolution spontanée
  8. Piles
  9. Force des acides et des bases
  10. Électrolyse
  11. Stratégies en synthèse organique
  12. Décrire un mouvement
  13. Deuxième loi de Newton
  14. Mouvement dans un champ uniforme
  15. Mouvement dans un champ de gravitation
  16. Écoulement d’un fluide
  17. Gaz parfait et premier principe
  18. Transferts thermiques
  19. Sons et effet Doppler
  20. Diffraction et interférences
  21. Lunette astronomique et photons
  22. Dynamique du circuit RC