Le sujet complet du bac 2026 de physique-chimie, Amérique du Nord jour 2

L'épreuve de spécialité physique-chimie du deuxième jour en Amérique du Nord, session 2026, se compose de trois exercices pour un total de 20 points, à traiter en 3 h 30. L'équilibre est inhabituel : le premier exercice, consacré à la thermodynamique, pèse à lui seul 11 points. Les deux autres relèvent de la chimie : une électrolyse de l'eau pour produire du dihydrogène vert (5 points), puis une étude acide-base et un titrage autour de la lessive de cendre (4 points). Le sujet balaie donc une large part du programme de terminale, avec une forte présence du premier principe de la thermodynamique, de l'oxydoréduction et des titrages.

Chaque exercice part d'une situation concrète : une sensation de froid sous les pieds, un projet industriel d'hydrogène, une recette de lessive artisanale. Les questions demandent à la fois des démonstrations, des calculs avec conversions d'unités, des lectures graphiques et des raisonnements argumentés. Les pièges portent rarement sur des notions hors programme : ils tiennent surtout aux signes, aux unités, aux coefficients stœchiométriques et au choix de la bonne solution ou de la bonne courbe.

Exercice 1 : J'ai froid aux pieds sur le carrelage, je préfère le parquet (11 points)

Cet exercice de thermodynamique compte 19 questions, réparties en trois parties. Il cherche à expliquer pourquoi le carrelage paraît plus froid que le parquet alors que les deux sols sont à la même température.

Mesurer l'effusivité du carrelage

Après une analyse dimensionnelle qui établit l'unité de l'effusivité, J·K^-1·m^-2·s^-1/2, l'élève exploite une expérience de calorimétrie : un morceau de carrelage chaud est plongé dans de l'eau. Le transfert thermique va spontanément du carrelage vers l'eau. Le premier principe, ΔU = W + Q, appliqué au système {eau + carrelage} isolé par le calorimètre, conduit à ΔU_eau + ΔU_carrelage = 0. On calcule ΔU_eau = 1,50 × 10³ J, puis C_carrelage = 109 J·K^-1, c_v = 1,98 × 10⁶ J·K^-1·m^-3 et une effusivité de 1,60 × 10³ J·K^-1·m^-2·s^-1/2, environ 3,4 fois celle du bois. Deux pièges dominent : exprimer la masse en kilogramme, et ne pas oublier que la variation de température du carrelage, qui refroidit, est négative.

La température de contact

La deuxième partie introduit la température de contact entre deux matériaux, moyenne des températures initiales pondérée par les effusivités. Pour le contact entre une poche de silicone et le bois, le calcul donne 301,5 K, pour une mesure de 301,3 K. Avec une incertitude-type de 0,2 K, l'écart vaut une seule incertitude-type, pour le bois comme pour le carrelage : mesures et modèle sont compatibles. L'explication du titre en découle : la température de contact est inférieure d'environ 4 °C sur le carrelage, plus effusif, qui absorbe rapidement l'énergie cédée par le pied. Le pied ne perçoit pas la température du sol mais celle du contact.

Le refroidissement dans l'eau

La dernière partie étudie le refroidissement de la poche de silicone dans un thermostat rempli d'eau. Le liquide ajoute un transfert par convection. En combinant Q = φ × Δt, la loi de Newton et le premier principe, on établit une équation différentielle du premier ordre de temps caractéristique τ = C/(h × S). La comparaison des courbes mesurée et modélisée montre que le modèle exponentiel décrit bien l'allure du refroidissement, sauf dans les premiers instants. La tangente à l'origine de la courbe modélisée donne τ ≈ 1,0 × 10³ s, d'où h_eau-silicone ≈ 10 J·s^-1·K^-1·m^-2, environ trois fois la valeur dans l'air : le pied se refroidit plus vite dans l'eau.

Le point le plus exigeant est la démonstration de l'équation différentielle. Elle se réussit en suivant une trame fixe : définir le système, écrire ΔU = Q avec W = 0, remplacer ΔU par C × Δθ et Q par φ × Δt, diviser par Δt puis passer à la limite. Le signe se contrôle facilement : le silicone, plus chaud que l'eau, cède de l'énergie et sa température diminue.

Exercice 2 : HOPE, l'espoir du dihydrogène vert (5 points)

Le deuxième exercice associe une éolienne à un électrolyseur. Il commence par un calcul simple : les 922 MW·h produits en décembre 2023 correspondent à 29,7 MW·h par jour en moyenne.

Le fonctionnement de l'électrolyseur

Sur le schéma de l'annexe, il faut indiquer le sens du courant et celui des électrons en partant des bornes du générateur, qui impose le sens du courant : c'est la différence essentielle avec une pile. L'électrode reliée à la borne − reçoit des électrons et devient le siège de la réduction des ions H⁺ en dihydrogène. L'autre électrode est le siège de l'oxydation de l'eau en dioxygène. En égalisant les électrons échangés, on aboutit à l'équation 2 H₂O → 2 H₂ + O₂.

De l'intensité à l'énergie

La quantité d'électrons échangés s'obtient par n(e^-) = I × Δt / F, soit 3,06 × 10^-5 mol, à condition d'utiliser des ampères et des secondes. La demi-équation de réduction conduit ensuite à une masse de dihydrogène de 3,06 × 10^-5 g. La question à prise d'initiative demande l'énergie nécessaire pour produire 400 kg de dihydrogène : l'énergie consommée au laboratoire, E = U × I × Δt = 14,0 J, est extrapolée par proportionnalité, ce qui donne 1,83 × 10¹¹ J, soit 50,8 MW·h. La comparaison avec les 29,7 MW·h journaliers montre qu'une seule éolienne ne suffit pas dans ces conditions : elle couvre environ 58 % du besoin. L'objectif suppose un électrolyseur industriel qui consomme moins d'énergie par gramme produit, par exemple sous une tension plus faible.

Exercice 3 : La lessive de cendre (4 points)

Le dernier exercice est une étude acide-base complète en huit questions. Après la définition d'une base de Brönsted, on calcule la concentration en ions carbonate d'une solution de carbonate de potassium, 0,22 mol·L^-1, sans multiplier par 2 : ce coefficient porte sur les ions potassium.

Une base faible

L'équation de la réaction de l'ion carbonate avec l'eau s'écrit avec une double flèche. Le pH de 11,8 donne [HO^-] = 6,3 × 10^-3 mol·L^-1, une concentration environ 35 fois plus faible que la concentration apportée en ions carbonate. La transformation est donc très limitée, avec un taux d'avancement final d'environ 3 % : l'ion carbonate est une base faible et la lessive est assimilable à une solution d'ions carbonate.

Titrage et dosage pratique

L'équation support du titrage, CO₃^2- + 2 H₃O⁺ → H₂CO₃ + 2 H₂O, se justifie en additionnant deux étapes successives, visibles sous forme de deux sauts de pH. Le corrigé relève que le couple de l'eau utile ici est H₃O⁺/H₂O, et non H₂O/HO^- comme le suggère l'énoncé. La relation à l'équivalence, avec son facteur 2, donne c₁ = 4,25 × 10^-3 mol·L^-1, et la dilution par dix conduit à c₀ = 4,25 × 10^-2 mol·L^-1 pour la lessive. Enfin, pour une eau dure, il faut verser entre 140 mL et 240 mL de lessive de cendre, davantage qu'une lessive commerciale, car elle est moins concentrée en espèces basiques.

Gestion du temps sur l'épreuve

Avec 3 h 30 pour 20 points, une répartition proportionnelle au barème donne environ 1 h 56 pour l'exercice 1, 53 minutes pour l'exercice 2 et 42 minutes pour l'exercice 3. L'exercice 1 est long mais très guidé : de nombreuses questions donnent le résultat à démontrer, ce qui permet de repartir avec la bonne valeur en cas de blocage. Il est donc préférable de ne pas rester bloqué sur un calcul et d'utiliser la valeur fournie par l'énoncé pour la suite.

Les exercices de chimie sont plus courts, mais ils concentrent des pièges rapides : facteur stœchiométrique, conversion en secondes, choix de c₀ ou de c₁. Il peut être utile de commencer par l'exercice où l'on se sent le plus à l'aise, à condition de bien numéroter les réponses. Gardez quelques minutes à la fin pour relire les unités, les signes et le nombre de chiffres significatifs, et pour vérifier que les constructions sur les annexes, tangente et sens du courant, sont bien visibles et que les annexes sont rendues avec la copie.

Ce qu'il faut retenir de ce sujet

Ce sujet récompense la méthode plus que la mémorisation. Le premier principe de la thermodynamique y apparaît deux fois, sous forme de bilan global puis de démonstration d'une équation différentielle. L'électrolyse se traite en partant toujours du générateur, puis en reliant charge, quantité d'électrons et masse produite. L'étude acide-base repose sur la comparaison d'une concentration mesurée avec une concentration apportée et sur une relation à l'équivalence écrite proprement. Pour s'entraîner, le mieux est de traiter chaque exercice en temps limité avant de consulter le corrigé détaillé, puis de reprendre en priorité les questions où un piège a été manqué.