Programme 2011 : Physique et Chimie Programme 2020 : Physique et chimie

Pour aller plus loin : 

Mots clés : Autres formes d'énergie ; Transferts d'énergie ; Transfert thermique ; Energie interne ; Variation de l'énergie interne d'un système ; Thermodynamique ; ...

I- Autres formes d’énergie.

1)- Les autres effets du travail d’une force.

-    On a vu que le travail d’une force peut modifier la valeur de la vitesse d’un objet et modifier son altitude.

a)- Élévation de la température d’un objet.

-    Une force peut provoquer l’élévation de la température d’un objet.

-    C’est le cas des forces de frottement.

-    Une élévation de la température d'un système augmente l'agitation des particules qui constituent le système, 

-    Elle augmente l'agitation thermique (il y a augmentation de l'énergie cinétique microscopique).

b)- Changement d’état d’un corps pur.

-    Une force peut provoquer l’élévation de la température d’un corps, 

-    Mais elle peut aussi provoquer le changement d’état physique d’un corps à température constante. 

-    Lorsqu'un corps change d'état physique, son stock d'énergie varie, ceci est lié aux modifications survenues au niveau de la structure microscopique interne.

c)- Déformation d’un objet élastique.

-    Une force peut provoquer l’allongement, la déformation d’un ressort. 

-    Lorsque le ressort est tendu, les positions relatives entre les constituants du matériau sont modifiées. 

-    Lorsqu’il est allongé, le ressort accumule de l’énergie potentielle élastique.

2)- Énergie interne.

-    À l'échelle microscopique, les particules constituant le système sont animées de mouvements individuels. 

-    Cette agitation augmente avec la température, on l'appelle l'agitation thermique.

-    Au niveau microscopique, à toute liaison entre deux particules du système est associée une énergie potentielle microscopique.

-    L’énergie interne est la somme des énergies cinétique et potentielle microscopiques, c’est l'énergie liée à sa structure interne microscopique, notée U_mic.

II- Cas du transfert thermique.

1)- Transfert thermique spontané.

-    Exemple : cas d’une tasse de café qu’on laisse à la température ambiante.

-    Au cours du temps, la température du café diminue.

-    La tasse de café constitue le système d’étude S, l’autre système S’ est constitué par le milieu extérieur.

-    Un transfert d’énergie s’effectue de la tasse de café vers le milieu extérieur. 

-    La tasse de café cède de l’énergie sous forme de chaleur, notée Q, au milieu extérieur.

2)- Effets d’un transfert thermique.

-    On appelle chaleur, l'énergie transférée sous forme d'énergie cinétique microscopique désordonnée. 

-    On note Q l'énergie transférée sous forme de chaleur.

-    Un apport de chaleur se manifeste par :

-    Une augmentation de la température du corps.

-    Ou un changement d'état du corps.

-    Exemple :

-    Si l'on chauffe un morceau de glace pris à - 20 °C ,

-    Dans un premier temps, la quantité de chaleur cédée au système (le bloc de glace) permet augmenter la température de la glace.

-    Lorsque la température du bloc de glace est égale à 0 °C , la glace fond à température constante. 

-    La quantité de chaleur cédée au système transforme la glace (eau à l'état solide) en eau à l'état liquide.

-    Lorsque toute la glace a disparu, la quantité de chaleur cédée au système permet d'augmenter la température de l'eau à l'état liquide.

-    Lorsque la température de l'eau à l'état liquide est égale à 100 °C , elle se transforme en vapeur d'eau à température constante. 

-    La quantité de chaleur cédée au système transforme l’eau à l'état liquide en de l’eau à l'état gazeux.

-    Graphe :

-    un transfert d'énergie sous forme de chaleur modifie l'énergie microscopique du système. 

-    On peut augmenter l'énergie microscopique d'un système par transfert de chaleur Q, par transfert d'énergie rayonnante W_R, par transfert de travail électrique W_E et mécanique W_M.

3)- Modes de transferts thermiques.

-    Le transfert d'énergie par chaleur peut se faire par convection et par conduction.

-    Transfert par conduction :

 -    Si l'on chauffe l'extrémité d'une barre métallique, on remarque que la température de l'autre extrémité augmente très vite.

-    Les particules de la partie chaude communiquent une partie de l'agitation thermique aux particules voisines et ainsi de suite.

-    L'agitation thermique se transmet de proche en proche de la région chaude vers la région froide sans transport de matière.

-    Les particules de la partie chaude communiquent une partie de l'agitation thermique aux particules voisines et ainsi de suite. 

-    L'agitation thermique se transmet de proche en proche de la région chaude vers la région froide sans transport de matière.

-    Transfert par convection :

-    Dans les fluides, le transfert de chaleur de fait grâce aux courants de convection.

-    L'air chaud est plus léger que l'air froid. 

-    L'air chaud s'élève et en s'élevant, se refroidit en échangeant de l'énergie avec les couches supérieures. 

-    Le transfert par convection se fait avec transfert de matière.

-    Il existe de bons conducteurs thermiques comme les métaux et de bons isolants thermiques comme la laine de verre, le polystyrène, le vide…

-    Une paroi parfaitement perméable à la chaleur est dite diathermane et une paroi imperméable à la chaleur est dite adiabatique.

4)- Transfert d'énergie par rayonnement.

-    L'énergie transportée sous forme de radiations électromagnétiques est appelée énergie rayonnante.

-    Elle est notée W_R.

-    Elle s'exprime en Joule.

-    Tout corps chaud émet des radiations électromagnétiques qui transportent de l'énergie.

III- Énergie d’un système.

1)- Définitions.

-    Un système peut stocker :

-    de l'énergie cinétique macroscopique E_C

-    de l'énergie potentielle macroscopique E_P

-    de l'énergie liée à sa structure interne microscopique U_mic

-    On appelle énergie mécanique la somme de l'énergie cinétique macroscopique et la somme de l'énergie potentielle macroscopique : 

-    E_M =  E_{C  +}  E_P

-    L'énergie totale E du système est la somme de l'énergie mécanique et de l'énergie interne microscopique :

_-    E =  E_M  +  U_mic =  E_{C  +}  E_P  + U_mic

2)- Variation d’énergie d’un système.

-    Le bilan énergétique dépend du système choisi.

-   Avant tout bilan, il faut préciser le système d’étude.

-    L’énergie d’un système varie s’il reçoit ou cède de l’énergie.

-    On peut écrire que :

-    ΔE_S =  E₂   - E₁  = Q  +  W

-    Tout transfert d’énergie reçu par le système est compté positivement.

-    Tout transfert d’énergie cédé par le système est compté négativement.

3)- Le système isolé.

-    Un système est isolé si aucun transfert d'énergie n'est possible entre le système et le milieu extérieur.

-    Considérons un système isolé S :

-    Au temps t₁, il possède l'énergie E₁

-    Au temps t₂, il possède l'énergie E₂

-    La variation d'énergie du système entre les instants t₁ et t₂ se note : ΔE = E₂ - E₁ = 0.

-    L'énergie totale d'un système isolé se conserve, elle est constante.

-    Remarque : il peut se produire des transferts d'énergie à l'intérieur du système isolé, mais l'énergie totale du système reste la même.

IV- Variations de l’énergie interne d’un système.

1)- Transfert par chaleur produisant une élévation de température.

-    La variation d’énergie interne d’une masse m de substance dont la température varie d’une valeur initiale θ_i à une valeur finale θ_f est donnée par la relation suivante :

-    ΔU = m . c . ( θ_f   -  θ_i )

-    Remarque :

-    La capacité thermique massique c d’une substance correspond au transfert thermique nécessaire pour faire varier de 1 ° C une masse de 1 kg de substance.

-    Exemple : Calculer la quantité de chaleur nécessaire pour obtenir 80 L d’eau à 80 ° C à partir de 80 L d’eau à 20 ° C. 

-    On donne : masse volumique de l’eau : ρ = 1,0 kg / dm³ et la capacité thermique massique de l'eau : c = 4,18 kJ.kg ^{– 1}.° C^{– 1} .

-    Quantité de chaleur nécessaire :

-    ΔU = Q = m . c . ( θ_f   -  θ_i )   =>  Q = 80 x 4,18 x (80 – 20)   =>  Q = 2,0 x 10 ⁴  kJ.

-    Remarque :

-    Si θ_f >  θ_i  =>  Q >  0, la substance reçoit de l'énergie du milieu extérieur.

-    Si θ_f <  θ_i  =>  Q <  0, la substance cède de l'énergie au milieu extérieur.

2)- Transfert d'énergie produisant un changement d'état.

-    Lorsque le système passe de l'état solide à l'état liquide, 

-    Son énergie microscopique augmente (l'état liquide est un état moins ordonné que l'état solide), 

-    L'agitation thermique augmente, le système reçoit de l'énergie, il faut un apport de chaleur :

-    ΔU = m . L_f  > 0  =>   L _f  > 0

-    pour la transformation inverse, le système cède de l'énergie :

-    ΔU = m . L_S  < 0  =>   L_S  < 0

-    En conséquence : L_f  = - L_S

-    Exemple pour l'eau :  L_f  = - L_S  = 335 kJ.kg^{– 1}   et  L_v  = - L_L  = 2260 kJ.kg^{– 1}.

-    Les différents changements d’état :

V- Applications.

1)- QCM :

2)- Exercices.

a)- Exercice 16 page 146.

b)- Exercice 19 page 146.