La thermodynamique au lycée

La thermodynamique au lycée
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thermodynamique
Therme: chaleur
Dynamis: mouvement
Thermodynamique = étude de la dynamique des systèmes
thermomécaniques, ie l’étude d’un système au cours de son évolution en
fonction des échanges d’énergies mécanique (travail) et thermique
(chaleur) avec le milieu extérieur au système.
Notions abordées au lycée à partir de la 2nde en physique et en chimie.
Sommaire
En seconde
1- la mole et la concentration molaire
2- la masse molaire moléculaire
3- la pression
4- les lois des gaz
En première et terminale STI2D ou S
5- les 3 phases de la matière
6- L'énergie cinétique, l'énergie potentielle de pesanteur et l’énergie mécanique
7- Actions, couples de force et mouvements
8- Énergie thermique, température et changement d'état
9- L’énergie électrique
10- Les chaînes énergétiques
En première et terminale S uniquement
11- Les différents modes de transfert thermique
12- Notion de système
13- Énergie interne
14- Principe de conservation d’énergie
1- La mole et la concentration molaire
Chimie: Solutions et concentrations (Santé - Chapitre 6 ) et Solutions et dilution (Sport - Chapitre 3)
Qu'est-ce qu'une mole ?
La mole est une unité de quantité qui correspond à 6,02 x 1023 éléments.
Par exemples:
- Une mole d'atomes d'hydrogène correspond à 6.02x1023 atomes d'hydrogène.
- Deux moles de molécules d'eau correspond à 2x6.02x1023 molécules d'eau.
- Une demi mole de nucléons correspond à 0,5 x 6,02 x1023 c'est à dire 3,01 x 1023 nucléons.
Lorsque la mole est utilisée comme unité son symbole est mol et on la note avec la lettre n.
Par exemple pour indique qu'il y a 2 mole de molécule dans une substance on peut écrire n = 2
mol
Pourquoi utiliser la mole ?
La mole est une unité qui permet d'exprimer des quantités de manière adaptée à l'échelle
humaine.
Par exemple la masse d'une mole d'atome de carbone est de 12 grammes.
La masse d'une mole de molécule d'eau est de 20 grammes.
Remarque: on pourrait utiliser la mole pour exprimer n'importe quelle quantité mais en dehors
du domaine des particules microscopiques, cet usage ne serait pas pertinent.
La quantité de matière se donne soit en unité de masse (kg) soit en nombre de mole (mol).
Comment exprimer une quantité de matière en mole ?
Le nombre d'Avogadro (noté NA) correspond au nombre d'éléments dans une mole:
NA = 6.02 x 1023 mol-1.
Il peut être utilisé pour exprimer un nombre d'éléments (atomes ou molécules) noté N en une
quantité en mole notée n à l'aide de la relation:
n = N / NA
-1
avec N sans unité, NA en mol et n en mol.
Exemple:
Si un liquide contient 5,418 x 1024 molécules d'eau alors on note N = 5,418 x 1024 et le nombre
de moles n peut être calculé à l'aide de la relation précédente:
n = 5,418 x 1024 / (6,02 x 1023) = 9 mol
Calculer une concentration molaire
La concentration molaire permet d'exprimer la proportion de soluté dissous dans l'eau. Pour
calculer la concentration molaire (notée c) d'une solution aqueuse de volume V et comportant
une quantité n de soluté, il suffit d'effectuer le rapport de la quantité de matière par le volume
ce qui peut se traduire par la relation suivante:
c=n/V
avec n en mole (mol), V en litre (L) et c en mole par litre ( mol/L).
2- La masse molaire moléculaire
Chimie: Solutions et concentrations (Santé - Chapitre 6 ) et Solutions et dilution (Sport - Chapitre 3)
Définition et calcul de la masse molaire
Par définition la masse molaire d'une substance correspond à la masse d'une mole de
cette substance.
La masse molaire se note M et s'exprime en gramme par mole (g/mol)
La masse molaire peut être calculée en effectuant le rapport de masse (m) d'une substance
par la quantité de matière (n) qu'elle comporte :
m
M=
n
M(He)=4 g/mol,
M(N)=14 g/mol
La masse molaire moléculaire
Il s'agit de la masse d'une mole de molécules.
Pour calculer la masse molaire moléculaire, il faut ajouter la masse molaire atomique de
tous les atomes qui composent une molécule. Il suffit d'utiliser la formule chimique de la
molécule pour obtenir sa composition.
Exemples:
- Masse molaire moléculaire de l'eau:
La formule de la molécule d'eau est H2O donc elle comporte deux atomes d'hydrogène et un
atome d'oxygène. Donc M(H2O) = 2 x M(H) + M(O) = 2 x 1 + 16 = 18 g/mol
- Masse molaire moléculaire de l'éthanol:
La formule de la molécule de l’éthanol est C2H6O donc elle comporte deux atomes de
carbone, 6 atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène.
Donc M(C2H6O) = 2 x M(C) + 6 x M(H) + M(O) = 2 x 12 + 6 x 1 + 16 = 36 g/mol
3- La pression:
Physique: Gaz, liquides et pression (Sport - Chapitre 5)
Pression dans les gaz
Un gaz est constitué de molécules se déplaçant dans le vide. Ces molécules ont un mouvement
désordonné. L’état gazeux est un état dispersé désordonné. Considérons un échantillon de gaz
contenu dans un récipient fermé. Les grandeurs température et pression sont les mêmes partout
dans le récipient fermé.
La pression du gaz est liée a l’action des molécules de ce gaz sur toutes les parois du récipient
(la force exercée par le gaz sur les parois est liée aux chocs des molécules sur les parois).
Pression dans un liquide
Dans un liquide, la matière est constituée de molécules en mouvement.
L’état liquide est un état condensé désordonné.
Les forces pressantes dans les liquides et les gaz
Tous corps plongé dans un liquide ou un gaz subit de la part de ce dernier une force de
poussée appelée force pressante.
Cette force pressante s'exerce toujours:
- Selon une direction perpendiculaire à la surface de l'objet,
- du fluide (liquide ou gaz) vers l'objet.
La valeur de ces forces pressantes dépend de plusieurs paramètres.
Qu'est-ce que la pression ?
La pression est la force pressante
exercée par unité de surface. La
pression (notée P) correspond donc
au rapport de la forces pressante
(notée F) par la surface (notée S)
sur laquelle cette force s'exerce. Ce
qui peut être résumé par la relation
suivante:
P=F/S
avec F en newton (N) et S en mètre
carré (m²).
Les unités de pression
L'unité légale de pression est le Pascal. Elle doit son nom à Blaise Pascal, un scientifique,
mathématicien et philosophe du XVIIeme siècle qui effectua notamment des recherches sur la
pression atmosphérique.
Il existe cependant d'autre unités:
- Le bar (de symbole bar) est mieux adapté à l'expression des fortes pressions: 1 bar=105 Pa
- L'atmosphère (de symbole atm) correspond à la valeur de la pression atmosphérique moyenne
à une altitude nulle: 1 atm = 101325 Pa
- Le millimètre de mercure (de symbole mmHg et parfois exprimé en torr) correspond à la
différence de pression entre le bas et le haut d'une épaisseur de 1 mm de mercure: 1mmHg =
133,322 Pa ou 1 bar = 760 mmHg.
Variation de pression dans un gaz ou un liquide
La pression (atmosphérique) dite normale est égale a 101325 Pa (1013 hPa) ce qui
correspond à 1013 mbar.
Dans un fluide, la pression dépend de la hauteur de la couche de matière qui se trouve au
dessus. Dans l'atmosphère lorsque l'altitude augmente la pression diminue car l'épaisseur
d'air qui se trouve au dessus diminue aussi.
Dans l'eau la pression augmente avec la profondeur: plus on s'enfonce sous l'eau et plus la
couche d'eau qui nous recouvre est épaisse d'où une pression plus élevée. Par exemple, à
dix mètres sous l'eau la pression est d'environ 2 bars, à 20 mètres elle passe à 3 bars, à 30
mètres 4bars...
Masse volumique
La masse volumique ρ (kg/m3) d’un corps homogène de masse m (kg) et de volume V (m3)
s’exprime par:
m
ρ=
V
Une différence majeure entre les gaz et les liquides est la dépendance de leur masse
volumique: ρ est supposée constante pour un liquide donné, alors que ρ=f(P,T) pour
un gaz.
Densité
La densité d’un liquide ou d’un gaz est notée d, c’est une grandeur sans unité qui s’exprime par:
d gaz =
ρ gaz
ρ air
; d liquide =
ρ liquide
ρ eau
Différence de pression dans un liquide
Dans un liquide au repos, la différence de pression entre deux points du liquide est donnée par
la loi de la statique des fluides (voir cours mécanique des fluides au semestre 2). Elle
s’exprime par:
∆P = PA − PB = ρgh
où g est l’intensité de la pesanteur (g=9.81 N/kg);
Relation valable uniquement parce que la masse volumique ρ
est supposée ici constante !!
4- Les lois des gaz:
Physique: Gaz, liquides et pression (Sport - Chapitre 5)
L’état macroscopique d’un gaz peut-être décrit par quatre grandeurs physiques :
- le volume V du gaz,
- sa pression P,
- sa température T,
- et la quantité de matière n.
Énoncé de la loi de Boyle-Mariotte
La loi de Boyle Mariotte (énoncée en 1662 par Boyle et en 1676 par Mariotte) indique que si
la température d'un gaz et sa quantité de matière sont constants alors le produit de sa
pression (P) par son volume (V) est une constante.
PV = Constante à T et n donnés
Conséquences de la loi de Boyle-Mariotte
Dans les conditions où cette loi est valable:
- Si le volume diminue alors la pression augmente (compression),
- Inversement si le volume augmente la pression diminue (détente)…
Utilisation de la loi de Boyle-Mariotte
Cette loi peut être utilisée pour trouver la nouvelle valeur de pression lorsqu'il y a un
changement de volume ou pour trouver le volume si il y a un changement de pression.
Si la pression et le volume sont initialement de P1 et de V1 et qu'après modification ils prennent
les valeurs P2 et V2 alors si les conditions d'utilisation de la loi de Boyle-Mariotte sont vérifiées
alors PV = constante donc on peut écrire: P1V1 = P2V2
Ces relations montrent que si la pression est multipliée par deux alors le volume est divisé par
deux.
La loi d'Avogadro-Ampère
La loi d'Avogadro-Ampère indique que si deux gaz sont dans des conditions identiques (même
température, même pression) alors des quantités identiques de ces gaz occupent des volumes
égaux.
Cette loi indique que la nature d'un gaz n'a pas d'influence sur le volume occupé: tous les gaz
ont le même volume molaire:
Vm =
V
n
où Vm est en m3/mol, V en m3 et n en mol.
Ainsi Vm=22.4 L/mol sous des conditions normales de pression (101325 Pa) et de
température (0°C), quelque soit le gaz étudié.
Exercice 1: Dans un verre d’eau
Quel est le nombre de molécules d’eau (H2O) contenues dans un verre de 20 cL?
Données :
- Masses molaires atomiques (en g/mol) : H : 1 et O : 16
- Masse volumique de l’eau: ρ=1 kg/L
- Nombre d’Avogadro: NA=6.02×1023 mol-1.
Exercice 2: Boisson énergisante
L’eau constitue environ 70 % du corps humain en masse. C’est donc l’espèce chimique la plus
abondante dans notre organisme. Elle sert de solvant pour toutes les réactions chimiques se
produisant dans notre corps et elle permet aussi sa régulation thermique surtout pour le sportif
pendant l’effort. La réhydratation du corps est donc très importante pour le sportif pendant son
activité. L’apport d’eau n’est pas suffisant : il faut aussi apporter, en buvant, des nutriments
tels le glucose, indispensable pour le bon fonctionnement des muscles. D’où la vente dans le
commerce de boissons dites « énergisantes ».
1- Que signifie le mot « énergisante » ?
2- Calculer la masse molaire du glucose de formule brute : C6H12O6.
Données : Masses molaires atomiques (en g/mol) : H : 1,0 ; C : 12,0 ; O : 16,0
3- Une boisson énergisante contient du glucose à la concentration massique d’environ 30 g/L.
En déduire la concentration molaire de cette boisson en glucose.
4- Un sportif dilue une boisson énergisante de concentration initiale en glucose 30 g/L de la
manière suivante : Dans une bouteille vide de 50 mL, il verse 10 mL de boisson énergisante et
complète la bouteille avec de l’eau.
Calculer la nouvelle concentration massique de la solution diluée ainsi fabriquée.
Quelle masse de glucose contient la bouteille ?
Exercice 3: Perfusion
Principe de la perfusion : pour introduire (de façon lente) un liquide dans une artère, il faut que
la pression du liquide soit supérieure à la pression du sang.
Le flacon contenant la solution doit donc être placé à une hauteur suffisante au dessus du
patient.
Quelle doit être la hauteur minimale pour pouvoir effectuer une perfusion d’un liquide de
masse volumique ρ sur une personne allongée dont la tension artérielle est T(=Psang-Patm) ?
Données : T = 13,3×103 Pa ; ρ= 103 kg/m3 et
g = 9,8 N/kg.
Exprimer PA – PB en fonction de ρ, g et h en
utilisant la loi donnant la différence de
pression dans un liquide au repos.
Exprimer la tension T en fonction de PB et
PA.
En déduire la hauteur minimale h en fonction
de T, ρ et g.
Calculer h.
Exercice 4: Transformation isotherme
3 mol d’hélium (He) sont contenues dans un cylindre fermé de 10 cm3; la
partie supérieure du cylindre est une paroi mobile (piston). Initialement, le
gaz est à 15°C sous une pression de 2 bars. On exerc e une force sur la
paroi mobile de telle sorte que le volume disponible occupé par le gaz ne
soit plus que de 1 cm3. On supposera la transformation isotherme.
- Quel est le nombre de mol d’hélium à l’état final?
- Quelle est la nouvelle pression de l’hélium?
Donnée :
- Masses molaires atomiques (en g/mol) : He : 4.
Énergie et Puissance
L’énergie est l’aptitude à faire du travail (action de transférer de l’énergie, travail = force x
distance). Elle permet de produire un travail comme l’argent permet de dépenser.
Dans tous les systèmes, machines, procédés, organismes… il y a
forcément une conversion d’une forme d’énergie en une autre.
Exemple: tondre une pelouse requiert un travail qui demande la
conversion d’énergie chimique (métabolisme) en énergie mécanique
(marche).
La puissance est le taux auquel le travail est fait.
Puissance = Travail / Temps
Exemple: en tondant deux fois plus vite, le travail est inchangé mais cela
demande deux fois plus de puissance.
Le rendement η est le rapport de la puissance utile Pu (dont l’utilisateur dispose) par la
puissance absorbée Pabs (reçue par le système). η est sans unité et compris entre 0 et 1.
Quelques ordres de grandeur
Montre à quartz : 10-6 W = 1 µW.
Diode électroluminescente : 10-2 W = 10 mW.
Lampe à économie d'énergie : 10 W environ.
Lampe à incandescence : 100 W environ.
Machine à laver : 2000 W.
Automobile : 105 W = 100 kW.
Puissance (1001 CV) du moteur de la Bugatti Veyron 16.4 de 2005 : 736 kW.
Locomotive Diesel : 3 x 106 W = 3 MW
Usine marémotrice de la Rance : 2,4 x 108 W= 240 MW.
Puissance électrique moyenne d'un réacteur nucléaire d'une tranche de centrale
Nucléaire moderne : 109 W = 1 GW.
Pic de consommation électrique enregistré en France le 8 février 2012: 1,016 x 1011 W
Puissance totale reçue par la Terre (provenant du Soleil) : 1,74 x 1017 W
Puissance totale rayonnée par le Soleil : 3,86 × 1026 W
Luminosité approximative de la Voie lactée : 5 x 1036 W.
5- Les 3 PHASES de la matière
Phase ≠ état ≠ espèce chimique
Les changements d’état de l’eau
A une pression donnée, le changement d’état d’un corps pur s’effectue à température
constante. Cette température dépend de la pression.
Avec une source de
chaleur constante
Le diagramme de phases de l’eau (diagramme d’état (P,T) dit de Clapeyron).
Il permet de déterminer la phase dans laquelle se trouve l’eau pour une pression et une
température données Deux phases coexistent au niveau des courbes de fusion, sublimation et
vaporisation.
Ces trois courbes de changement d’état se rejoignent au point triple de l’eau (P=0,00615 atm;
T=0,01°C) où les trois phases de l’eau coexistent.
Deux modes de vaporisation de l’eau.
- L’ébullition est le passage de l’eau de l’état liquide à l’état vapeur à une température
déterminée : l’eau bout à 100 °C sous une pression d e 1,013 hPa. A cette température l’eau se
transforme rapidement en bulles de vapeur. Si P< Patm alors T< 100°C.
- L’évaporation se produit à toute température : c’est l’agitation thermique qui permet aux
molécules d’eau de sortir du liquide. Elle est favorisée par : la température élevée du liquide,
une grande surface de contact avec l’air, une ventilation de la surface du liquide.
Les échanges d’énergie : enthalpie de changement d’état
La chaleur latente L (ou enthalpie) de changement d’état d’un corps pur est l’énergie qu’il
échange avec le milieu extérieur pour le changement d’état de sa masse à température
constante :
- Chaleur latente de fusion Lfus est la quantité d’énergie qu’on doit fournir à 1 kg de glace à
T=0°C pour la transformer en liquide.
- Chaleur latente de vaporisation Lvap est la quantité d’énergie qu’on doit fournir à 1 kg d’eau à
T=100°C pour la transformer en gaz.
Énergie échangée
Valeurs typiques pour l’eau:
Remarque : Le passage d’un état ordonné à un état moins ordonné d’un corps pur nécessite de
l’énergie ∆E>0.
6- L'énergie cinétique, l'énergie potentielle de pesanteur et l’énergie mécanique
Qu'est ce qu'un champ d'énergie cinétique ?
L'énergie cinétique est l'énergie liée au mouvement d'un corps, elle dépend à la fois de sa
vitesse et de sa masse. Étant donnée que la vitesse d'un objet dépend du référentiel choisi,
c'est aussi le cas de l'énergie cinétique. Elle se note Ec et s'exprime en joule (J).
Expression de l'énergie cinétique d'un solide en translation
Si un solide de masse m se déplace à une vitesse v en suivant un mouvement de translation
alors son énergie cinétique Ec est donnée par la formule:
Ec = 1/2 m v2
avec Ec en joule (J), m en kilogramme (kg) et v en mètre par seconde (m/s).
Qu'est ce que l'énergie potentielle de pesanteur ?
Il s'agit de l'énergie liée au poids d'un corps. Elle dépend de la masse du corps et de son
altitude. Elle se note Epp et s'exprime en joule comme toutes les autres énergies.
Expression de l'énergie potentielle de pesanteur
Si un corps de masse m est situé à une altitude z alors son énergie potentielle de pesanteur
Epp peut être calculée en utilisant la formule suivante:
Epp = m g z
où Epp est en joule (J), m est en kilogramme (kg), g l'intensité de la pesanteur est en N/kg et z
est en mètre (m).
Remarque: L'altitude est exprimée par rapport à un repère qui doit être choisi avant de
calculer l'énergie potentielle. Cependant le repère le plus fréquent est celui associé au sol.
L'énergie mécanique
Qu'est ce qu'un champ d'énergie mécanique ?
L'énergie mécanique (notée Em) est définie comme étant la somme de l'énergie cinétique d'un
corps et de son énergie potentielle de pesanteur:
Em = Ec +Epp
Conservation de l'énergie mécanique
Lorsqu'un objet n'est soumis à aucune action qui dissipe de l'énergie vers le milieu extérieur
(comme les forces de frottement sur un solide ou dans un fluide) alors son énergie
mécanique se conserve:
Em = constante.
On parle de système conservatif.
Cette conservation implique que toute variation d'énergie cinétique est compensée par une
variation d'énergie potentielle de pesanteur et réciproquement.
Cela signifie aussi que si à un instant t1 un objet possède une vitesse v1 et une altitude z1 et
qu'à un instant t2 sa vitesse est v2 et son altitude z2 alors il existe la relation suivante:
1/2 m v1² + m g z1 = 1/2 m v2² + m g z2
Exemples: chute libre, pendule mais sans frottement !
7- Actions, couples de force et mouvements (thème 2: transport)
Les effets d’une action mécanique
Une action mécanique peut être modélisée par une force. Elle est représentée par le vecteur
F caractérisé par :
- Son point d’application, point où s’exerce la force,
- Sa direction (verticale, horizontale,…),
- Son sens (vers la droite, vers le bas…),
- Son intensité F exprimée en newton (N).
Une action mécanique peut mettre en mouvement, modifier le mouvement ou déformer un
objet.
Travail d’une force constante
WAB ( F ) = F • AB
Si W<0 alors le travail est dit résistant. Si W>0 alors le travail est dit moteur.
Le travail est une énergie (exprimée en J) dite mécanique. La force considérée sera le plus
souvent une force de pression.
Variation d’énergie cinétique et travail
Bilan d’énergie (forme simplifiée du 1er principe de la thermodynamique)
8- Énergie thermique, température et changement d'état
Échanges d'énergie thermique
L'énergie thermique échangée par un corps est notée Q et exprimée en Joule. Lorsqu'un corps
reçoit de l'énergie thermique, celle-ci est notée positive alors que s'il en cède, elle est notée
négative.
Par ailleurs, étant donnée que l'énergie se conserve, si un corps n°1 reçoit une énergie Q 1 de
la part d'un corps n°2 qui échange une énergie Q 2 alors Q1 = -Q2.
Variation de température lors d'un échange d'énergie
La variation de température d'un corps de masse m qui échange de l'énergie thermique peut
être exprimée avec la relation suivante:
Q = m Cm (Tf - Ti)
où Q est l'énergie thermique échangée exprimée en joule (J), m est la masse du corps
exprimée en kilogramme (kg), Cm est une grandeur appelée capacité thermique massique
dépendant de la nature du corps (J/°C/kg), Tf correspond à la température finale après
l'échange d'énergie exprimée en degré Celsius (°C) e t Ti correspond à la température initiale
avant l'échange d'énergie (°C).
Remarque:
- Si le corps reçoit de l'énergie thermique alors Q>0 dont Tf-Ti >0 ce qui signifie que la
température augmente alors que si un corps perd de l'énergie thermique Q<0 donc Tf-Ti<0 ce
qui correspond à une baisse de température.
Changement d'état lors d'un échange d'énergie
Lorsqu'un corps pur change d'état, sa température ne varie pas tant que le changement n'est
pas terminé. La chaleur nécessaire à un changement d'état d'un corps de masse m dépends
de cette masse ainsi que d'une grandeur notée Lm et appelée énergie massique de
changement d'état et elle peut être calculée grâce à la relation suivante:
Q = m x Lm
Où:
- Q est l'énergie thermique échangée pendant un changement d'état exprimée en joule (J),
- m est la masse du corps exprimée en kilogramme (kg),
- Lm est l'énergie massique de changement d'état exprimée en joule par kilogramme (J/kg).
Notion de calorimétrie
Il existe des interactions intermoléculaires qui assurent la cohésion des molécules d’eau dans
l’eau solide (glace). Quelle énergie doit on fournir pour vaincre ces interactions et ainsi former
de l’eau liquide ?
Les mesures d’énergie thermique s’effectuent dans un calorimètre (il est isolé, il n’échange
pas d’énergie avec l’extérieur).
Principe : Dans un calorimètre vous
introduisez une masse m1 d’eau à la
température θi. Puis vous rajoutez une masse
m2 de glaçons à la température θfus et on
laisse évoluer le mélange jusqu’à sa
température finale d’équilibre θf.
* Le calorimètre fournit de l’énergie thermique à l’eau (il en perd) :
Ecal = C |θf-θi|, où C est la capacité thermique du calorimètre.
* L’eau fournit (cède) de l’énergie thermique, sa température diminue :
E1 = m1Ceau |θf-θi| et Ceau est la capacité thermique massique de l’eau, avec Ceau=4.185 J/g/°C
Au cours de cette manipulation, les glaçons fondent et l’eau liquide formée s’échauffe jusqu’à la
température θf.
* L’énergie thermique reçue par les glaçons (nécessaire pour la fusion de la glace) vaut :
Eg=m2Lfus où Lfus est l’énergie thermique massique (ou chaleur latente) de fusion de l’eau (que
l’on cherche à déterminer).
* L’énergie thermique reçue par l’eau de fusion pour passer de θfus à θf est :
E2=m2Ceau |θf-θfus|
Le calorimètre est isolé, il n’échange pas d’énergie avec l’extérieur alors l’énergie reçue par les
glaçons est égale à l’énergie fournie par le calorimètre et l’eau qu’il contient, soit :
Ecal + E1 = Eg + E2
On en déduit la valeur de l’énergie thermique massique de fusion de l’eau :
9- L’énergie électrique
Énergie électrique reçue par un récepteur en courant continu. Puissance du transfert.
Lorsqu'un récepteur de bornes A et B, soumis à une tension électrique continue UAB, est
parcouru par un courant électrique continu d'intensité IAB, l'énergie électrique WAB qu'il reçoit
pendant la durée ∆t est :
La puissance électrique vaut:
La loi d'Ohm s'écrit pour un conducteur ohmique : UAB = RAB . IAB
On en déduit la loi de Joule pour un conducteur ohmique, qui donne l’énergie reçue :
Effet Joule
10- Les chaînes énergétiques (thème 2: transport)
L’énergie est une grandeur qui peut prendre différentes formes.
Un convertisseur d’énergie est un dispositif qui permet de passer d’une forme d’énergie à une
autre.
Un réservoir d’énergie est un dispositif qui emmagasine de l’énergie et qui permet son
utilisation en temps différé.
• Mécanique ⇒ mécanique: engrenages, transmission, piston
• Mécanique ⇒ électrique: alternateur, dynamo, générateur
• Mécanique ⇒ chaleur: freins à disques
• Chaleur ⇒ mécanique: turbines à gaz, locomotive à vapeur
• Chaleur ⇒ chaleur: échangeur
• Électrique ⇒ mécanique: moteur électrique
• Électrique ⇒ chaleur: grille pain, four …
• Électrique ⇒ chimique: électrolyse, batterie
• Chimique ⇒ mécanique: corps humain, moteur à combustion interne
• Chimique ⇒ mécanique: pile à combustible
• Chimique ⇒ chaleur: feu
Solaire, nucléaire …
Exercice 5: Pistolet à billes de plastique
Un pistolet lance des petites billes en plastique de masse m=0,2 g. Sur le mode d’emploi du
pistolet, il est marqué E=0,9 J. C’est l’énergie cinétique que possède la bille à la sortie du
pistolet.
1- Quelle est la vitesse d’une bille à la sortie du pistolet?
2- On tire en l’air verticalement avec un tel pistolet. Quelle hauteur maximale peut atteindre
une bille?
3- L’expérience montre que les billes atteignent au maximum une hauteur h’=13 m.
a. Quelle est l’énergie dissipée par la bille au milieu extérieur ?
b. Quelle force est responsable de cette dissipation d’énergie ?
c. Cette énergie a-t-elle disparue, ou bien est-elle présente sous une autre forme ?
Exercice 6: Étude énergétique d’un skieur
Un skieur aborde une piste constituée de trois parties rectilignes. La première partie est une
descente de longueur L1=50 m et qui fait un angle α1=25°avec l’horizontale. La deuxième
partie est plate, sa longueur est L2=10 m. La troisième partie est une montée qui fait un
angle α2=30°avec l’horizontale est dont la longueur est L 3=60 m. Au début de la piste, sa
vitesse est v0=10 km/h. Il se laisse glisser tout au long des trois parties sans pousser sur ses
bâtons et sans faire de mouvement avec ses skis. La masse du skieur et de son équipement
est m=85 kg. Dans cet exercice, on néglige les frottements.
1- Calculer la vitesse v1 du skieur à la fin de la première partie.
2- Calculer la vitesse v2 du skieur à la fin de la deuxième partie.
3- Le skieur a-t-il suffisamment d’énergie pour gravir sans effort la troisième partie?
Si oui, quelle est sa vitesse à la fin de la troisième partie ?
4- Arrivé finalement sur une partie plate, le skieur se fait traîner par une moto-neige.
Initialement à l’arrêt, le skieur atteint rapidement une vitesse de croisière de 5 m/s.
Quelle énergie la moto-neige fournit-elle pour traîner le skieur? En déduire la force
de traction associée si le skieur a parcouru 100 m.
Exercice 7: Une masse m = 0,5 kg d'eau à la température initiale θinit=10,5°C reçoit une
énergie thermique E = 5000 J de la part d'un réchaud électrique. Calculer la température finale
θfin de l'eau. On donne Ceau=4185 J/°C/kg.
Exercice 8: Une résistance électrique de 10 Ω dans laquelle un courant de 10 A circule
fournit une certaine quantité d’énergie pour chauffer 2 litres d’eau initialement à 15°C.
Sachant que seulement 75% de l’énergie de la résistance sert à chauffer l’eau, au bout de
combien de temps cette eau se mettra-t-elle à bouillir ?
Exercice 9: Une masse m=0,1 kg d'eau à la température initiale θinit=20 °C est portée à
ébullition par un réchaud électrique qui lui fournit une puissance de 1500 W.
1°) Calculer l'énergie reçue par l'eau liquide pour passer de 20°C à 100 °C. On donne la
capacité thermique massique de l'eau : Ceau=4185 J/kg/°C
2°) Calculer l'énergie reçue par l'eau liquide à 100 °C pour se transformer en vapeur d'eau à
100°C. On donne l'énergie massique de changement d' état de l'eau (liquide vers vapeur) :
∆Eébullition=2300 J/g.
3°) Calculer l'énergie totale reçue par l'eau liquide pour devenir vapeur.
4°) Calculer la durée de fonctionnement du réchaud.
Exercice 10
Exercice 11
11- Les différents modes de transfert thermique
Transfert thermique par convection
Il s’agit d'un transfert de chaleur qui s'effectue grâce à un
mouvement de matière dans un milieu liquide ou gazeux. Lors de la
convection les mouvements se produisent en général de manière
spontanée sous l'effet d'une différence de température entre des
zones d'un fluide. En effet, la densité d'une substance dépend de sa
température: un gaz ou un liquide possède une densité d'autant
plus faible que sa température est élevée. Par conséquent, un fluide
chaud a donc tendance à s'élever et un fluide froid à descendre ce
qui provoque des courants ascendants ou descendants. Au cours
de ces mouvements, les fluides chauds transmettent de la chaleur
aux fluides plus froids.
Transfert thermique par conduction
la conduction correspond au transfert de chaleur direct entre des
matières en contact. Toute matière est composée d'atomes et ces
atomes ne sont jamais totalement fixes: ils vibrent et ces vibrations
peuvent se transmettre de proche en proche aux atomes voisins et
c'est ce phénomène qui correspond à un transfert de chaleur par
conduction. La chaleur est ainsi transmise des particules les plus
agitées (celles qui ont donc la température la plus élevée) vers les
particules les moins agitées.
Transfert par rayonnement
Tout corps émet des rayonnements dont la fréquence (et donc
l'énergie) dépend de la température de ce corps: ce phénomène est
décrit par la loi de Wien. A température ambiante, la majorité de ces
rayonnements sont des infrarouges qui sont absorbés par la matière
environnante et convertis en chaleur.
12- Notion de système
Le système peut être microscopique (cela signifie que les phénomènes que l'on étudie se
passent à l'échelle des atomes, molécules ou ions) ou macroscopique (dans ce cas les
phénomènes étudiés concernent un très grand nombre d'atomes, de molécules ou d'ions) à
l'échelle de l'homme.
Un système est dit isolé s'il ne peut pas échanger de la matière ou de l'énergie avec le milieu
extérieur. Par exemple, l'eau emplissant une bouteille thermo avec des parois imperméables à
la chaleur (pas d'échange d'énergie thermique avec l'extérieur) et de volume invariable (pas
d'échange de travail).
Un système est dit fermé s'il ne peut pas échanger de matière avec l'extérieur. Par contre, Il
peut échanger de l'énergie avec ce milieu extérieur. Par exemple, le gaz emprisonné dans un
cylindre avec un piston mobile, ne peut pas échanger de matière avec le milieu extérieur mais
il peut recevoir du travail lorsqu'une force extérieure pousse le piston vers l'intérieur. Ce gaz
peut également échanger de l'énergie thermique avec l'extérieur (gain d'énergie si on expose
le système froid au soleil, perte d'énergie si on plonge le système dans de l'eau glacée).
Un système est dit ouvert s'il peut échanger de la matière et de l'énergie avec le milieu
extérieur. Par exemple, un poêle à charbon peut échanger de la matière avec le milieu
extérieur (apport de charbon et d'air, perte de gaz carbonique et de fumées formées de fines
particules solides). Il peut également échanger de l'énergie avec l'environnement (gain
d'énergie chimique stockée dans le mélange C + O2, perte d'énergie thermique vers
l'extérieur).
13- L'énergie interne U
L’énergie interne d'un système macroscopique est d'origine microscopique.
A un instant donné, l'énergie interne U d'un système macroscopique possède plusieurs
composantes :
-une composante cinétique due à l'agitation thermique des différentes particules
microscopiques. Plus la température est élevée, plus cette énergie cinétique est grande.
- plusieurs composantes potentielles dues aux interactions gravitationnelle, électrique,
magnétique, nucléaire des différentes particules microscopiques.
Un système donné possède de l'énergie interne U mais peut aussi avoir de l'énergie due à
l'existence de l'extérieur : énergie due à la gravitation terrestre, énergie cinétique du système
dans le référentiel terrestre. Ces 2 dernières énergies forment l'énergie mécanique Emécanique du
système dans le champ terrestre. L'énergie totale du système étudié est:
Ex: on veut élever de 10°C à 90°C une masse 1 kg d’e au. L’agitation désordonnée des
molécules de l’eau va augmenter, pour une variation d’énergie interne de :
∆U = m c ∆T
∆U = 1× 4185 × (90 − 10) = 334800 J
14- Principe de conservation
Au sein d’un système isolé, l’énergie peut exister sous différentes formes (énergie thermique,
chimique; mécanique …). Quelle que soit l’évolution d’un système isolé, l’énergie totale du
système reste constante. C’est le principe de conservation de l’énergie (1e principe de la
thermodynamique). Il peut y avoir des transferts d’énergie dans le système, mais la somme
de toutes les énergies reste toujours la même.
Exemple d’un système isolé : un mélange d’eau tiède et de glace dans un calorimètre. On
suppose que les transferts thermiques avec l’extérieur sont nuls. Si on laisse évoluer le
système, l’eau initialement tiède se refroidit au contact de la glace qui se réchauffe et fond. Il y
a un transfert d’énergie thermique de l’eau vers la glace. Ce transfert se fait sans création ou
perte d’énergie. L’énergie du système reste constante.
Pratiquement, les systèmes échangent de l’énergie avec le milieu extérieur. Dans ce cas,
l’énergie du système ne reste pas constante. Cependant, le principe de conservation de
l’énergie appliqué au système et au milieu avec lequel il échange de l’énergie montre que la
variation d’énergie du système est égale à l’énergie transférée entre le milieu extérieur et le
système.
Par exemple, une voiture roule sur une route horizontale. Elle possède donc une énergie
cinétique. Le conducteur freine et la voiture s’arrête. Le système (la voiture) a perdu toute son
énergie cinétique. Cette énergie cinétique a été transférée au milieu extérieur sous forme de
chaleur au niveau des freins. On ne peut pas retransformer cette énergie thermique en énergie
cinétique (vitesse) pour faire redémarrer la voiture: nécessité d’un second principe
d’évolution.