Les énergies

L'énergie est un grandeur difficile à définir, on peut dire cependant que l'énergie caractérise l'état d'un système et exprime la potentialité à modifier l'état d'un autre système avec lequel il est en interaction. L'énergie peut alors se présenter sous différentes formes, dont :

Comment s'exprime l'énergie cinétique ?
L'énergie cinétique correspond à la vitesse. Vous pouvez donc facilement comprendre cette notion en faisant la transposition.
  • L'énergie cinétique
    • Tout corps en mouvement en possède une. Elle peut être macroscopique : elle dépend alors de la vitesse du corps en mouvement, et donc du référentiel d'étude microscopique : elle est liée à l'agitation moléculaire. Une augmentation de l'énergie cinétique microscopique se traduit par une augmentation de la température.
  • L'énergie potentielle
    • Elle dépend de la position relative des différentes parties du système: seul un systèmes déformable pourra posséder, à l'échelle macroscopique, de l'énergie potentielle.
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Énergie potentielle de pesanteur

Travail du poids

On a vu précédemment que dans le champ de pesanteur le travail du poids ne dépend que de l'altitude et s'écrit :

WAB(P) = m g (zA - zB)

Le travail fourni par le poids pour descendre un objet d'une altitude h est un travail positif qui peut être utilisé pour agir sur un système.
Un utilisateur devra fournir le même travail pour remonter l'objet de la hauteur h.
Dans ce cas, le travail est résistant pour l'utilisateur et profite à l'objet. On peut donc déterminer deux états pour l'objet entre A et B correspondant à un écart constant d'un certain nombre de Joules.

Définition

A partir du travail du poids, on peut définir une nouvelle grandeur correspondant au nombre de Joules disponible en fonction de l'altitude.

WAB(P) = mgzA – mgzB

On peut écrire cette fonction de la manière suivante

f(z) = mgz + cste

La constante permet de choisir l'origine des altitudes.

Définitions :
L'énergie potentielle de pesanteur d'un solide de masse m au voisinage de la terre est la grandeur :

Epp = mgz + cste

Elle correspond au nombre de Joules potentiellement utilisables en fonction de l'altitude dans le champ de pesanteur.
La constante correspond à la valeur arbitraire de l'énergie potentielle pour z = 0.

Énergie cinétique : Ec

Relation entre le travail du poids et la vitesse

Le travail du poids d'un système d'une masse m en chute libre entre deux positions A et B est lié à la vitesse du système de la manière suivante :

Cette relation fait apparaître le terme ½mV² qui a les mêmes dimensions que le travail mesuré en Joules. On peut donc considérer que ce terme est une forme d'énergie liée à la vitesse.

Définitions

La définition de l'énergie cinétique :
Soit un solide ponctuel de masse m en mouvement de translation dans un référentiel à une date quelconque où la vitesse de ce solide est v, l'énergie cinétique de ce solide est :

Ec = ½ m V²

Remarque :
_ On se limite au mouvement de translation pour lesquelles tous les points du solide ont la même vitesse.
_ Comme la vitesse dépend du référentiel d'étude l'énergie cinétique elle aussi dépend aussi du référentiel.

3. Théorème de l'Ec

La relation mathématique entre la variation de l'énergie cinétique ΔEc et le travail du poids se généralise pour tout solide en translation soumis à diverses forces.

Théorème de l'Ec :
La différence d'Ec ΔEc = Ec(B) – Ec(A) entre deux positions A et B 'un solide en translation est égale à la somme des travaux de toutes les forces extérieures appliquées au solide :

Transfert d'énergie

Conservation d'énergie

Lors de l'introduction des deux formes d'énergies cinétique et potentielle, nous avons fait le lien avec le travail du poids d'un objet en chute libre dans le champ de pesanteur entre deux points A et B d'altitudes zA et zB.

WAB(P) = mg (zA-zB) = EPP(A) - EPP(B)
et
WAB(P) = Ec(B) - EC(A) = ΔEC
-> EC(B) - EC(A) = EPP(A) -EPP(B)
-> EC(B) + EPP(B) = EC(A) + EPP(A)

Cette dernière relation signifie que le nombre total de Joules au point A et le même au point B.
La grandeur Ec + Epp a les dimensions d'une énergie, on la nomme énergie mécanique Em, elles est constante durant le trajet .

Ec + Epp = Em

Définitions

L'énergie mécanique d'un système est la somme de son Epp et de son Ec. Elle est conservée durant tout le trajet d'un système en chute libre si on néglige les frottements (fluides).

Comment se comporte un objet dans l'espace ?
Si l'on envoie un objet dans l'espace avec une vitesse initiale, celui-ci va continuer à avance et ce sans limite de temps. En effet, comme il n'y a pas de frottements rien ne va le ralentir.

Em = Epp + Ec
En chute libre , ΔEm = 0 car Em = constante
ΔEc + ΔEpp = 0
ΔEc = -ΔEpp
Si frottements : ΔEm = W(f)

Interprétation graphique

On représente l'évolution des énergies Epp, Ec et Em en fonction de l'altitude pour un système en chute libre sans vitesse.

Interprétation énergétique

Lors de la chute libre d'un système sans vitesse initiale et sans frottements, il y a transfert d'énergie entre Epp et Ec. Ce transfert est matérialisé pour W(P). Lorsque Epp diminue d'un certain nombre de Joules Ec augmente d'autant.

Modes de transfert

Principe de conservation de l'énergie

Le premier principe de la thermodynamique affirme que le nombre de Joules dans l'univers est constant. Cela signifie que l'énergie e peut pas être créée. Par conséquent, pour apporter de l'énergie a un système, il faut en prendre à un autre.

Énergie interne d'un système U

Un système peut posséder de l'énergie propre à lui qu'on appelle énergie intense notée U. Elle trouve son origine dans des énergies chimiques ou mécaniques que le système transforme pour son fonctionnement.

Modes de transfert

Il existe différents modes de transferts d'énergie:

  • Transfert par réaction chimique (combustion) ;
  • Transfert mécanique (engrenages) ;
  • Transfert thermique (du corps le plus chaud vers le plus froid) ;
  • Transfert par rayonnement ( électromagnétique).

Transfert d'énergie par rayonnement

Exemple : une plante réalisent la synthèse chlorophyllienne à l'aide de l'énergie rayonnante reçue du soleil.

L'énergie rayonnante est notée Wr et s'exprime en Joules (J)

Transfert d'énergie par travail

Exemple : lorsqu'on pousse une voiture on doit fournir un travail mécanique noté Wm et qui s'exprime en Joules
Relation travail - puissance. Un travail peut être réalisé plus ou moins rapidement. On définit alors la notion de puissance P

Exemple : Si pour pousser une voiture le travail a fournir est de 500 J en 5 s il faut développer une puissance mécanique

    \[ P _ { m } = \frac { 500 } { 5 } = 100 \text { W } \]

Exemple : la puissance électrique d'un récepteur est

    \[ P = U \times I \]

Transfert d'énergie par chaleur

Un transfert d'énergie par chaleur se manifeste de deux manières :

  • Par une variation de température
  • Par un changement d'état à température constante

Ce qu'on appelle transfert thermique en sciences est plus couramment appelé chaleur dans la vie quotidienne. Un transfert thermique correspond à l'un des modes d'échange d'énergie thermique entre deux systèmes. Dans le cas du double vitrage, on parlera du système extérieur  et du système intérieur (la maison). Cela correspond à une notion fondamentale de la thermodynamique et, contrairement au travail, les transferts thermiques correspondent à un bilan de transferts d'énergie dits microscopiques et désordonnées.

Il est possible de distinguer trois type de transfert thermique, tous pouvant coexister :

  • La conduction correspond à la diffusion progressive de l'agitation thermique dans la matière ;
  • La convection correspond au transfert thermique qui accompagne des déplacements macroscopiques de la matières ;
  • Et le rayonnement qui correspond à la propagation de photons.
Comment fonctionne la convection ?
La convection est la méthode de transfert thermique utilisé par les chauffages électriques dans votre maison.

Ainsi, la quantité de chaleur, notée Q et exprimée en joule, correspond à la quantité d'énergie qui sera échangée par le moyen de ces trois différents type de transfert. Une convention indique alors que, lorsque Q > 0, on dit que le système reçoit de l'énergie. De plus, il peut être intéressant de retenir que la thermodynamique fait appel au concept de chaleur afin de mettre en place le premier mais aussi de deuxième principe de la thermodynamique.

Malgré tout cela, il reste de nombreuses ambiguïtés mais également de nombreuses confusions qui s'entretiennent. En effet,  malgré le sens que l'on accorde à chaleur dans la vie quotidienne, le principe de chaleur au sens thermodynamique du mot n'a aucun lien avec la température. Cependant, il reste vrai que les transferts thermiques spontanées se font toujours du système le plus élevé en température vers le système le moins élevé en température même s'il reste possible de provoquer l'inverse grâce à une machine thermique comme un réfrigérateur.

Il est d'ailleurs intéressant de noter que, lorsqu'il y a un changement d'état, le corps pur ne changera pas de température bien qu'il échange de l'énergie sous forme de chaleur.

Les principes de la thermodynamique

Il est important de noter que le premier et le deuxième principe de la thermodynamique sont les plus importants, mais il peut tout de même intéressant de connaître les deux autres.

Le principe zéro de la thermodynamique

Ce principe concerne la notion d'équilibre thermique. Ainsi, il est à la base de la thermométrie et s'énonce ainsi : si deux systèmes sont en équilibre thermique avec un troisième, alors ils sont aussi ensemble en équilibre thermique.

Le premier principe de la thermodynamique

Egalement appelé principe de la conservation de l'énergie, ce principe affirme que l'énergie est toujours conservée. Formulé autrement, cela signifie que l'énergie totale d'un système isolé reste constante. Ainsi, les événements qui se produisent au sein du système isolé ne se traduisent donc que par des transformations de certaines formes d'énergie en d'autres formes d'énergie. Puisque l'énergie ne peut pas être produite en partant de rien, elle est présente en quantité invariable dans la nature. Elle ne peut donc que se transmettre d'un système à un autre : on ne crée par l'énergie, on la transforme.

Ce principe est également considéré comme étant une loi générale pour toutes les théories physiques, notamment en mécanique, électromagnétisme ou physique nucléaire puisqu'on ne lui a jamais trouvé la moindre exception même si des doutes peuvent subsister lorsque l'on étudie les désintégration radioactives.

De puis le théorème de Noether, on sait que la conservation de l'énergie est intimement reliée à une uniformité de structure de l'espace-temps.

Le premier principe de la thermodynamique rejoint alors le célèbre principe popularisé par Lavoisier : "Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme."

Le deuxième principe de la thermodynamique

Egalement appelé principe d'évolution des systèmes, ce principe affirme la dégradation de l'énergie. En effet, l'énergie d'un système passe de façon nécessaire et spontanée de formes concentrées et potentielles à des formes diffuses et cinétiques telles que le frottement ou la chaleur.

Ce principe introduit donc également la notion d'irréversibilité d'une transformation et la notion d'entropie. En effet, d'après le deuxième principe de la thermodynamique, l'entropie d'un système isolé augmente ou reste constante. Souvent interprété comme une mesure du désordre et comme l'impossibilité du passage du désordre à l'ordre sans intervention extérieur.

L'interprétation de ce principe se base sur la théorie de l'information de Claude Shannon et la mesure de cette information, également appelée entropie de Shannon.

La principale différence de ce principe avec le premier principe de la thermodynamique est l'origine statique de ce deuxième principe. En effet, les lois microscopiques qui gouvernent la matière ne le contiennent qu'implicitement et de manière statique. Cependant, le deuxième principe de la thermodynamique reste relativement indépendant des caractéristique des lois précédemment citée puisqu'il apparaît même si l'on suppose des lois simplistes à petite échelle.

Le troisième principe de la thermodynamique

Ce principe, quant à lui, est associé à la descente vers un état quantique fondamental d'un système dont la température s'approche d'une limite qui définit la notion de zéro absolu. En effet, en thermodynamique classique, ce principe permet de calculer l'entropie molaire S d'un corps pur par intégration sur la température à partir de S=0 à 0 K dans le but d'établir des tables de données thermodynamiques.

La loi de Laplace en thermodynamique

Comment fonctionne la dynamique des fluides ?
Les fluides réagissent en fonction des températures et de leur densité.

En thermodynamique, cette loi correspond à une relation reliant la pression et le volume d'un gaz parfait qui subit une transformation dite isentropique ou une transformation dite adiabatique et réversible. Mais cette relation peut également être utilisée avec la température et le volume ainsi que la température et la pression.

La loi de Laplace suppose en effet des capacités thermiques constante alors que les capacités thermiques d'un gaz parfait dépend évidemment de la température, il suffit de regarder la loi des gaz parfait. En conséquence, cette loi ne peut être appliquée à des transformation où la variation de la température est peu important. On peut alors considérer que les capacités thermiques sont constantes.

    \[ P \times V = n \times R \times T \]

Avec :

  • P est la pression d'un gaz (en pascals) ;
  • V le volume occupé par le gaz (en m3) ;
  • n la quantité de matière (en moles) ;
  • R la constante universelle des gaz parfaits (8,3144621 J/K/mol) ;
  • Et T est la température (en kelvins).
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Clément

Freelancer et pilote, j'espère atteindre la sagesse en partageant le savoir que j'ai acquis lors de mes voyages au volant de ma berline. Curieux scientifique, ma soif de découverte n'a d'égale que la durée de demie-vie du bismuth 209.