Phys. N° 07
L'énergie
Cours

 

   

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 I- Notion d'énergie.

1)- Introduction.

2)- Rappels et compléments.

3)- Une définition de l'énergie.

4)- Les sources d'énergie.

5)- Stockage et déstockage de l'énergie.

6)- Unités d'énergie.

II- Les différentes formes d'énergie.

1)- Énergie de type macroscopique :

 énergie de type mécanique.

2)- Énergie de type microscopique :

énergie liée à la structure interne du système.

3)- Variation de l'énergie liée à

la structure interne.

III- Énergie totale d'un système : notation U.

1)- Définitions.

2)- Variation d’énergie d’un système.

3)- Le système isolé.

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

1)- Transfert par chaleur produisant

une élévation de température.

2)- Transfert d'énergie produisant un

changement d'état.

V- Applications.

1)- Exercice 16 page 146.

2)- Exercice 19 page 146.

 

 

I- Notion d'énergie.

1)- Introduction.

Tout ce qui vie fonctionne, évolue, nécessite de l'énergie.

Le concept d'énergie est un concept abstrait, très récent qui est employé aujourd'hui

dans des domaines très variés qui dépassent le cadre de la mécanique classique.

Dans la vie de tous les jours, on entend parler de différents types d'énergie : 

l'énergie électrique, l'énergie calorifique, l'énergie lumineuse, l'énergie mécanique.

En conséquence, il existe différents types d'énergie.

D'autre part, on sait transformer une énergie en d'autres types énergies :

l'énergie électrique peut être convertie en énergie lumineuse, en énergie calorifique,

en énergie mécanique suivant le convertisseur utilisé.

Toutes ces formes d’énergie ne sont en fait que différentes manifestations

d’une seule et unique grandeur physique :

l'énergie.

 

il faut attendre le XIX siècle et les travaux de Joule pour établir une relation entre le ralentissement du mouvement d’un corps sous l’effet de frottements et l’accroissement de la température à la surface de contact et l’interpréter comme la transformation de l’énergie mécanique en énergie calorifique.

Pendant longtemps les scientifiques ont cru que la chaleur (et le feu) était un élément au même titre que l’air, l’eau et la terre, utilisant la théorie d'Aristote des quatre éléments fondamentaux.

L’élément qui était censé être responsable des phénomènes calorifiques pour les scientifiques de cette époque s'appelait le phlogistique. On doit à Lavoisier l’interprétation des phénomènes de combustion comme des réactions d’oxydation et ainsi la fin de la théorie du phlogistique.

Le phlogistique éliminé, il restait à réinterprété la nature de la chaleur, ce que Joule réalisa en montrant l’équivalence entre l’énergie mécanique et l’énergie calorifique. À l’époque de Newton et de Leibniz, le concept et le mot " énergie " tels que nous les connaissons n’existaient pas. Leibniz introduisit une grandeur physique qu’il baptisa " action pure "- dénommée aujourd’hui " travail " qui devait jouer un rôle fondamental dans la construction du concept d’énergie. Les forces sont la cause du changement du mouvement. Pour déplacer un corps immobile, pour accélérer un objet se déplaçant d'un mouvement rectiligne uniforme ou pour le dévier de sa trajectoire, il faut lui appliquer une force. Aujourd’hui, les physiciens appellent " travail " d'une force, l’action d’une force sur le mouvement d’un corps. Lorsque l'on déplace un solide sur un plan, il faut vaincre les forces de frottement. Si on cesse de pousser, le solide s'arrête. Dans cet exemple, on peut exprimer l’action sur le mouvement de la force de poussée comme l’effort qu’il a fallu déployer pour vaincre les frottements. Cet effort dépend directement de la valeur de la force mais aussi de la distance parcourue. C'est cette action de la force pour déplacer l'objet que l'on appelle travail de la force.

2)- Rappels et compléments.

* Définition : un système est un objet ou un ensemble d'objets auxquels on s'intéresse pour une étude particulière.

-    On appelle milieu extérieur tout ce qui ne fait pas partie du système.

-    Rappels : les trois états de la matière :

-    L'état solide : les particules constituant la matière sont les unes contre les autres (atomes, molécules ou ions) forment un réseau cristallin.

-    Les liaisons entre particules assurent la cohésion de l'édifice.

-    L'état solide est un état condensé, ordonné.

-    L'état liquide : les particules constituant la matière sont les unes contre les autres mais peuvent glisser les unes sur les autres.

-    Les forces d'interaction entre les particules sont de faible intensité.

-    L'état liquide est un état condensé.

-    L'état gazeux : les gaz sont formés de molécules en agitation rapide et désordonnée (le chaos moléculaire). L'état gazeux est un état dispersé.

-    Les changements d'état : 

 

3)- Une définition de l'énergie.

* Un système possède de l'énergie s'il est capable de produire des transformations telles que :

-    Élever la température d'un corps

-    Allumer une lampe

-    Mettre un objet en mouvement…. etc.

4)- Les sources d'énergie.

  On classe les sources d'énergie en différentes catégories :

-    Les sources fossiles : charbon, pétrole et gaz naturel

-    Les sources nucléaires : la principale est l'uranium : l'oxyde d'uranium U2O.

-    Les sources renouvelables : le soleil (il est à l'origine de presque toutes les sources d'énergie sur terre),

-    le vent (énergie éolienne),

-    la géothermie (utilisation des réserves d'eau chaude : sous terre, la température augmente environ de 1°C lorsque l'on s'enfonce de 30 m),

-    la biomasse (la matière vivante végétale et animale est susceptible de fournir de l'énergie : aliments, le bois, la fermentation).

5)- Stockage et déstockage de l'énergie.

-    Exemple 1 : le soleil constitue une réserve d'énergie.

-    Cette énergie parvient à la terre sous forme de rayonnement électromagnétique.

 

-    Le stock d'énergie en réserve diminue. Le rayonnement permet ce transfert d'énergie hors du système.

-    Ce rayonnement arrive sur terre et on observe une élévation de la température.

-    L'absorption d'une partie du rayonnement s'accompagne d'une variation d'une grandeur physique, ici la température.

-    Exemple 2 : on considère un circuit électrique comprenant : un générateur électrochimique, une lampe à incandescence et des fils de connexion.

-    La lampe émet un rayonnement alors qu'une réaction chimique se produit dans la pile.

-    Au cours de la réaction, la quantité de matière des réactifs diminue, le générateur cède de l'énergie.

-    La diminution de la quantité de réactifs s'accompagne de l'émission d'un rayonnement.

-    La variation du stock d'énergie d'un système s'accompagne d'une variation mesurable d'une grandeur qui caractérise le stock.

-    Lorsque le stock d'énergie varie, il y a transfert d'énergie.

6)- Unités d'énergie.

-    L'unité légale d'énergie est le Joule J. On utilise le kiloJoule et le MégaJoule :

-    1 kJ = 1000 J et 1MJ = 106 J.

-    équivalences :

-    La tonne équivalent pétrole : énergie libérée par la combustion d'une tonne de pétrole :

-    1 t.e.p = 4,2 x 1010 J

-    la tonne équivalent charbon : énergie libérée par la combustion d'une tonne de charbon :

-    1 t.e.c = 0,69 t.e.p

-    Le kilowatt. heure : énergie consommée par une machine de puissance 1000 watts qui fonctionne pendant une heure.

-    1 kW.h = 3,6 x 10 6 J

-    L'électron-volt : énergie acquise par une particule chargée de charge égale à la charge élémentaire accélérée par une différence de potentiel de un volt.

-    1 eV = 1,6 x 10 – 19 J

-    On utilise aussi le mégaélectron-volt (MeV) et le gigaélectron-volt (GeV).

II- Les différentes formes d'énergie.

1)- Énergie de type macroscopique : énergie de type mécanique.

a)-  Énergie liée à la vitesse du système : énergie cinétique EC.

-    L'énergie cinétique d'un système, par rapport à un référentiel donné, est l'énergie liée à son mouvement par rapport à ce référentiel.

-    On considère le système dans son ensemble.

-    On étudie en classe de première le cas d'un système animé d'un mouvement de translation.

b)-  L'énergie liée à la position : énergie potentielle EP.

-    L'énergie potentielle d'un système est l'énergie liée aux positions relatives de ses différentes parties en interaction.

-    On distingue :

-    L'énergie potentielle de pesanteur (elle résulte de l'interaction entre le solide de masse m et la terre, elle est liée à l'altitude h : distance terre - système)

-    Il faut considérer dans ce cas le système S = {solide, Terre}

-    L'énergie potentielle élastique (elle résulte de l'interaction entre un ressort et le solide et elle est liée à la déformation élastique du ressort)

-    L'énergie potentielle électrique (elle est liée aux charges électriques en interaction).

2)- Énergie de type microscopique : énergie liée à la structure interne du système.

a)-  Énergie cinétique microscopique.

-    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.

b)-  L'énergie potentielle microscopique.

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

3)- Variation de l'énergie liée à la structure interne.

-    Changement de température : une modification de la température d'un système fait varier son stock d'énergie.

-    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),

-    il y a une augmentation de l'énergie du système liée à la structure interne.

-    Changement de la structure chimique :

-    une réaction chimique peut libérer de l'énergie.

-    Cette énergie est liée à la structure interne et aux liaisons chimiques.

-    Au cours d'une réaction chimique, des liaisons sont brisées et d'autres liaisons se forment.

-    L'environnement de chaque particule change, en conséquence,

-    l'énergie potentielle microscopique varie et l'énergie liée à la structure interne varie.

-    Changement d'état physique d'un corps :

-    lorsque l'on chauffe un corps pur, sa température peut augmenter mais il peut aussi changer d'état physique 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.

-    Changement de la structure des noyaux atomiques :

-    les réactions nucléaires qui transforment les noyaux des atomes modifient les liaisons entre les nucléons.

-    Il en découle une variation de l'énergie appelée énergie nucléaire.

III- Énergie totale d'un système : notation U.

1)- Définitions.

-    Un système peut stocker :

-    De l'énergie cinétique macroscopique EC

-    De l'énergie potentielle macroscopique EP

-    De l'énergie liée à sa structure interne microscopique Umic

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

-    EM =  EC  +  EP

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

-    UEM  +  Umic = EC  +  EP  + Umic

-    L'énergie microscopique d'un système est la somme des énergies d'agitation (cinétiques) et potentielles microscopiques.

-    L'énergie potentielle d'interaction microscopique peut provenir de l'interaction intermoléculaire et

-    intramoléculaire lorsque le système possède une structure moléculaire.

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 : ΔES 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 qi à une valeur finale qf est donnée par la relation suivante :

ΔU = m . c . ( θ   –  θi )

ΔU  en joule J

m en kilogramme kg

c capacité thermique massique  J.kg – 1.° C – 1  

θf   –  θi températures en °C

-    Remarque :

La capacité thermique massique :

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

c = 4,18 kJ.kg – 1.° C – 1 .

 

-    Quantité de chaleur nécessaire :

-    ΔU = Q = m . c . ( θ  –  θi )

-    Q = 80 x 4,18 x (80 – 20)

-    Q = 2,0 x 10 4  kJ.

-    Remarque :

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

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

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

La variation d'énergie par changement d'état d'une masse m de corps pur

sous une pression P et à la température T (température de changement d'état)

est égale au produit de la masse m du corps pur considéré

par la chaleur massique de changement d'état L. :

-     ΔU = m . L

-    Unités : Q en Joule J, m en kilogramme kg et L en J.kg– 1

-    L dépend de la nature de la substance, de la pression P ou de la température T.

-    On distingue différentes chaleurs latentes :

-    chaleur latente de fusion : Lf (passage de l'état solide à l'état liquide).

-    Chaleur latente de solidification : LS (passage de l'état liquide à l'état solide).

-    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 . Lf  > 0  =>   Lf  > 0

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

-    ΔU = m . LS  < 0  =>   LS  < 0

-    En conséquence : L f  = – LS

-    Exemple pour l'eau :  Lf  = - LS  = 335 kJ.kg – 1   et  Lv  = – LL  = 2260 kJ.kg– 1.

-    Les différents changements d’état :

 

V- Applications.

 

1)- Exercice 16 page 146.

 

2)- Exercice 19 page 146.