Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

Chapitre : Travail et énergie-Terminale S 1 DOCUMENT LA NOTION D’ENERGIE Un bri

Chapitre : Travail et énergie-Terminale S 1 DOCUMENT LA NOTION D’ENERGIE Un brin d’histoire Le concept d'énergie est fondamental pour l'étude des phénomènes de transformation (comme la chimie et la métallurgie) et de transmission mécanique, qui sont la base de la révolution industrielle. Le concept physique d'énergie s'est donc logiquement affirmé au XIXème siècle. En 1686, Leibniz montre que la quantité mv2, appelée « force vive », se conserve. En 1788, Lagrange montre l'invariance de la somme de deux quantités, que l'on appellera plus tard « énergie cinétique » et « énergie potentielle ». Au XIXème siècle, on parvient par une série d'expériences à mettre en évidence des constats ou lois : - On constate que la chute d'un poids donné d'une même hauteur produit toujours le même échauffement (calorimétrie) ; - Si la vitesse finale n'est pas nulle, la hausse de température est moindre, comme si seulement une partie de la chute était convertie en vitesse et le reste en chaleur ; - De même un échauffement pourra produire une dilatation, une augmentation de pression, qui elle-même permettra de « produire un travail » par exemple en déplaçant une masse ; - Le total est toujours conservé : ainsi naît le concept scientifique d'énergie, « chose » encore indéterminée mais dont on postule une propriété : l'énergie se conserve dans tous les phénomènes, devenant tour à tour, pression, vitesse, hauteur, etc. Ainsi, grâce à l'énergie, on peut mettre en relation des observations aussi différentes qu'un mouvement, une rotation, une température, la couleur d'un corps ou d'une lumière, une consommation de sucre ou de charbon, une usure, etc. Il apparaît également que si l'énergie se conserve et se transforme, certaines transformations sont faciles ou réversibles et d'autres non. Par exemple, il est facile de transformer de la hauteur de chute en échauffement, on peut le faire intégralement, en revanche l'inverse est difficile (il faut des appareils complexes) et une partie de l'« énergie » devra être diffusée et donc perdue. Cette observation sera à la base de l'idée d'entropie en thermodynamique. À partir du concept de conservation de l'énergie (en quantité), on pourra regarder d'un œil différent des systèmes complexes (notamment biologiques et chimiques) qui violent apparemment cette loi et on parviendra, moyennant de nouveaux progrès scientifiques, à toujours valider le postulat ou principe de conservation de l'énergie. Diverses formes d’énergie En pratique, on distingue souvent différentes « formes » d'énergie. Toutefois, il faut être conscient que l'énergie sert à mesurer l'intensité d'un phénomène, cette division n'est qu'une manière de faire correspondre l'énergie au phénomène qu'elle mesure. Par ailleurs, cette distinction n'a rien d'absolu, mais dépend uniquement de la position de l'observateur : le principe de relativité s'applique aussi à l'énergie, de sorte que le même phénomène pourra être analysé en termes d'énergie « cinétique », « électromagnétique », ou « potentielle »... Les formes d'énergie classiquement considérées sont :  Énergie cinétique : l'énergie associée au mouvement d'un corps ou d'une particule ; cela comprend également l'énergie électromagnétique transportée par les photons (lumière, ondes radio, rayons X et γ...) ou par des particules chargées (énergie électrique) ;  Énergie thermique : l'énergie cinétique d'un ensemble au repos ;  On peut dire que les autres types d'énergie sont des énergies potentielles : moyennant un petit changement, possible sans travail, un système instable se Chapitre : Travail et énergie-Terminale S 2 DOCUMENT transforme en un système plus stable, avec dégagement de la différence d'énergie entre les deux systèmes (le plus stable ayant une énergie moindre) ; o Énergie potentielle mécanique (énergie potentielle de gravité ou énergie potentielle élastique) qui forme avec l'énergie cinétique ce qu'on appelle l'énergie mécanique ; o énergie potentielle chimique ; o Énergie potentielle gravitationnelle ; o Énergie potentielle électromagnétique (énergie potentielle électrostatique ou magnétostatique): position instable d'une ou plusieurs particule(s) chargée(s) dans un champ électromagnétique, par exemple l'énergie stockée dans un condensateur ou dans une bobine électrique ; o Chaleur latente ; o Énergie libre. Dans la théorie de la relativité, Einstein établit l'existence de deux formes d'énergie seulement :  Énergie cinétique, due à la masse et à la vitesse relative du corps ;  Énergie de masse : masse et énergie au repos sont équivalentes (le fameux E= mc²). Cette forme d'énergie inclut toutes les formes d'énergies précédentes dans la vision classique : un apport d'énergie « classique » – telle que la tension d'un arc – augmente la masse du système de façon généralement infime, sauf dans le cadre des réactions nucléaires. Par exemple, lors de fission nucléaire, la masse totale de matière diminue légèrement. La masse « manquante », immatérielle, est sous forme d'énergie cinétique des particules ou énergie thermique. Dans les centrales nucléaires, cette énergie thermique est ensuite récupérée pour la production d'électricité. Notion de travail Le travail est un transfert ordonné d’énergie entre un système et le milieu extérieur. Considérons un ensemble cylindre, piston, lequel est à la base de l’obtention de travail mécanique par action de la chaleur. À l’échelle microscopique les chocs des particules de gaz sur le piston définissent la pression exercée sur celui-ci à l’échelle macroscopique. Chaque choc contribue au déplacement, concerté avec les autres chocs, du piston dans la même direction. Il y a addition des forces induites par chaque choc et c’est pourquoi le transfert d’énergie est considéré comme ordonné. Si l’on considère maintenant le travail électrique. Il est dû au déplacement des électrons dans un conducteur sous l’influence d’un champ électrique. Ici encore l’ensemble des électrons se déplace dans la même direction et les effets s’additionnent au niveau macroscopique. Notion de chaleur La chaleur est un transfert désordonné d’énergie entre le système et le milieu extérieur. La chaleur est un transfert d’agitation thermique. L’agitation des particules se propage au gré des chocs dans toutes les directions, de façon désordonnée. C’est pour cette raison que l’on ne peut jamais transformer intégralement de l’énergie thermique en travail alors que l’inverse est possible (exemple : travail électrique transformé en chaleur par effet Joule dans un radiateur électrique). On dit encore que la montée en température correspond à une dégradation de l’énergie. Ce transfert thermique, appelé chaleur, s'effectue du système le plus chaud vers le plus froid, c’est-à-dire celui dont les particules sont statistiquement les plus agitées, va transmettre son agitation thermique au gré des chocs plus ou moins énergétiques, au milieu extérieur ou au système statistiquement le moins agité, c’est-à-dire le plus froid. Cette constatation intuitive est formalisée par le second principe de la thermodynamique. Chapitre : Travail et énergie-Terminale S 3 DOCUMENT Conservation de l’énergie L'énergie ne peut ni se créer ni se détruire mais uniquement se transformer d'une forme à une autre (principe de Mayer) ou être échangée d'un système à un autre (principe de Carnot). C'est le principe de conservation de l'énergie : l'énergie est une quantité qui se conserve. Ce principe empirique a été validé, bien après son invention, par le théorème de Noether. La loi de la conservation de l'énergie découle de l'homogénéité du temps. Elle énonce que le mouvement ne peut être créé et ne peut être annulé : il peut seulement passer d'une forme à une autre. Afin de donner une caractéristique quantitative des formes de mouvement qualitativement différentes considérées en physique, on introduit les formes d'énergie qui leur correspondent. Notion de puissance L'énergie dépensée pour créer un phénomène mesure l'ampleur du phénomène final. Cette énergie est fournie par un autre phénomène, appelé « phénomène moteur ». Certains phénomènes moteurs vont faire le travail rapidement, d'autres plus lentement ; par exemple, un manutentionnaire gringalet mettra longtemps avant de monter des parpaings un par un en haut de l'échafaudage, alors qu'un manutentionnaire musclé en portera plusieurs à la fois et sera plus rapide (en revanche, le résultat final sera exactement le même). Notion de transferts thermiques Les transferts thermiques font partie d'un domaine de la thermodynamique appelé thermodynamique irréversible, c'est-à-dire, pour simplifier, que le phénomène ne peut pas revenir en arrière. L'énergie transférée se présente essentiellement sous forme de chaleur qui va spontanément d'une zone chaude vers une zone froide (Second principe de la thermodynamique). Ce transfert de chaleur peut être accompagné d'un transfert de masse. Ce phénomène se présente sous trois formes différentes :  conduction La conduction thermique est le phénomène par lequel la température d'un milieu s'homogénéise. Il correspond à la transmission de l'agitation thermique entre molécules et se produit dans un solide, un liquide ou un gaz. Exemple : la température d'un barreau chauffé à une extrémité a tendance à s'uniformiser par conduction thermique.  convection La convection est le transfert de chaleur provoqué par le mouvement des particules d'un fluide. Il se produit dans un fluide en mouvement. Exemple : l'air chaud, moins dense, monte, transportant la chaleur du bas vers le haut.  rayonnement Le rayonnement est le transfert de chaleur par propagation d'ondes électromagnétiques ou par désintégration radioactive. Il peut se produire dans tous les milieux, vide y compris. Exemple : la Terre est chauffée par le rayonnement du soleil. Chacun de ces uploads/s3/ la-notion-d-x27-energie.pdf