Chapitre 18 : premier principe de la thermodynamique et bilan d’énergie
Activité 1 : Energie interne
Pour étudier les transferts d’énergie dans la matière, il convient de définir précisément le système étudié. Il contient un très grand nombre d’entités microscopiques ou de particules et est séparé du milieu extérieur par une frontière. (figure 1)
En plus des énergies macroscopiques cinétiques EC,macro et potentielle de pesanteur EPP,macro, un système possède une énergie interne U. L’énergie interne U acquise à l’intérieur d’un système, stockée par ses entités microscopiques, est la somme de deux termes :
p micro
C U
E
U ,
Le premier terme EC,micro est appelé énergie d’agitation microscopique ou énergie cinétique microscopique ; elle dépend de la vitesse des entités. Elle est liée à la température du
système. Contrairement à l’énergie cinétique macroscopique, cette énergie résulte d’un mouvement désordonné des entités qui constitue le système (figure 2).
Le second terme Upest l’énergie potentielle d’interaction du système, qui lie entre elles les différentes entités. Chaque contribution Upprend une forme différente selon la nature des interactions entre les entités, mais ne dépend que de la distance d entre ces entités (Figure 3 et 4).
L’énergie interne U d’un système résulte donc de contributions microscopiques variées et difficiles à dénombrer. Pour étudier le
système constitué d’un nombre important de particules, les physiciens ont recours à une approche statistique et raisonnement en valeurs moyennes.
Chapitre 18 : premier principe de la thermodynamique et bilan d’énergie
Activité 1 : Energie interne
Trouver l’ordre de grandeur d’une valeur numérique
a) Ecrire la valeur considérée en écriture scientifique sous forme d’un nombre compris entre 1 et 10 exclu suivi d’une puissance de 10.
Exemple : 5120 s’écrit 5,120.103
b) Chercher la puissance de 10 la plus proche de la valeur ainsi écrite :
a. Si le nombre est inférieur strictement à 5, l’ordre de grandeur est égal à la puissance de 10 b. Si le nombre est supérieur ou égal à 5, l’ordre de grandeur est égal à 10 multiplié par la
puissance de 10
Exemples : 2,72.104 a pour ordre de grandeur 104 ;
8,7.10-3 a pour ordre de grandeur 10 x 10-3 soit 10-2.
1. Energie cinétique microscopique
1.1. A quelle grandeur macroscopique est liée l’énergie cinétique microscopique ? 1.2. Comment expliquer l’existence de cette énergie cinétique microscopique ?
1.3. Comment évolue l’énergie cinétique microscopique avec l’état physique d’un système ? 1.4. Comment peut s’expliquer cette évolution ?
2. Energie potentielle d’interaction
2.1. Comment évolue l’intensité de l’énergie potentielle d’interaction avec l’éloignement des particules dans un système ?
2.2. Comment expliquer la faible contribution de l’énergie potentielle d’interaction à l’état gazeux ? 2.3. Déterminer l’ordre de grandeur des différents types d’interactions possibles de la figure 4 pour deux
protons H+ éloignés de 1,0 nm.
Données : charge d’un ion H+ : q(H+) = 1,6 x 10-19 C ; masse d’un ion H+ : m(H+) = 1,67 x 10-27 kg ; Constante de Coulomb : k = 9 x 109 USI ; constante gravitationnelle : G = 6,67 x 10-11 USI.
2.4. Quelle interaction est négligeable à l’échelle microscopique ? 3. Approche statistique
Justifier l’approche statistique pour l’étude de l’énergie interne.
