énergie électrique en joules (J) • U: différence de potentiel en volts (V) • I: intensité du courant en ampères (A)








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1) L'ÉNERGIE ET SES TRANSFORMATIONS

En physique on peut définir l'énergie comme étant une capacité de produire un certain travail. Le premier principe de la physique est de considérer que l'énergie totale de l'univers reste constante. Si une forme d'énergie disparaît, une autre apparaît: les phénomènes que nous observons résultent de transformations d'énergie. Il existe   plusieurs formes d'énergie: l'énergie électrique, l'énergie mécanique, l'énergie chimique, l'énergie thermique ou chaleur, l'énergie nucléaire et l'énergie rayonnante. L'unité légale qui sert à mesurer une énergie est LE JOULE (J).  C'est le travail effectué par une force de un Newton qui déplace son point d'application de un mètre.

http://home.ican.net/~samsara/cours/notescours534/notesthermow_fichiers/image002.gif

 

L'ÉNERGIE ÉLECTRIQUE :  C'est l'énergie qui est due au courant électrique: déplacement des charges électriques. Elle se calcule en multipliant la différence de potentiel (U) en volts par l'intensité du courant (I) en ampères:

 

energie electrique

• Eé : énergie électrique en joules (J)  
• U: différence de potentiel en volts (V)  
• I: intensité du courant en ampères (A) 


 

L'ÉNERGIE THERMIQUE :  Elle est associée au mouvement désordonné des molécules. Du point de vue macroscopique, elle peut provoquer trois effets: la variation de température, le changement d'états ou la dilatation. Quand une substance absorbe de la chaleur on peut dire en général que deux phénomènes se produisent: 
• Sa température augmente ou  elle subit un changement d'état si la température est celle du changement d'état. 
• Son volume augmente. 
Cette forme d'énergie sera étudiée plus spécifiquement dans le deuxième paragraphe.

 

L' ÉNERGIE MÉCANIQUE :  C'est l'énergie due au mouvement. Elle peut se définir comme étant la somme de l'énergie cinétique  et de l'énergie potentielle. L'énergie potentielle (Ep) est due à la position d'un objet.  Plus un objet est élevé et plus son énergie potentielle est élevée.  L'énergie cinétique (Ec) est due à la vitesse.  Elle est égale au demi-produit de la masse par le carré de la vitesse.

energie mecanique

L'énergie mécanique demeure constante.  Pourquoi un objet qui tombe en chute libre prend-il une vitesse de plus en plus grande? La raison en est simple. Comme l'énergie mécanique demeure constante, de l'énergie potentielle se transforme en énergie cinétique, ce qui donne à l'objet une vitesse croissante. 
  
 

L' ÉNERGIE CHIMIQUE: Elle dépend surtout de l'énergie emmagasinée dans une molécule au cours de sa formation.  La somme de toutes les énergies d'un atome ou d'une molécule s'appelle SON ENTHALPIE (H). C'est un concept global qui ne se calcule pas directement.  Au cours d'une réaction chimique, on peut calculer la variation d'enthalpie (DH). Ce concept sera étudié en détail dans le troisième paragraphe. 
  
 

L' ÉNERGIE NUCLÉAIRE: Elle est libérée lorsque des noyaux atomiques subissent des modifications.

  •  FISSION : Un noyau atomique lourd se coupe pour donner deux noyaux environ deux fois plus petits.

  •  FUSION :  Deux noyaux légers se rassemblent pour donner un noyau qui est environ deux fois plus lourd.


Au cours de ces réactions, la masse des produits (ce que l'on obtient) est inférieure à celle des réactifs (ce que nous avions au début). Le calcul de l'énergie qui apparaît se fait en utilisant la célèbre relation d'EINSTEIN:

energie nucleaire

m: perte de masse en kilogrammes (kg)  
• c: vitesse de la lumière (3 . 10
8 m/s) 

 

L' ÉNERGIE RAYONNANTE: C'est l'énergie qui est due aux radiations transmises dans l'espace par des ondes électromagnétiques ou des ondes corpusculaires.  Un four à micro-ondes transforme l'énergie rayonnante en énergie thermique; la lumière émise par un ver luisant provient de la transformation de l'énergie chimique en énergie rayonnante. Elle se calcule en multipliant la constante de Plank par la fréquence de la radiation: 
 

rayonnante

h: constante de Plank (6,62 . 10-34 J.s)  
• n: fréquence de la radiation 


 

La plupart des appareils techniques qui nous entourent utilisent le principe des transformations d'énergie:

• Dans un radiateur électrique, de l'énergie électrique est transformée en énergie thermique (chaleur). 
• Dans une pile électrique, de l'énergie chimique est transformée en énergie électrique. 
• Dans une centrale nucléaire, l'énergie nucléaire est transformée en énergie électrique. 
• Dans une centrale thermique, l'énergie thermique (chaleur) est transformée en  énergie électrique. 
• Dans une centrale hydroélectrique, l'énergie mécanique de l'eau est transformée en énergie électrique.


En considérant l'impact sur l'environnement, on distingue deux sources énergétiques:

• Les énergies non renouvelables ou conventionnelles: hydroélectricité, pétrole, gaz naturel, charbon. 
• Les énergies renouvelables ou douces: solaire, éolienne, marémotrice.

 

2) TEMPÉRATURE ET CHALEUR

La température exprime la qualité de ce qui est chaud: elle repère le niveau de chaleur présent dans une substance.  La chaleur fait intervenir la qualité de ce qui est chaud (la température) et la quantité de ce qui est chaud (la masse); elle est aussi fonction de la nature de la substance. 
La température est  un facteur qui fait varier la vitesse des molécules. Plus la température d'une substance est élevée et plus la  vitesse des molécules, qui la composent, est grande. Lorsqu'on observe deux objets: celui dont la température est la plus élevée est le plus chaud : les molécules qui composent l'objet le plus chaud se déplaceront plus vite que celles qui constituent l'objet le plus froid.

temperature

Qu'est-ce-qui contient le plus de chaleur, 90 g d'eau à 60° C ou 20 g d'eau à 100 °C? Le niveau de chaleur des 20 g d'eau est plus élevé puisque les molécules d'eau à 100 °C se déplacent plus vite que celles qui sont 60 °C. D'un autre côté, il y a beaucoup plus de molécules dans 90 g d'eau. En introduisant les principes de base de la calorimétrie, nous avons déjà pu répondre à de telles questions et  avons vu que les 90 g d'eau contiennent plus de chaleur: le facteur «quantité» l'emporte dans ce cas sur le facteur «qualité». Il sera aussi intéressant de se demander si les substances absorbent la chaleur de la même façon. Qu'est-ce-qui contient le plus de chaleur, 90 g d'eau à 60° C ou 90 g d'alcool à  60 °C? Ici les facteurs «qualité» et «quantité» sont identiques. Nous savons maintenant que c'est l'eau puisque sa chaleur massique est plus grande.  Finalement, nous pouvons dire que l'énergie thermique ou chaleur (Q) d'une substance est proportionnelle à la  masse (m), à la  température (T)  et à facteur qui caractérise l'absorption de chaleur,  la capacité thermique massique (c). Elle est donnée par la formule suivante:

 

thermique

 • Q: énergie thermique en joules (J)  
• m: masse en kilogrammes (g)  
• c: chaleur massique (J/g.°C)  
• T: températures (°C) 


 

La  chaleur est une forme d'énergie; c'est une grandeur mesurable qui peut se comparer à une grandeur prise comme unité. La température indique le niveau de chaleur; c'est une grandeur repérable, seule la variation de température est mesurable.  La température est une grandeur repérable; dans le système international, l'unité de variation de température est le degrés Celsius. La capacité d'absorption de chaleur dépend de la nature de la substance: c'est une propriété caractéristique de la substance appelée «chaleur massique ou capacité thermique massique»: c'est la quantité de chaleur absorbée par un gramme de substance pour faire monter sa température de 1 °C. Lorsqu'on rapporte cette capacité thermique à une mole de substance, on parle alors de capacité thermique molaire. La capacité thermique molaire (CM) s'obtient en multipliant la capacité thermique massique par la masse molaire de la substance: 
 

massique

CM: capacité thermique molaire de la substance (J/mol.°C)  
• C: capacité thermique massique de la substance (J/g.°C)  
• M: Masse molaire de  la substance (g/mol) 


 

Si l'on compare les capacités d'absorption de l'eau et de l'alcool, on constate qu'elle est plus grande dans le cas de l'eau: la chaleur massique de l'eau est plus grande que celle de l'alcool ce qui veut dire que pour une même élévation de température l'eau absorbe davantage de chaleur.

 

3) CALORIMÉTRIE ET THERMOCHIMIE

Le premier effet de la chaleur est  la variation de la température à laquelle nous avons déjà associé une grandeur caractéristique (la chaleur massique).  La quantité de chaleur, liée à la variation de température, est directement proportionnelle à cette variation de température et à la masse de la substance; elle aussi directement proportionnelle à la chaleur massique de la substance. Mathématiquement nous pouvons écrire  la relation qui est à la base de toute la calorimétrie: 
 

thermique

Q : quantité de chaleur en joules (J)  
• m : masse de la substance en grammes (g)  
• c  : capacité thermique massique de la substance (J/g.°C)  
• D
t : variation de la température en degré Celsius (°C)

Nous avons déjà vu que la chaleur provoque un autre effet le changement d'état qui correspond à des modifications de la structure corpusculaire de la matière. Ainsi à 0°C la glace devient liquide et à 100°C l'eau liquide devient gazeuse. Un changement d'état s'effectue à température constante, si la substance est pure. La chaleur fournie ne sert pas à élever la température, mais à changer l'arrangement des particules qui constituent la matière. Le schéma ci-dessous rappelle  les différents changements d'états:

http://home.ican.net/~samsara/cours/notescours534/notesthermow_fichiers/image020.gif

http://home.ican.net/~samsara/cours/notescours534/notesthermow_fichiers/eausolide.gif

http://home.ican.net/~samsara/cours/notescours534/notesthermow_fichiers/eauliquide.gif

http://home.ican.net/~samsara/cours/notescours534/notesthermow_fichiers/eaugaz.gif

Dans l'eau solide les molécules d'eau forment 
un réseau cristallin

Dans l'eau liquide,  les molécules 
sont plus libres; elles sont  
liées par des liaisons par 
pont-hydrogène

Dans l'eau gazeuse,  les molécules 
sont indépendantes les unes des autres.

La chaleur latente est  la propriété caractéristique liée au changement d'état. En voici quelques exemples:

• La chaleur latente de fusion d'un solide est la quantité de chaleur qu'il faut fournir à un gramme de ce solide à la température de fusion  pour le transformer en un gramme de liquide à cette même température; 
• La chaleur latente de vaporisation d'un liquide est la quantité de chaleur qu'il faut fournir à un gramme de liquide à la température d'ébullition  pour la transformer en un gramme de gaz à cette même température. 
Elle s'exprime en Joules/grammes (J/g). Les calculs liés aux chaleurs latentes font intervenir les formules suivantes

http://home.ican.net/~samsara/cours/notescours534/notesthermow_fichiers/image022.jpg

 Q  : quantité de chaleur en joules(J)  
m   : masse de la substance en grammes (g)  
L
F   : chaleur latente de fusion (J/g)  
L
V   : chaleur latente de vaporisation (J/g) 

Le graphique ci-dessous résume les calculs des quantités de chaleur au cours du chauffage d'un solide:

http://home.ican.net/~samsara/cours/notescours534/notesthermow_fichiers/phases.gif

Voici les 5 constantes calorimétriques de l'eau:

• Chaleur massique de l'eau solide  cS = 2,14 J.g-1.°C-1; 
• Chaleur de fusion  de l'eau solide  LF = 335 J.g-1; 
• Chaleur massique de l'eau liquide  cL = 4,18 J.g-1.°C-1; 
• Chaleur de vaporisation de l'eau liquide  LV = 2 263 J.g-1; 
• Chaleur massique de l'eau gazeuse  cG = 2,02 J.g-1.°C-1.


Exemple: Calculer la quantité de chaleur pour transformer 10 g de glace à - 40 °C en 10 g de vapeur d'eau à 120 °C.

La quantité de chaleur nécessaire pour transformer une masse d'eau solide à une température T1 en une masse d'eau gazeuse à un température T2 résulte des cinq transformations suivantes:

• Chauffage de la glace de - 40  à 0 °C: Q1 = M.Cs.40 
• Transformation de la glace en eau liquide à 0 °C: Q2 = M.LF 
• Chauffage de l'eau liquide de 0  à 100 °C: Q3 = M.CL.100 
• Transformation de l'eau liquide en vapeur d'eau à 100 °C: Q4 = M.LV 
• Chauffage de la vapeur d'eau de  100 à 120 °C: Q5 = MCV.20

La quantité de chaleur totale est:

Q =  Q1 + Q2  +  Q+    Q4  +  Q5 http://home.ican.net/~samsara/cours/notescours534/notesthermow_fichiers/image026.gif

Ce calcul peut se généraliser à n'importe quelle substance en faisant agir les températures de changements d'états:

http://home.ican.net/~samsara/cours/notescours534/notesthermow_fichiers/image028.jpg

On peut résumer les principes de la calorimétrie en disant que lorsqu'un corps chaud est mis en contact avec un corps froid:

• Le corps chaud cède de la chaleur au corps froid. 
• La quantité de chaleur gagnée par le corps froid, qui s'échauffe,  est égale à la quantité de chaleur perdue par le corps chaud, qui se  refroidit. 
• Si un corps gagne plus de chaleur qu'il n'en perd, il s'échauffe. 
• Si un corps perd plus de chaleur qu'il n'en gagne, il se  refroidit.


Ainsi si deux corps sont à des températures différentes (T1 et T2), un échange de chaleur se produit  et la température finale (TF) résulte de l'application du principe de la conservation de l'énergie:

http://home.ican.net/~samsara/cours/notescours534/notesthermow_fichiers/image030.jpg

Cette équation permet de calculer la température finale (TF) après le transfert d'énergie:

http://home.ican.net/~samsara/cours/notescours534/notesthermow_fichiers/image032.jpg

Équation qui se simplifie lorsque les deux substances sont identiques (chaleurs massiques identiques):

http://home.ican.net/~samsara/cours/notescours534/notesthermow_fichiers/image034.jpg

La thermochimie étudie les échanges de chaleur qui se produisent au cours d'une réaction chimique.  La grandeur liée à ces échanges d'énergie est la variation d'enthalpie.
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