Le Repaire des Sciences
Sciences Physiques et Chimiques

 

 

 

 

    

L'énergie interne : qu'est-ce que c'est ?

 

 

Partons tout d'abord des considérations que nous avons eu sur l'énergie en mécanique avant d'introduire la notion d'énergie interne.

 

Synthèse sur l’étude de la chute libre

Chuter libre : le système n’est soumis qu’à son poids.

Dans ce cas, nous avons montré expérimentalement que quelle que soit sa vitesse initiale (lâcher ou lancer), l’énergie mécanique Em du système se conserve au cours du mouvement.

Cette constante est par exemple égale à la somme initiale

 

si vo est la vitesse initiale et zo l’altitude du point référent altimétrique.

La loi de conservation de l’énergie mécanique peut-être vue comme une traduction du théorème de l’énergie cinétique pris depuis l’instant initial

ce qui laisse apparaître

ou encore

soit

Ceci signifie que l’énergie mécanique ne varie pas au cours du mouvement, c’est-à-dire que

Remarquons enfin que ce qu’on appelle travail du poids s’oppose exactement à la variation d’énergie potentielle de pesanteur,

ce qui est logique puisque pour prendre de l’altitude et gagner de l’énergie potentielle de pesanteur, il faut travailler contre le poids !

 

 

Exemple du mouvement d’un pendule

A tout instant, la masse m est soumise à son poids et à la tension du fil inextensible.

  

 Le pendule entre deux positions particulières qu’on peut repérer par leur altitude z : l’une est maximale (là où la masse s’arrête pour repartir dans l’autre sens) et l’autre est minimale (là où la vitesse du mobile est maximale).

·        Lorsque la masse est au plus haut, son énergie cinétique est nulle et son énergie potentielle de pesanteur est maximale : si zmin = 0, alors Epp = mgzmax et Em = Epp = mgzmax.

·        Lorsque la masse est au plus bas, son énergie potentielle de pesanteur est nulle : l’énergie mécanique s’identifie alors à l’énergie cinétique et vaut toujours Em = mgzmax = Ec puisqu’elle est constante.

Au cours de ce mouvement, il y a donc un échange perpétuel entre les formes cinétique et potentielle (de pesanteur) de l’énergie, si bien que l’énergie mécanique globale du système reste constante.

Zone de Texte:

 

 

 

 

 
 

Le théorème de l’énergie cinétique conduit ici aux mêmes conclusions, puisque son application est identique au cas d’une chute libre : en effet, ici, la tension du fil (dirigée à chaque instant selon le rayon) est à chaque instant perpendiculaire au déplacement (propriété de la tangente à la trajectoire circulaire) et, par conséquent, ne travaille pas. Le poids est ici aussi la seule force qui travaille.

 

Généralisation : cas de la non-conservation de l’énergie mécanique

Nous avons vu des cas où l’énergie mécanique du système ne se conservait pas : comment expliquer et modéliser ces phénomènes ?

Zone de Texte:

Ceci s’observe par exemple dans le cas où la chute (qui n’est plus libre) a lieu dans un milieu visqueux (éprouvette d’huile ou de glycérol). 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Au cours du déplacement, le système n’est plus uniquement soumis à son poids : des forces de frottements et une poussée d’Archimède non négligeables interviennent également ; de plus, ces forces travaillent elles aussi. Le théorème de l’énergie cinétique doit s’écrire ici

Si l’on regarde cette égalité, et l’expression de ce théorème dans le cas de la chute libre, on peut supposer que la somme

 

doit être responsable de la diminution de l’énergie mécanique observée. En effet, on peut écrire

et en utilisant ce que nous avons remarqué pour la chute libre,

il vient

On peut bien vérifier que DEm est négative (diminution), de même que la somme des travaux résistants des forces de frottements et de la poussée d’Archimède.

Une remarque peut-être intéressante : ces forces sont des actions de contact, contrairement à la pesanteur, et trouvent une interprétation à l’échelle microscopique…

En Physique, on aime bien les lois de conservation : vous vous souvenez de la phrase de Lavoisier. Aussi a-t-on introduit une grandeur appelée énergie interne, notée U, rassemblant l’ensemble des facteurs énergétiques intrinsèques au système, dits aussi microscopiques, de sorte que la grandeur énergie totale du système Em + U se conserve !

Mais que représente U ??

Cette énergie interne U est la propriété intime du système ; c’est un capital d’énergie microscopique qui résulte de sa composition interne. Elle peut être vue comme la somme de deux contributions,

·        une énergie potentielle d’interaction entre les particules constitutives, liées à leur position les unes par rapport aux autres

·        une énergie cinétique d’agitation thermique, liée à la température du système (qui n’en est que la mesure)

 

L’énergie transférée à un corps sous forme de travail peut modifier son énergie interne. Prenons quelques exemples.

·        Dans le cas du ressort, la compression entraîne un travail de la force de rappel élastique du ressort augmentant son énergie interne (ses particules constitutives étant plus resserrées).

·        Dans le cas d’une météorite en chute dans l’atmosphère (la grande vitesse rendant non négligeables les forces de frottement), le travail des forces de frottement augmente son énergie interne : la météorite s’embrase, sa température s’élève. C’est également ce qui se passe quand vous frottez vos mains l’une contre l’autre pour les réchauffer.

 

On peut également envisager de modifier l’énergie interne d’un système sans travail,

·        par transfert thermique, c’est-à-dire en le chauffant

·        par rayonnement, c’est-à-dire en le bombardant d’ondes électromagnétiques (lumière) comme le Soleil réchauffe la Terre alors qu’ils sont séparés par du vide (donc pas de conduction thermique possible)

 

En général, l’évaluation de l’énergie interne d’un corps est assez délicate. Nous allons par exemple nous poser la question suivante : peut-on quantifier les transferts thermiques ?

Vous savez que les transferts thermiques entre deux corps se font toujours du plus chaud vers le plus froid (c’est une façon d’énoncer le 2ème principe de la thermodynamique). Tout transfert thermique a besoin d’un support matériel pour se produire ; il existe deux modes de transferts thermiques,

·        La conduction thermique, qui se produit sans transport de matière : c’est ce qui se passe dans les métaux (qui ne s’est pas brûlé avec une gamelle ?)

·        La convection thermique, qui s’effectue avec transport de matière : c’est ce qui se passe dans une casserole d’eau bouillante ou encore dans l’air au-dessus d’une flamme

 

Un transfert thermique va provoquer une variation de température du système et modifier son énergie interne ; dans certains cas, comme pour préparer l’eau de cuisson des nouilles, il peut même engendrer un changement d’état physique (ex : liquide ® gaz).

En l’absence de changement d’état, le transfert thermique Q (aussi appelé chaleur), exprimé en joules (J) provoque le passage pour le corps de masse m de la température qi à la température qf, ce qui se note

où la grandeur de proportionnalité c et appelée capacité thermique massique du système ; cette grandeur s’exprime en J.kg-1.°C-1 et caractérise l’inertie thermique du corps : elle donne la quantité de chaleur à lui fournir pour en élever la température de 1 kg de 1°C.

Exemple : c(eau) = 4 180 J.kg-1.°C-1  >>  c(fer) = 450 J.kg-1.°C-1

Remarquons que si qf > qi, la température du corps a augmenté, et Q > 0. Inversement, si qf < qi, la température du corps a diminué, et Q < 0.

 

S’il se produit un changement d’état, il faut faire intervenir une grandeur appelée chaleur latente massique et notée L, exprimée en J.kg-1, dans la relation

Cette grandeur L caractérise la chaleur à apporter pour faire passer 1 kg de corps d’un état à l’autre.

Exemple : Lfus(eau) = 335 kJ.kg-1    et    Lvap(eau) = 2 261 kJ.kg-1.

Remarquons que la température n’intervient pas ici, puisque les changements d’état des corps purs se produisent par paliers de température, c’est-à-dire à température constante. Par ailleurs, les chaleurs latentes de changements d'état admettent des relations évidentes

Lsol = –Lfus     Lliq = –Lvap     Lcon = –Lsub

pour ce qui est des changements inverses l'un de l'autre.