Energie interne et transfert d'énergieNous avons vu qu’un transfert d’énergie, sous forme de travail, peut modifier l’énergie cinétique et/ou l’énergie potentielle de pesanteur d’un corps.1)D'autres effets du travail d'une force

1.1)Elevation de la températureExemple : La découpe d’une plaque métallique à l’aide d’une meuleuse ; la plaque et le disque d’échauffent.

• Le travail des forces de frottements entre le disque et la plaque de métal provoque une élévation de température de ces deux objets.

• L’augmentation de la température d’un objet correspond, à l’échelle microscopique, à une augmentation de l’agitation de ses atomes.

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Ce qu'il faut retenir :De l’énergie est stockée dans la plaque et le disque, sous forme d’énergie cinétique microscopique qui se disperse ensuite dans l’environnement.

1.2)DéformationExemple : Lors d’un saut à élastique, ce dernier se tend, s’étire puis se rétracte.

• Durant une partie du saut, le travail de la force exercée par le sauteur provoque l’allongement de l’élastique.

• À l’échelle microscopique, l’élastique est constitué de longues chaînes de molécules entre lesquelles existent des interactions élastiques. Quand la longueur de l’élastique tendu varie, de l’énergie élastique (énergie potentielle microscopique) est stockée par l’élastique lorsqu’il est allongé.

Cette énergie est restituée au sauteur, lorsque l’élastique se rétracte.

Exemple du ressort :Examinons l'exemple suivant: on allonge un ressort en tirant sur son extrémité.

∆Ec = Ec2 – Ec1 => ∆Ec = 0 car Ec2 = Ec1 = 0 Pourtant le travail de la force F n'est pas nul. Le ressort a emmagasiné de l'énergie sous une autre forme que l'énergie cinétique ou que l'énergie potentielle de pesanteur. On dit que le travail de la force F a été utilisé pour augmenter l'énergie interne du ressort.

1.3)Changement d'état

Lors de l’entrée dans l’atmosphère du bouclier thermique d’une capsule spatiale, ce dernier subit des forces de frottement intenses qui le font changer d’état physique.

Le travail des forces exercées par l’air comprimé à l’avant provoque l’élévation de la température d’une partie du bouclier protecteur, puis son changement d’état : le matériau passe directement de l’état solide à l’état gazeux.

Lors de ce changement d’état, les énergies cinétiques et potentielles microscopiques des particules constituant le matériau protecteur augmentent.

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1.4)Définition : Energie interne :Nous venons de voir que le travail des forces appliquées à un système lui a été transféré sous forme :

• D’énergie cinétique microscopique des particules constituant le système (agitation thermique) : cela se traduit par une variation de sa température.

• D’énergie potentielle microscopique d’interaction, en modifiant, entre autres, les distances entre les particules du système.

La somme des énergies cinétique et potentielle microscopiques constitue l’énergie interne du système.

L’énergie interne d’un corps, notée U, n’est pas mesurable. En revanche, sa variation ΔU=Ufinale-Uinitiale peut être connue. U et ΔU s’expriment en Joule (J).

Un système dont l’énergie interne augmente stocke de l’énergie. Inversement, un système dont l’énergie interne diminue libère de l’énergie.

2)Comment s'effectue une transfert thermique ?2.1)Energie interne et température

La température est due à l'agitation thermique, c'est à dire à l'énergie cinétique microscopique des particules qui constituent le système. A retenir:Si la température T augmente, alors Ec augmente et l'énergie interne U augmente. Il s’agit alors d’un transfert thermique communément appelé chaleur et noté Q. Elle se mesure en Joule (J).

2.2)Transfert thermique spontané

Les chocs au niveau de la zone de contact provoquent l'augmentation de l'énergie cinétique microscopique des particules du corps froid.

On dit qu'il y a transfert d'énergie par "chaleur".

La température du corps chaud diminue et la température du corps froid augmente.

Lorsque Tcorps chaud = Tcorps froid, les deux objets sont à l'équilibre thermique.

A retenir : Le transfert d'énergie par chaleur s'effectue toujours du corps chaud vers le corps froid.

2.3)Les effets d'un transfert thermique : Elévation de la température et changement d'étatOn chauffe une casserole d’eau sur une plaque électrique.

On observe d’abord une augmentation de la température de l’eau, puis une stabilisation de la température lorsque l’eau bout.

• Lorsque la température de l’eau s’élève, l’agitation de ses molécules augmente : l’énergie interne de l’eau s’accroît. Il y a eu transfert thermique de la plaque chauffante à l’eau.

• Lorsque la température de l’eau atteint 100°C, le transfert thermique provoque l’ébullition. L’eau passe de l’état liquide (état condensé et désordonné) à l’état de gaz (état dilué et très désordonné). Ce changement d’état a lieu (pour un corps pur) à température constante. Le transfert thermique se poursuit donc sans élévation de température.

Ce qu'il faut retenir :Un transfert thermique modifie l’énergie interne d’un corps.Ce transfert peut provoquer :

• Une variation de la température du corps ;• Un changement d’état.

3)Les modes de transferts thermiques3.1)Transfert par conduction thermiquecuivre_bon_conducteur_thermique application_de la conduction à la cuisson des

aliments

On place une tige métallique dans une flamme :La flamme permet d’augmenter la température d’une extrémité de la tige. Il y a transfert thermique de l’extrémité chaude vers l’extrémité froide de la tige métallique.Les particules du métal chauffé (ions, e-), possédant une énergie cinétique microscopique plus grande que celles de la partie froide, communiquent de proche en proche, à ces dernières une partie de leur énergie.Ce mode de transfert thermique est appelé conduction thermique et s’effectue sans transport de matière.

3.2)Transfert par convection :On fait brûler une bougieL’air au-dessus de la flamme est chauffé ; il s’élève et provoque une circulation d’air. Ce phénomène de convection joue un rôle très important dans le mouvement des masses d’air dans l’atmosphère (vents) et d’eau dans les océans (courants marins).

Le transfert thermique par convection s’effectue avec transport de matière.

4)Transfert d'énergie par rayonnement4.1)Principe

Le Soleil, grâce aux réactions thermonucléaires en son centre, brille. Il envoie de la lumière qui dégage une grande quantité d’énergie et qui chauffe la Terre. Ce transfert d’énergie qui s’effectue même dans le vide est appelé rayonnement.Le rayonnement est constitué d’ondes électromagnétiques. Ce sont surtout les IR qui produisent l’échauffement des corps qui les reçoivent.

A retenir :Le transfert d'énergie par ondes électromagnétiques est appelé transfert par rayonnement. Ce transfert est noté WR

4.2)Exemple : l'effet de serreSi la terre est pouvue d'une température moyenne de +15° c'est grâce à son atmosphère et au rayonnement solaire.

4.3)Exemple d'applicationAfin d'évaluer les performances énergétique d'un logement on peut utiliser une caméra thermique qui permet de visualiser les parties du logement qui emettent un rayonnement infrarouge.

5)Conclusion :• À tout système physique, on peut associer différentes formes d’énergie : Ec, Epp, U.

L’ensemble de ces formes d’énergie constitue l’énergie d’un système. La variation de l’énergie du système est déterminée par les transferts énergétiques (transferts thermiques, par rayonnement, travail…) entre le système et son environnement.

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• Si un système n’est engagé dans aucun transfert énergétique, on dit qu’il est isolé d’un point de vue énergétique. Son énergie ne varie pas : C’est le principe de conservation de l’énergie.