Énergie, Travail et Lois de la Thermodynamique
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L'Énergie et ses Propriétés
L'énergie est la grandeur physique par laquelle les systèmes ont la capacité de produire des changements sur eux-mêmes ou sur d'autres corps. Elle est mesurée en joules (J). Les propriétés de l'énergie sont essentielles à notre civilisation : l'énergie peut être transformée d'une forme à une autre, peut être transférée d'un système à un autre et reste constante. Toutefois, à chaque transformation, elle devient moins capable d'effectuer d'autres transformations, c'est-à-dire qu'elle se dégrade.
Le Travail Mécanique
En physique, une force effectue un travail lorsque son point d'application se déplace dans une direction non perpendiculaire. Le travail mécanique (W) d'une force constante sur un corps peut être exprimé comme le produit scalaire de la force par le déplacement. Il est mesuré en joules (N·m).
Types de travail
- Travail moteur : Si l'angle a une valeur comprise entre 0º et 90º, le travail est positif et est appelé moteur car il favorise le mouvement du corps et augmente son énergie.
- Travail nul : Si la force est perpendiculaire au déplacement, elle ne travaille pas.
- Travail résistant : Si l'angle a une valeur comprise entre 90º et 180º, le travail est négatif et est appelé résistant parce qu'il s'oppose au mouvement du corps et se fait aux dépens de l'énergie du corps. C'est le cas du travail des forces de frottement.
Lorsque plusieurs forces agissent sur un corps, la somme de tous les travaux accomplis par elles est égale au travail effectué par la force résultante.
Puissance et Énergie Cinétique
La puissance est le travail effectué par un système par unité de temps. Elle mesure la vitesse à laquelle se produit un transfert d'énergie. Son unité est le watt (W), ce qui équivaut à 1 J/s. Un cheval-vapeur est égal à 735,5 W (1 HP = 735,5 W).
Une force est conservatrice lorsque le travail effectué ne dépend que des positions initiale et finale de son point d'application. L'énergie cinétique est la capacité d'un corps à produire un travail en vertu de son mouvement.
Théorème de l'énergie cinétique
« Le travail total réalisé sur un corps passant de la position 1 à la position 2 est égal à la variation de son énergie cinétique. »
Énergies Potentielle et Mécanique
Il suffit de disposer de l'énergie potentielle gravitationnelle d'un corps afin d'effectuer un travail. L'énergie potentielle gravitationnelle est la capacité de produire un travail d'un corps en raison de sa position par rapport à la surface de la Terre. Le principe de conservation de l'énergie mécanique énonce : « Si les seules forces agissant sur un corps sont des forces conservatrices, l'énergie mécanique du corps reste constante. »
Thermodynamique et Énergie Interne
La température d'un corps est une mesure de l'énergie cinétique moyenne des particules qui le forment. L'énergie thermique est transférée entre deux corps en raison de leur différence de température. La thermodynamique est la branche de la physique qui étudie les échanges d'énergie se produisant entre un système et son environnement.
Nous appelons énergie interne d'un système l'énergie totale de ses particules constitutives, c'est-à-dire la somme des énergies cinétiques (translation, vibration, rotation, etc.) de toutes les particules.
Première loi de la thermodynamique
La variation d'énergie interne d'un système est égale à la somme des échanges de chaleur avec l'environnement et du travail effectué par ou sur le système.