Chaleur, pression, son, lumière et électricité

Particules, états de la matière et masse volumique

Avant d'expliquer l'échauffement, il est utile de choisir une description de la matière. Dans le modèle microscopique, les substances sont constituées de particules, comme les atomes et les molécules, qui interagissent. Dans un solide, les particules peuvent vibrer autour de positions relativement stables ; cela ne signifie pas qu'elles sont absolument immobiles. Dans un liquide, elles peuvent se réorganiser tout en restant suffisamment proches pour un volume approximativement défini. Dans un gaz dilué, les séparations sont plus grandes et la matière occupe le volume accessible.

Ces descriptions expliquent des tendances et ne remplacent pas toutes les propriétés des matériaux réels. Un liquide peut changer de volume avec la température et la pression, bien qu'il soit beaucoup moins compressible qu'un gaz dans les conditions courantes. Les états et les changements d'état dépendent des conditions. La température d'ébullition, par exemple, n'est pas indépendante de la pression.

La masse volumique vaut ρ = m/V, avec l'unité SI kg/m³. Ce n'est ni la masse d'une seule particule ni une mesure de « poids par taille » sans référence définie. Un échantillon homogène de masse 0,40 kg et de volume 0,00050 m³ a une masse volumique de 800 kg/m³. Si une quantité fixe de matière se dilate, le volume augmente sans augmentation proportionnelle de masse et la masse volumique diminue.

Pendant un changement d'état, l'énergie transférée peut modifier l'organisation et les interactions microscopiques sans augmenter la température, dans les conditions appropriées. C'est pourquoi nous devons distinguer l'énergie interne, la température et la chaleur avant d'interpréter un échauffement.

La température ne mesure pas la quantité totale d'énergie

La température décrit l'état thermique d'un système et permet de prévoir le sens d'un transfert spontané d'énergie par contact : du corps de température supérieure vers celui de température inférieure. Deux corps en équilibre thermique ont la même température et ne présentent pas de transfert net d'énergie dû à une différence de température.

Un thermomètre doit interagir avec le corps assez longtemps pour s'approcher de l'équilibre. La sensation de la main n'est pas une mesure fiable : du métal et du bois à la même température peuvent sembler différents parce qu'ils transfèrent l'énergie de la main à des rythmes différents. La lecture dépend aussi de l'endroit où nous plaçons le thermomètre et de sa réponse.

La température thermodynamique se mesure en kelvins, K. La relation avec les degrés Celsius est T(K) = θ(°C) + 273,15. Une différence de 1 °C a la même taille qu'une différence de 1 K. Pourtant, 20 °C n'est pas le double de la température absolue de 10 °C. Zéro kelvin est l'origine de l'échelle absolue ; il ne correspond pas à 0 °C.

Chaleur, échauffement et changement d'état

L'énergie interne est l'énergie associée aux mouvements et aux interactions microscopiques des particules d'un système. La chaleur est l'énergie en cours de transfert à cause d'une différence de température. Un corps ne « contient pas de chaleur » comme une substance stockée : il possède une énergie interne, qui peut aussi changer lorsqu'un travail est exercé sur lui.

Sans changement d'état et sur un intervalle où la capacité thermique massique est approximativement constante, Q = mcΔT. Q est l'énergie transférée en J, m la masse en kg, c la capacité thermique massique en J/(kg·K) et ΔT la variation de température en K. Plus la masse ou la capacité thermique massique est grande, plus il faut d'énergie pour obtenir la même variation de température, dans les conditions indiquées.

Pendant le changement d'état d'une substance pure en équilibre à pression constante, de l'énergie peut être transférée sans changement de température. On utilise Q = mL, où L est l'énergie par masse pour cette transformation, en J/kg. Lors de la fusion de la glace, l'énergie modifie l'organisation et les interactions microscopiques ; elle n'augmente pas nécessairement l'agitation moyenne. Une courbe de chauffage peut donc présenter des paliers.

Trois mécanismes de transfert thermique

Dans la conduction, l'énergie est transférée par des interactions microscopiques, sans transport macroscopique de matière. Une extrémité d'une cuillère métallique chauffe lorsque l'autre touche de l'eau chaude. Les matériaux diffèrent par leur facilité à conduire l'énergie ; l'épaisseur, l'aire et la différence de température influencent aussi le rythme du transfert.

Dans la convection, le mouvement même d'un fluide transporte l'énergie. Une région chauffée peut se dilater, devenir moins dense et monter sous l'effet de la gravité, mais la configuration dépend de la géométrie et des conditions. Les ventilateurs et les pompes peuvent aussi forcer la circulation. Ce n'est pas la « chaleur » qui a une tendance universelle à monter : c'est la matière qui se déplace.

Dans le rayonnement, l'énergie se propage par ondes électromagnétiques et peut traverser le vide. L'énergie solaire atteint la Terre par ce mécanisme. Un corps émet et absorbe du rayonnement, et le bilan dépend de sa température et des propriétés de sa surface. Dans un même processus, les trois mécanismes peuvent se produire simultanément ; l'objectif est de reconnaître celui qui domine dans le modèle choisi.

Une force répartie sur une surface

La pression moyenne vaut p = F_⊥/A : force perpendiculaire à la surface divisée par l'aire. Elle se mesure en pascals, Pa = N/m². La même force répartie sur une aire plus grande produit une pression moyenne plus faible. Cela explique pourquoi une sangle large peut être plus confortable qu'une étroite, sans modifier le poids transporté.

Dans un liquide au repos de masse volumique approximativement constante, la pression augmente avec la profondeur : p = p_surface + ρgh. Ici, ρ est la masse volumique en kg/m³, g ≈ 9,8 m/s² dans ce cours et h la profondeur verticale en m. La pression supplémentaire vient du poids du liquide au-dessus ; elle dépend de la profondeur, et pas seulement de la quantité totale dans le récipient.

La pression absolue est mesurée par rapport au vide ; la pression relative est la différence avec la pression atmosphérique locale. Si la surface est exposée à l'air, ρgh donne la pression relative, tandis que l'absolue inclut p_atm. La pression dans un fluide au repos agit dans toutes les directions en un point ; ce n'est pas une flèche unique pointant seulement vers le bas.

Son : une perturbation qui nécessite un milieu

Une source sonore fait vibrer un milieu et produit des variations de pression qui se propagent. Dans l'air, les régions de compression et de raréfaction se déplacent tandis que les particules oscillent autour de leurs positions moyennes. L'onde transporte de l'énergie ; l'air n'a pas besoin de voyager de la source à l'auditeur. Sans milieu matériel, le son ne se propage pas.

La période T est la durée d'une oscillation et se mesure en s. La fréquence f est le nombre d'oscillations par seconde et se mesure en hertz, Hz = s⁻¹ ; f = 1/T. La longueur d'onde λ est la distance entre des régions équivalentes consécutives et se mesure en m. La vitesse de propagation obéit à v = λf : sur une période, la perturbation avance d'une longueur d'onde.

Une fréquence plus élevée correspond généralement à un son plus aigu ; une amplitude plus grande est associée à une intensité plus forte, dans le même milieu et les mêmes conditions. Ne confonds pas la hauteur musicale et le volume sonore. La vitesse du son dépend du milieu et de ses conditions, comme la température. La réflexion peut produire un écho ; le temps mesuré inclut l'aller à l'obstacle et le retour.

Lumière, réflexion et réfraction

La lumière est une onde électromagnétique et se propage dans le vide, contrairement au son. Dans le vide, sa vitesse vaut environ c = 3,00 × 10⁸ m/s. Pour étudier les miroirs et les trajets à l'échelle d'objets grands devant la longueur d'onde, nous pouvons utiliser des rayons : des lignes représentant la direction de propagation.

Lors de la réflexion, l'angle d'incidence égale l'angle de réflexion. Les deux se mesurent par rapport à la normale, une droite perpendiculaire à la surface au point d'incidence. Une surface rugueuse peut disperser les rayons dans plusieurs directions parce que les normales locales varient, bien que la loi reste valable localement.

Lors de la réfraction, la lumière change de vitesse en passant entre des milieux. Elle peut aussi changer de direction lorsqu'elle arrive obliquement. L'indice de réfraction vaut n = c/v et est sans unité. En entrant dans un milieu d'indice supérieur, un rayon oblique se rapproche de la normale ; en sortant, il s'en éloigne. À incidence normale, la vitesse peut changer sans que la direction change. La couleur ne doit pas être expliquée seulement par une « lumière plus forte ».

Charge, courant, tension et résistance

La charge électrique se mesure en coulombs, C. Le courant moyen vaut I = Δq/Δt, en ampères, A = C/s : quantité de charge traversant une section par durée. Le courant conventionnel a le sens dans lequel se déplaceraient des charges positives. Dans les métaux, les électrons se déplacent en sens opposé. Le courant n'est pas la vitesse de ces électrons.

La différence de potentiel, ou tension, indique l'énergie transférée par unité de charge : U = E/q, en volts, V = J/C. Une source maintient une différence de potentiel par conversion d'énergie, par exemple chimique dans une pile. Dans un circuit fermé, les charges déjà présentes dans les conducteurs peuvent se déplacer de manière organisée ; elles ne sont ni créées ni consommées dans la lampe.

Pour une résistance ohmique à température approximativement constante, U = RI. La résistance R se mesure en ohms, Ω = V/A. Une lampe dont le filament chauffe peut ne pas conserver une résistance constante. Dans un circuit simple en série sans dérivations, le courant est le même en tout point ; c'est l'énergie par charge qui est transformée dans les composants. Travaille avec des schémas et des modèles à basse tension appropriés ; ce cours ne fournit pas d'instructions de montage sur le réseau électrique.

Relier les idées sans mélanger les modèles

La puissance électrique transférée à un composant vaut P = UI, en W. Sur un intervalle à puissance constante, E = PΔt, en J. Dans une résistance, ce transfert peut augmenter l'énergie interne, puis produire des transferts thermiques vers l'environnement. L'électricité ne devient pas une substance appelée chaleur : l'énergie change de forme et traverse des frontières.

Une unité lève beaucoup d'ambiguïtés : J pour l'énergie ; W pour la puissance ; K pour la température absolue ; Pa pour la pression ; Hz pour la fréquence ; A pour le courant. Deux expressions peuvent utiliser la même lettre pour des grandeurs différentes ; précise donc toujours sa signification. Le T de la période, par exemple, n'est pas automatiquement le T de la température.

Pour étudier un phénomène, identifie d'abord la question, le système et l'échelle. Si la question porte sur le temps d'un écho, utilise la propagation et le trajet ; sur l'échauffement de l'eau, utilise le transfert d'énergie et les propriétés thermiques ; sur le courant dans une résistance, utilise les relations du circuit. Les liens deviennent utiles lorsque les différences restent aussi claires.

Exemples résolus, sans sauter d'étapes

Suis d'abord le raisonnement. Cache ensuite la résolution et essaie de la reconstruire avec tes propres mots.

À toi d'essayer maintenant

Il n'y a pas de chronomètre. Écris ce que tu sais, choisis une relation et justifie chaque étape. Les indices et les corrigés sont disponibles lorsque tu en as besoin.

Les erreurs à éviter

Un corps contient une quantité de chaleur.

La chaleur désigne l'énergie en transfert à cause d'une différence de température ; le corps possède une énergie interne.

La pression dans un liquide dépend seulement de la masse totale.

Dans le modèle hydrostatique, elle dépend de la profondeur, de la masse volumique, de la gravité et de la pression en surface.

Le son transporte tout l'air de la source à l'oreille.

La perturbation et l'énergie se propagent tandis que le milieu oscille localement.

Les angles de réflexion se mesurent avec la surface.

La convention de la loi utilise la normale.

La lampe consomme du courant.

Les charges circulent ; la lampe transforme l'énergie électrique.