Notes d'études secondaires Sciences et technologie 316 L'énergie Nom: Prénom: Groupe: Date:
1 L énergie L énergie est la capacité d accomplir un travail ou de provoquer un changement. Son unité de mesure est le joule. Le joule est défini comme l'énergie nécessaire pour déplacer 100g de matière sur une distance de 1 m (sur la Terre). 2 Les formes d énergie Solaire Élastique Électrique Thermique Rayonnante Chimique Mécanique Éolienne Sonore Hydraulique Nucléaire Forme d'énergie Exemple Soleil Ressort Appareil électrique Feu (chaleur) Calorifère Cellule vivante Véhicule en mouvement Vent Son Chute d'eau Bombe atomique 2.1 L énergie thermique Énergie thermique: - C'est l'énergie résultant du mouvement désordonné des particules d une substance. - La température mesure le degré d agitation thermique des atomes et des molécules. Plus l agitation des particules est grande, plus l énergie thermique est grande L énergie thermique que possède un objet dépend de : 1) la température de l objet : Plus la température est élevée, plus l agitation des particules est grande. En effet, un verre d eau à la température ambiante possède plus d énergie qu un verre d eau glacée. 2
2) La quantité de substance (le nombre de particules) contenue dans l objet : plus la quantité de particules est grande, plus l énergie thermique est grande. Par exemple, une carafe d eau possède plus d énergie thermique qu un verre d eau. 2.2 L énergie rayonnante -L'énergie rayonnante est l énergie transportée par les ondes électromagnétiques. L énergie rayonnante dépend de : - la longueur d onde des rayons : plus la longueur d onde est courte, plus l énergie transportée est grande. La longueur d onde est la distance minimale entre deux points semblables. L ensemble des ondes électromagnétiques de différentes longueurs d ondes forme le spectre électromagnétique. Exemple : les rayons X sont plus puissants que les rayons visibles. - la quantité de rayonnements (le nombre de rayons émis par une source) : plus la quantité de rayons est grande, plus l énergie rayonnante est grande. Exemple : une ampoule de 100 W brille plus qu une autre de 40 W. 3
Les rayons électromagnétiques sont d autant plus pénétrants que leur énergie est grande (longueur d onde courte). Exemples d utilisation. 2.3 L énergie chimique L énergie chimique est l énergie emmagasinée dans les liaisons d une molécule. Pour libérer l énergie des liaisons chimiques, il faut les briser et les reformer autrement (produire une réaction chimique). L énergie chimique est une énergie potentielle, de réserve. L énergie chimique dépend de : - la force de la liaison : plus la liaison est forte, plus son énergie est grande. Ceci ne dépend que des types d'atomes reliés entres eux. Exemple : Briser des molécules de méthane (CH 4 ), donne plus d énergie que briser des molécules de tétrachlorure de carbone (CCl 4 ) (par combustion, environ 55 200 J/g pour le méthane et 1 015 J/g pour le tétrachlorure de carbone); - la quantité de liaisons (le nombre de liaisons) : plus le nombre de liaisons qu on peut briser est grand, plus l énergie que l on peut obtenir est grande. Exemple : On obtient 36 000 J/g par la combustion d un gramme d acide oléique (C 18 H 34 O 2 ) et 6 000 J/g par la combustion d un gramme de glucose (C 6 H 12 O 6 ). Exemples d utilisation : La combustion de l essence fait tourner un moteur; la respiration cellulaire permet aux vivants d utiliser l énergie emmagasinée dans la molécule de glucose. 2.4 L énergie mécanique L énergie mécanique est l énergie due au mouvement d un objet et à sa position par rapport aux objets environnants. L énergie mécanique dépend de trois facteurs : la vitesse, la masse et la position de l objet par rapport aux objets environnants. La partie de l énergie mécanique qui dépend de la vitesse et de la masse de l objet s appelle énergie cinétique. Exemple : camion, auto. 4
L autre partie qui dépend de la position de l objet par rapport aux autres ainsi que de sa masse s appelle énergie potentielle. Exemple : parmi deux objets de même masse qui se trouvent à des hauteurs différentes, celui qui est placé plus haut possède une énergie potentielle plus grande. En effet, lorsqu ils tombent, l objet situé plus haut produit une déformation plus importante du sol. Cependant, aussi longtemps que l objet (ne se déplace pas), cette énergie potentielle n est pas mise en évidence. Elle est une énergie de réserve. 3 Les transformations et les transferts d énergie Une transformation d énergie est le passage de l énergie d une forme à l autre. Exemple : lors de la combustion, l énergie chimique emmagasinée dans les molécules du combustible se transforme en énergie thermique (énergie d agitation thermique des particules) et, éventuellement, en énergie rayonnante (lumière). Un transfert d énergie est le passage de l énergie d un milieu à un autre. Exemple : lors de la combustion, l énergie thermique passe du combustible au milieu environnant. En effet, près du feu, l air est plus chaud et l on se réchauffe. La chaleur est un phénomène (un mode) de transfert d énergie thermique entre deux milieux de températures différentes. L énergie thermique passe toujours du milieu plus chaud au milieu plus froid, donc d un milieu ayant la température plus élevée au milieu ayant la température plus basse. Les transformations et les transferts d énergie permettent d accomplir différents changements physiques et chimiques. 4 Les changements physiques Un changement physique ne modifie ni la nature et donc ni les propriétés caractéristiques de la matière. Seuls la forme et l aspect de la matière change. Exemples : les changements de phase, les dissolutions, les déformations, etc. 5
4.1 Les changements de phase Un changement de phase est le passage d un état (ou d une phase) de la matière à un autre. N.B. La vaporisation englobe à la fois l évaporation et l ébullition : L évaporation est la vaporisation qui se produit à la surface libre d un liquide, à toute température. Par exemple, l eau s évapore à partir de 0 0 C! L ébullition est la vaporisation qui se produit à l intérieur même du liquide, à une température donnée et sous une pression donnée. Le modèle corpusculaire permet de comprendre pourquoi un changement de phase ne modifie pas les propriétés caractéristiques d une substance : seules les forces d attraction entre les particules diffèrent d une phase à l autre. Les particules elles-mêmes ne changent pas. Donc, on a la même substance, avec les mêmes propriétés caractéristiques. Le rôle de l énergie : Une augmentation de l énergie thermique d une substance fait augmenter l agitation thermique de ses particules, donc des distances qui les séparent. Cela entraîne une diminution des forces d attraction entre ses particules. La substance subit une fusion, une vaporisation ou une sublimation. Une diminution de l énergie thermique d une substance fait diminuer l agitation thermique et les distances entre ses particules, entraînant ainsi l augmentation des forces d attraction. La substance subit une solidification ou une condensation liquide ou solide. Les changements de phase demandent peu d énergie (des centaines de joules par gramme) et sont réversibles. 6
Les températures auxquelles se produisent les changements de phases sont des propriétés caractéristiques pour les substances pures. Par exemple, à la pression normale, l eau distillée bout toujours à 100 C. Par contre, lorsqu il s agit d eau salée, un mélange d eau et de sel, la température d ébullition varie avec le taux de sel. 4.2 Les dissolutions Une dissolution est la mise en solution d un soluté dans un solvant. Les propriétés caractéristiques de chaque substance ne changent pas. Les molécules du soluté se détachent les unes des autres et se dispersent uniformément dans le solvant. Seules les forces d attraction entre les molécules changent. Le rôle de l énergie : L on constate, par expérience, qu une dissolution peu impliquer une absorption OU un dégagement d énergie thermique. La température de la solution (à la fin de la dissolution) montre la direction du transfert d énergie : Une augmentation de la température de la solution montre que la dissolution se produit sans apport externe d énergie. De l énergie thermique est libérée vers l extérieur lors de la dissolution. Exemple : les sacs chauffants. Une diminution de la température de la solution montre que la dissolution a besoin d énergie thermique pour se produire. De l énergie thermique est absorbée pour que la dissolution se produise. Exemples : bonbons à menthe, gommes rafraîchissantes, etc. N.B.: L énergie thermique absorbée lors de la dissolution ne sert pas à augmenter la température de la solution, mais à permettre aux deux substances de se mélanger (à favoriser le glissement des particules du soluté dans les espaces libres qui existent entre les particules du solvant). Autres exemples : Hydroxyde de potassium solide è Hydroxyde de potassium en solution + énergie (KOH (s) ) (sa température augmente) Chlorure d ammonium solide+ énergie è Chlorure d ammonium en solution (NH 4 CL (s) ) (sa température diminue) Sans expérience de labo on ne peut savoir si la réaction donne ou prend l'énergie. 7
4.3 Les déformations Une déformation est le changement de forme d un corps. Une déformation peut être réversible (ressort) ou permanente (déformations par l exposition du plastique à des températures élevées). Le rôle de l énergie : Une déformation se produit toujours suite à un transfert d énergie, suivi souvent par une ou plusieurs transformations d énergie. Exemple : le trampoline. 5 Les changements chimiques Un changement chimique modifie la nature et les propriétés caractéristiques de la matière. Il entraîne la formation de nouvelles substances. Exemples : les synthèses, les décompositions, les oxydations, les précipitations. Lors d un changement chimique, une ou plusieurs substances (les réactifs) réagissent pour en former de nouvelles (les produits). Lors de toute réaction chimique, la loi de la conservation de la matière continue de s appliquer : le nombre d atomes demeure constant. Ils se réarrangent, en formant de nouvelles substances. H 2 + Cl 2 2 HCl + énergie Par exemple, au cours de cette réaction (changement chimique), la liaison du dihydrogène et celle du dichlore se sont brisées et les liaisons des molécules de chlorure d hydrogène se sont formées. 8
En 1789, Lavoisier a énoncé cette loi ainsi : «Rien ne perd, rien ne se crée, tout se transforme». Indices d un changement chimique : - dégagement d un gaz (effervescence) - détonation - dégagement de chaleur - changement de couleur - dégagement de lumière - formation d un précipité 5.1 Les synthèses La synthèse est la formation d une molécule complexe à partir d atomes ou de molécules plus simples. La synthèse absorbe ou dégage de l énergie. Les synthèses chez les vivants (protéines, lipides, glucides, ADN) absorbent toujours de l énergie. Exemples de synthèse : - 2 H 2 + O 2 è 2 H 2 O + énergie - N 2 + 2 O 2 + énergie è 2 NO 2 - photosynthèse performée par les plantes : 6 CO 2 + 6 H 2 O + énergie è C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 dioxyde de carbone + eau + énergie è glucose + dioxygène - Synthèse du glycogène à partir du glucose (dans les organismes des consommateurs) : 9
5.2 Les décompositions La décomposition est la transformation des molécules complexes en molécules plus simples ou en atomes. Une décomposition absorbe ou dégage de l énergie. La quantité d énergie associée à une décomposition est la même que celle qui est nécessaire à sa synthèse. Mais, si la synthèse d une molécule absorbe de l énergie, sa décomposition en dégagera et vice versa. Exemples de décomposition - L électrolyse de l eau demande de l énergie : 2 H 2 O + énergie électrique è 2 H 2 + O 2 - La décomposition du glycogène en glucose se fait avec libération d énergie. Chez les vivants, les décompositions entraînent toujours une libération d énergie. 5.3 Les oxydations L oxydation est une réaction chimique avec l oxygène ou avec une substance ayant des propriétés semblables à celles de l oxygène (comme le soufre, le chlore, le fluor). Exemples d oxydation - Corrosion des métaux (fer, argent, cuivre) : 4 Fe + 3 O 2 è 2 Fe 2 O 3 + énergie - Oxydation des aliments (le goût et la couleur sont modifiés) - Combustions (avec un dégagement important d énergie) : le feu - La respiration cellulaire (le glucose réagit avec le dioxygène en produisant de l énergie par une combustion lente, contrôlée). C est la réaction inverse de la photosynthèse : 6 CO 2 + 6 H 2 O + énergie è C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 dioxyde de carbone + eau + énergie è glucose + dioxygène Les oxydations sont généralement accompagnées d un dégagement d énergie. 10
5.4 Les précipitations La précipitation est la formation d une substance solide peu ou pas soluble, nommée précipité, lors de la réaction de deux solutions. Exemples de précipitation - Le «caillage du lait» pour fabriquer le fromage - L eau de chaux se brouille en présence de dioxyde de carbone (réaction d identification de ce gaz) Les réactions de précipitation impliquent très peu d énergie. On les utilise dans certains procédés de purification, avant une décantation / filtration. 11