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Stage de Pré-Rentrée 2011 Electrostatique, Agitation Thermique et Etats de la Matière Séance préparée par Laurent RICHAUD (TSN)

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1 Stage de Pré-Rentrée 2011 Electrostatique, Agitation Thermique et Etats de la Matière Séance préparée par Laurent RICHAUD (TSN)

2 Sommaire A) Electrostatique B) Agitation Thermique C) Force intermoléculaires D) Etats de la Matière

3 A)Electrostatique 1) Généralités Charge électrique = quantité délectricité = « collection de charges électriques élémentaires dun signe donné » Charges de même signes se repoussent Charges de signes contraires sattirent Unités: -SI: le coulomb (un électron: e - = -1, C) - Hors SI: le faraday: 1F = N x e - = 96500C

4 2) Conductivité et électrisation Conductivité: aptitude dun matériau à laisser circuler les charges électriques. Meilleurs conducteurs: métaux, solutions délectrolytes… Mauvais conducteurs=Isolants : plastique, bois, verre… Electrisation: on dit quun corps sélectrise quand il emmagasine de lélectricité statique (charges immobiles). Les charges ont alors tendance à se répartir sur tout lobjet. Tout corps peut être électrisé

5 3) Champs Electriques Toute charge Q produit dans lespace un champ électrique E. Lorsquune charge ponctuelle q placée en un point de lespace est soumise à une force on dit quil existe un champ électrique E qui en ce point est tel que : Une charge q positive se déplace spontanément dans le sens du vecteur E.

6 4)Loi de Coulomb Si deux charges ponctuelles q et q séparées dune distance r, alors chaque charge exerce sur lautre une force. Ces deux forces F et F sont égales en intensités, dirigées le long de la droite qui relie les 2 charges, et de sens opposés K = dans le SI =constante diélectrique du milieu(vaut 1 dans le vide, 80 dans leau)

7 5) Champs Electrique créé en un point P par une charge ponctuelle q Soit une charge q placée en P, on a Puisque F = qE on déduit alors la valeur du champ E au point P: Rq: le champ électrique résultant dû à plusieurs charges ponctuelles est la somme vectorielle des champs dus à chacune des charges.

8 6) Potentiel Electrique A chaque champ électrique, on associe un champs de potentiels. A chaque point M, on associe son potentiel V M qui se détermine en volt (V). (1V = 1 J.C -1 ) Par convention si E>0 et si le sens positif est le sens de E on définit dV par: (avec dr étant un petit déplacement dans la direction de E) On dit que le champs électrique dérive du potentiel électrique Puisque E> 0, si dr > 0 alors dV < 0: le potentiel diminue quand on suit le sens du champ Une charge positive ponctuelle se déplace spontanément dans le sens de E, elle se déplace donc spontanément dans le sens des potentiels décroissants.

9 7) Potentiel électrique créé en un point P par une charge ponctuelle q Le potentiel a le même signe que la charge qui le crée (cest une relation algébrique) Le potentiel électrique dû à plusieurs charges ponctuelles est la somme algébrique des potentiels dus à chacune des charges.

10 QCM Dans le vide, le potentiel crée en un point P situé à 8 nm dun électron (on donne K= SI): a) est égal à 0,18 V b) est égal à -0,18 V c) est égal à -2,25 mV d) crée un champs électrique de valeur V.m -1 e) crée un champs électrique de valeur V.m -1 f) Toutes les propositions précédentes sont fausses

11 B) Agitation Thermique 1) Définition Agitation thermique = mouvements incessants et aléatoires des particules Ces mouvements se divisent en 3 catégories: translation, rotation et vibration. Energie Cinétique dune particule: E c = E ct + E cr + E cv Au niveau macroscopique, lagitation thermique correspond à la notion de chaleur. La moyenne des E c est proportionnelle à la température T du milieu.

12 2) Echelles de températures Intérêt: Evaluer lintensité de la chaleur Une échelle de température se définit avec 2 points fixes a) Celsius ou centésimale (°C) Les 2 points fixes sont: -La température de fusion de la glace sous 1 atm : 0°C -La température débullition de la glace sous 1 atm: 100°C Lintervalle entre ces 2 points est divisé en 100 parties égales de 1°C b) Kelvin (°K) Il y a un simple décalage déchelle avec la Celsius. Si T est en °K et θ en °C: T=θ+273 0°K correspond au zéro absolu (absence totale de chaleur)

13 3) Chaleur a) changement de température dun corps La quantité de chaleur Q à apporter pour changer la température dun corps dépend: -de la nature du corps et de son état -de sa masse m (en kg) -de lélévation de température ΔT (en °K) Q = c. m. ΔT (c=capacité calorifique massique du corps, en J.kg -1.K -1 ) Plus c est grande, plus il est difficile de faire varier la T° dun corps Il faut 1 calorie pour qu1g deau sélève de 1°K. La chaleur massique de leau est supérieure à celles des autres liquides.

14 b) Propagation de la chaleur Il existe 3 modes de propagations: conduction, convection et rayonnement α) conduction La chaleur se propage au sein de la matière par des chocs interparticulaires. Pour quantifier cela, on calcule le flux thermique φ qui correspond à la quantité de chaleur ΔQ qui traverse une surface S dans le matériau pendant un temps Δt. matériauconduction métauxbonne eau (corps humain)intermédiaire bois, liège, carton, gazmauvaise

15 Exemple dun barreau homogène: On suppose que la chaleur se propage de A (plus chaud)vers B sans perte dénergie dans le milieu extérieur. σ est la conductivité thermique, qui dépend du matériau et de la température Quelques exemples à 37 °C en W.m -1.K -1 substanceσ cuivre400 eau0,6 graisse0,1 air sec0,025

16 β) convection Transport de chaleur par un fluide en déplacement. Elle peut être : -naturelle: ex: air chaud qui sélève… -forcée: mouvement provoqué par une pompe (ex: le sang)

17 γ) Rayonnement Tout corps à T>0°K émet un rayonnement électromagnétique (REM), appelé rayonnement thermique. Absorbé par les corps environnants, il se transforme en chaleur. Tous les corps sont à la fois émetteurs et récepteurs. Corps Noirs: C orps idéal dont labsorption et lémission électromagnétique ne dépendent que de la température et sont supposées maximales Qualité du rayonnement thermique: Un corps noir émet toute une gamme de longueurs dondes On calcule λ m (longueur donde où lénergie émise est maximale)avec la loi de déplacement de Wien λ m =K/Tavec K= m.K Aux températures courantes λ m est dans linfrarouge. Si la température sélève, le rayonnement devient visible (ex: soleil)

18 Loi de Stefan Boltzmann: Pour un corps noir de surface S et de température T la puissance du rayonnement thermique émise est: P e =KST 4 avec K= 5, en SI puissance absorbée venant de lenvironnement à température T 0 : P a =KST 0 4 Puissance nette rayonnée par le corps noir : P e -P a =KS(T 4 -T 0 4 )

19 C)Forces dAttractions Interparticulaires 1)Notion de Dipôle Définitions: Dipôle électrique: Deux charges électriques ponctuelles de signes contraires (-q et +q) et de même valeur absolue séparées par une distance d. Si on veut connaître le potentiel crée en un point P de lespace, on a: Moment dun dipôle: Cest un vecteur M –Dorigine le milieu O du dipôle –Dirigé le long de la droite reliant +q et –q –De sens de –q vers +q –De module M=qd Cest une synthèse des caractéristiques du dipôle

20 2) Forces dattractions entre molécules Caractère dipolaire des molécules On peut toujours assimiler une molécule à un dipôle Les forces résultant de cela sont appelées forces de Van Der Waals Ces forces sont inversement proportionnelles à r 7 On distingue trois types de dipôles : Permanent: molécules « polaires » (ex: H 2 O, molécules organiques) Induits: molécules peu dipolaires quand isolées. Instantanés: molécules non dipolaires quand isolées.

21 D)Etats de la matière 1) Généralités a) Etat solide: - masse volumique ρ élevée (en g/cm 3 ) - incompressibles - volume V varie peu avec leur température T - forme propre (ce qui les caractérise b) Etat liquide: - ρ est relativement élevée - incompressibilité. - V varie peu avec T (plus que pour les solides) - pas de forme propre. c) Etat gazeux: - ρ faible - compressibilité - V dun gaz varie beaucoup avec T - Les particules de gaz tendent à occuper tout le volume offert *Atmosphère terrestre: 21% O 2 : 79% N 2 La pression et la masse volumique de lair diminue quand on sélève en altitude. Sur les 5 premiers km, on perd 10% de pression par km. A 10km daltitude, il reste environ 25% de la pression au niveau de la mer.

22 2) Changements détats de la matière Ils peuvent être provoqués ou spontanés et dépendent de la température et de la pression.

23 3) Changements détats provoqués a) Température de changement détat: Pendant un changement détat, la température reste constante. Elle dépend du corps considéré, du type de changement (mais indépendante du sens), et de la pression ambiante. b) Chaleur de changement détat: Une fois à la température du changement détat, on a besoin dun apport (ou retrait) supplémentaire de chaleur ΔQ. ΔQ=L.m Avec m la masse du corps et L la chaleur latente de changement détat

24 QCM A P=1 atm, calculer Q (cal) à apporter à 1 kg de glace à -15°C pour obtenir 1 kg deau à 0°C. On donne : -la chaleur massique de la glacec = 0,5 cal.g -1.°C -1 -la chaleur latente de fusion à 0°C L fusion glace = 80 cal/g a) 7580 cal b) cal c) cal d) 1700 cal e) cal f) Toutes les propositions précédentes sont fausses

25 3) Changement spontané: lévaporation Quel que soit leur température, les liquides ont tendance à passer progressivement à létat gazeux: cest lévaporation. Ainsi il existe toujours des particules dénergie cinétique suffisante pour séchapper du liquide. Cette perte des particules provoque une baisse de lénergie cinétique moyenne, donc baisse de la température T du liquide. La chaleur latente de vaporisation se prélève progressivement pendant lévaporation. (ex: pour leau à 20 °C : 591 cal/g) Pression de vapeur dun liquide: Dans un gaz en contact avec le liquide (air) la part de pression due à la vapeur de liquide sappelle la pression partielle de vapeur P v. Il existe une valeur maximale de P v notée f appelée pression de vapeur saturante du liquide. Quand P v =f, on a plus dévaporation. On a autant de molécules qui sortent et rentrent dans le liquide. Pour leau:- f à 100°C: 760 mmHg (=1atm) - f à 37°C: 47 mmHg - f à 20°C: 17,5 mmHg

26 Vitesse dévaporation: Avec: dm la masse de liquide évaporée S la surface dévaporation P v la pression de vapeur à la surface du liquide f la pression de vapeur saturante La convection de lair (vent) favorise le renouvellement de lair, et donc garde P v au minimum. Lévaporation est plus rapide.


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