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

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

Electrostatique 1) Généralités Charge électrique = quantité d’électricité = « collection de charges électriques élémentaires d’un signe donné » Charges de même signes se repoussent Charges de signes contraires s’attirent Unités: -SI: le coulomb (un électron: e- = -1,6.10-19C) - Hors SI: le faraday: 1F = N x e- = 96500C

2) Conductivité et électrisation Conductivité: aptitude d’un matériau à laisser circuler les charges électriques. Meilleurs conducteurs: métaux, solutions d’électrolytes… Mauvais conducteurs=Isolants : plastique, bois, verre… Electrisation: on dit qu’un corps s’électrise quand il emmagasine de l’électricité statique (charges immobiles). Les charges ont alors tendance à se répartir sur tout l’objet. Tout corps peut être électrisé

3) Champs Electriques Toute charge Q produit dans l’espace un champ électrique E. Lorsqu’une charge ponctuelle q’ placée en un point de l’espace est soumise à une force on dit qu’il 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.

4)Loi de Coulomb Si deux charges ponctuelles q et q’ séparées d’une distance r, alors chaque charge exerce sur l’autre 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 = 9.109 dans le SI  =constante diélectrique du milieu(vaut 1 dans le vide, 80 dans l’eau) 

5) Champs Electrique créé en un point P par une charge ponctuelle q Soit une charge q’ placée en P, on a Puisque F = q’E 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.

6) Potentiel Electrique A chaque champ électrique, on associe un champs de potentiels. A chaque point M, on associe son potentiel VM 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.

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 (c’est une relation algébrique) Le potentiel électrique dû à plusieurs charges ponctuelles est la somme algébrique des potentiels dus à chacune des charges.

QCM Dans le vide, le potentiel crée en un point P situé à 8 nm d’un électron (on donne K=9.109 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 -22 500 000 V.m-1 e) crée un champs électrique de valeur -281 250 V.m-1 f) Toutes les propositions précédentes sont fausses

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 d’une particule: Ec = Ect + Ecr + Ecv Au niveau macroscopique, l’agitation thermique correspond à la notion de chaleur. La moyenne des Ec est proportionnelle à la température T du milieu.

2) Echelles de températures Intérêt: Evaluer l’intensité 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 d’ébullition de la glace sous 1 atm: 100°C L’intervalle entre ces 2 points est divisé en 100 parties égales de 1°C b) Kelvin (°K) Il y a un simple décalage d’échelle 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)

3) Chaleur a) changement de température d’un corps La quantité de chaleur Q à apporter pour changer la température d’un corps dépend: -de la nature du corps et de son état -de sa masse m (en kg) -de l’élévation 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° d’un corps Il faut 1 calorie pour qu’1g d’eau s’élève de 1°K. La chaleur massique de l’eau est supérieure à celles des autres liquides.

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. matériau conduction métaux bonne eau (corps humain) intermédiaire bois, liège, carton, gaz mauvaise

Exemple d’un barreau homogène: On suppose que la chaleur se propage de A (plus chaud)vers B sans perte d’énergie 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 substance σ cuivre 400 eau 0,6 graisse 0,1 air sec 0,025

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

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: Corps idéal dont l’absorption et l’émission électromagnétique ne dépendent que de la température et sont supposées maximales Qualité du rayonnement thermique: Un corps noir émet toute une gamme de longueurs d’ondes On calcule λm (longueur d’onde où l’énergie émise est maximale)avec la loi de déplacement de Wien λm=K/T avec K=3.10-3 m.K Aux températures courantes λm est dans l’infrarouge. Si la température s’élève, le rayonnement devient visible (ex: soleil)

Pa=K’ST04 Pe-Pa=K’S(T4-T04) Loi de Stefan Boltzmann: Pour un corps noir de surface S et de température T la puissance du rayonnement thermique émise est: Pe=K’ST4 avec K’= 5,67.10-8 en SI puissance absorbée venant de l’environnement à température T0: Pa=K’ST04 Puissance nette rayonnée par le corps noir : Pe-Pa=K’S(T4-T04)

C)Forces d’Attractions 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 l’espace, on a: Moment d’un dipôle: C’est un vecteur M D’origine 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 C’est une synthèse des caractéristiques du dipôle

2) Forces d’attractions 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 r7 On distingue trois types de dipôles: Permanent: molécules « polaires » (ex: H2O, molécules organiques) Induits: molécules peu dipolaires quand isolées. Instantanés: molécules non dipolaires quand isolées.

D)Etats de la matière 1) Généralités a) Etat solide: - masse volumique ρ élevée (en g/cm3) - 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 d’un gaz varie beaucoup avec T - Les particules de gaz tendent à occuper tout le volume offert *Atmosphère terrestre: 21% O2 : 79% N2 La pression et la masse volumique de l’air diminue quand on s’élève en altitude. Sur les 5 premiers km, on perd 10% de pression par km. A 10km d’altitude, il reste environ 25% de la pression au niveau de la mer.

2) Changements d’états de la matière Ils peuvent être provoqués ou spontanés et dépendent de la température et de la pression.

3) Changements d’états provoqués a) Température de changement d’état: Pendant un changement d’état, 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 d’état: Une fois à la température du changement d’état, on a besoin d’un apport (ou retrait) supplémentaire de chaleur ΔQ. ΔQ=L.m Avec m la masse du corps et L la chaleur latente de changement d’état

QCM A P=1 atm , calculer ∆Q (cal) à apporter à 1 kg de glace à -15°C pour obtenir 1 kg d’eau à 0°C. On donne : -la chaleur massique de la glace c = 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) 80008 cal c) 87500 cal d) 1700 cal e) 80000 cal f) Toutes les propositions précédentes sont fausses

3) Changement spontané: l’évaporation Quel que soit leur température, les liquides ont tendance à passer progressivement à l’état gazeux: c’est l’évaporation. Ainsi il existe toujours des particules d’énergie cinétique suffisante pour s’échapper du liquide. Cette perte des particules provoque une baisse de l’énergie cinétique moyenne , donc baisse de la température T du liquide. La chaleur latente de vaporisation se prélève progressivement pendant l’évaporation. (ex: pour l’eau à 20 °C : 591 cal/g) Pression de vapeur d’un liquide: Dans un gaz en contact avec le liquide (air) la part de pression due à la vapeur de liquide s’appelle la pression partielle de vapeur Pv. Il existe une valeur maximale de Pv notée f appelée pression de vapeur saturante du liquide. Quand Pv=f, on a plus d’évaporation. On a autant de molécules qui sortent et rentrent dans le liquide. Pour l’eau:- f à 100°C: 760 mmHg (=1atm) - f à 37°C: 47 mmHg - f à 20°C: 17,5 mmHg

Vitesse d’évaporation: Avec: dm la masse de liquide évaporée S la surface d’évaporation Pv la pression de vapeur à la surface du liquide f la pression de vapeur saturante La convection de l’air (vent) favorise le renouvellement de l’air, et donc garde Pv au minimum. L’évaporation est plus rapide.