Numérisation

matrix-code-animation-gif-free-animated-background-716

http://www.textures4photoshop.com/tex/abstract/matrix-code-animation-gif-free-animated-background.aspx

Il s’agit simplement d’un petit exercice de numérisation, à la main… On aborde les notions de signal analogique, échantillonné et quantifié. Selon les paramètres d’échantillonnage, fréquence et quantification binaire (profondeur de bits) on observe les volumes de fichiers numériques obtenus.

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Tous les documents  nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier numerisation).

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Le document de travail est : [numériser.pdf].

numerisation

Documents d’accompagnement : [can.pdf] ; [decimal binaire numerisation.pptx].

Une animation d’Andrien Willm : [echantillonnage.swf].

 

can

etapes

decimal binaire

cerveau

Ainsi que le corrigé : [corrige.pdf].

 

corrige

 

Le travail proposé est individuel, suivi d’une mise en commun en groupe puis d’une animation tableau et le corrigé pour les mises au point.

 

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Tous les documents  nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier numerisation).

docs

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Energie (8) – Infrarouges

Feu de bois et cristaux photoniques.

feu

https://youtu.be/ZW6NmUsok2c

calorifiques

Le rayonnement infrarouge est perceptible par l’exposition de la peau à la chaleur émise par une source chaude dans le noir, mais le rapport avec le spectre visible n’est pas évident. William Herschel, un astronome anglais d’origine allemande, le montra en 1800 au moyen d’une expérience très simple :

il plaça un thermomètre à mercure dans les rayons lumineux colorés issus d’un prisme de verre afin de mesurer la chaleur propre à chaque couleur. Le thermomètre indique que la chaleur reçue est la plus forte du côté rouge du spectre, y compris au-delà de la zone de lumière visible, là où il n’y a plus de lumière. Cette expérience montrait pour la première fois que la chaleur pouvait se transmettre par un rayonnement de même nature que la lumière visible. L’écossais John Leslie proposa le cube de Leslie, un dispositif destiné à calculer la valeur d’émissivité thermique de chaque matériau selon sa nature et sa géométrie. Le terme infra-rouge ou infrarouge est attesté en 1867 ; il vient d’abord souvent en qualificatif de rayonnement obscur ou de spectre lumineux. En 1877 William de Wiveleslie Abney parvient à photographier le spectre infrarouge du soleil, ce qui lui permet d’étudier le spectre solaire et ses raies hors du domaine visible.

https://fr.wikipedia.org/wiki/Infrarouge

 

Dans un thermos, du vide sépare la paroi interne de la paroi externe et isole ainsi thermiquement le liquide, chaud ou froid, de l’extérieur. Mais Wah Tung Lau et ses collègues, à l’Université Stanford aux États-Unis, montrent que l’on peut obtenir une isolation thermique meilleure qu’avec du vide. Comment ? En utilisant des « cristaux photoniques » formés de multicouches. La chaleur se propage selon trois modes possibles : par diffusion de proche en proche de l’agitation moléculaire, par convection (déplacements macroscopiques de matière) ou par rayonnement, dans l’infrarouge principalement. Pour un thermos, il n’y a pas de pertes de chaleur par convection, mais sa double paroi permet de réduire fortement la diffusion de la chaleur. Cependant, cette double paroi n’empêche pas les échanges de chaleur par rayonnement. Pour bloquer le rayonnement infrarouge, W. T. Lau et ses collègues ont envisagé déjà en 2008 l’emploi d’un empilement de couches de silicium séparées par du vide. Une telle structure constitue un cristal photonique qui, par le jeu des réflexions, diffractions et interférences lumineuses, ne laisse passer que certaines longueurs d’onde et pas d’autres. 

MauriceMashaal. 2009.

https://www.pourlascience.fr/sd/physique/un-isolant-thermique-meilleur-que-le-vide-10410.php

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On sait que les transferts d’énergie thermique s’effectuent par conduction (transmission d’énergie cinétique par chocs moléculaires) ainsi que par convection dans les fluides (mise en mouvement par différences de densité). C’est le cas pour le feu de cheminée. Mais on oublie souvent que ce qui nous « chauffe » principalement c’est le rayonnement infrarouge émis par les braises et les flammes très chaudes.

Ainsi, selon la loi de Wien, une braise à la température de 800 °C (1073 Kelvin) produit un ensemble de rayonnements électromagnétiques dont l’amplitude maximum correspond à la longueur d’onde donnée par l’expression suivante :

wien

spectre 800K

Spectre d’émission à 800 °C

Ceci correspond justement au domaine des infrarouges susceptibles d’être absorbés par les liaisons atomiques des molécules qui constituent notre peau. Ainsi les liaisons C-H et O-H (présentes dans l’eau et les molécules organiques) absorbent respectivement dans les domaines de longueur d’onde de 3375 – 3510 et de 2740 – 2780 nm. L’absorption de ces photons produit une augmentation de l’énergie de vibration des liaisons concernées et dons à l’accroissement de l’énergie thermique de la matière absorbante : ça chauffe !

On sait que les rayonnements électromagnétiques, tels que les infrarouges, se propagent dans le vide. Ce dernier n’est donc pas un « isolant thermique ». L’utilisation des cristaux photoniques, s’ils sont adaptés à la réflexion des infrarouges, s’avère prometteuse pour l’isolation thermique.

Les travaux proposés ici permettent d’aborder ces différentes questions.

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Tous les documents  nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier énergie (8)).

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Partie 1. Feu de bois.

Document de travail : [spectres IR.pdf].

emission absorption

mode_transfert_thermique_conduction_convection_rayonnement

Documents complémentaires éventuels (diapos) :[ondes electromagnetiques.pptx] ; [IR.pptx] ; [quantification molecule.pptx]. 

oem

domaines

On pourra également consulter :

 http://www.cea.fr/multimedia/Pages/videos/culture-scientifique/physique-chimie/decouverte-infrarouges.aspx

herschel

A l’issu du travail de groupe la présentation des affiches, avec animation tableau permet la discussion et les mises au point.

Conversions : énergie « chimique » (énergies potentielles d’interactions électriques au niveau atomique) → énergie thermique (énergie cinétique de atomes et molécules)  photons infrarouges et autres (produits par des transitions de niveaux d’énergie moléculaires)  absorption des photons et transition de niveaux de vibration de liaisons des molécules de la peau  énergie thermique (ça « chauffe »).

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Partie 2. Miroir de Bragg et cristaux photoniques.

Document de travail :[miroir de Bragg.pdf].

miroir bragg

Documents à exploiter :[onde.pdf] ; [réflexion transmission.pdf] ;
[interférences.pdf] ;
[isolant.pdf]; [cristaux photoniques.pdf].

onde_gif

onde

reflexion transmission

interferences

cristaux1

cristaux2

isolant

Comme pour la partie 1, à l’issu du travail de groupe la présentation des affiches, avec animation tableaupermet la discussion et les mises au point.

La propagation dans chaque lame introduit un déphasage de – 2π : en effet – 2πx/λ = – 2πe/λ – 2πe/(λ0/n) = – 2πen/λ0 = – 2π/4 = – π/2  puisque le système est tel que : e . n = e. n= e2 . n2 = λ0/4

La transmission par un dioptre n’introduit pas de déphasage, de même que la réflexion sur un dioptre tel que n2 < n1. Par contre la réflexion sur un dioptre tel que n2 > n1 introduit un déphasage supplémentaire de -π (voir R1, R3 et R5 comparés à Ret R4).

corrige

Tous les rayons réfléchis ressortent en phase avec le rayon incident ; il y a donc interférence constructive. L’énergie transportée par les photons est donc (presque) totalement restituée au milieu pour la bande de longueur d’onde autour de λ0 (résultats de l’étude complète).

Le cristal photonique, miroir de Bragg amélioré est donc un meilleur isolant que le vide : en effet les infrarouges peuvent se propager dans le vide, alors qu’ils sont presque totalement réfléchis par le cristal photonique.

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Tous les documents  nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier énergie (8)).

docs1

docs2

docs3

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Energie (7) – Thermique

Transferts thermiques

thermographie_maisonhttp://www.thethermograpiclibrary.org/images/6/6c/Thermographie_maison.jpg

L’isolation thermique est à l’ordre du jour ! Le travail proposé ici concerne un choix de construction utilisant les lois théoriques des transferts thermiques.

 


Tous les documents  nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier énergie (7)).


 On pourra également utiliser d’autres travaux proposés sur ce même site : Atomisme (2); Atomisme (3) ; Energie (2); De phlogistique en calorique.


 

Le document de travail est [1-etude.pdf].

etude

Les documents d’accompagnement : [transfert.pdf], [brique.pdf].

 

lois

lois2

brique

Après le travail de groupe la présentation des affiches permet la mise au point sous forme d’animation tableau et la discussion.

 

Un corrigé est également disponible : [corrige.pdf].

corrige

 


Tous les documents  nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier énergie (7)).

docs1


 

Energie (6) – I.T.E.R.

International
Thermonuclear Experimental Reactor.

tkmandplant_2016_72dpi
https://www.iter.org/doc/all/content/com/gallery/media/7%20-%20technical/tkmandplant_2016_72dpi.jpg

ITER_Logo_NoonYellow.svg
Un projet international discret à 20 milliards d’Euros.

Alors que les questions d’énergie et de transition écologique sont au cœur des débats politiques, un projet est mis en œuvre discrètement à l’échelle internationale : réaliser un prototype de centrale à FUSION thermonucléaire (soit dit en passant c’est cette même fusion thermonucléaire qui est à l’œuvre dans les bombes H).

Il s’agit d’essayer de maîtriser la fusion nucléaire de deux isotopes de l’Hydrogène, le Deutérium et le Tritium, selon la réaction nucléaire :

fusionreaction

Deutérium + Tritium      Hélium + neutron

La perspective est alléchante puisque la fusion d’un kilogramme de Deutérium avec la quantité nécessaire de Tritium dégagerait une énergie équivalente à celle de 20 000 tep (tonnes équivalent pétrole). La différence d’échelle s’explique par le fait que la fusion nucléaire met en œuvre la force nucléaire forte, alors que la combustion du pétrole concerne la force électrique, beaucoup plus faible, impliquée dans les réactions chimiques (interactions entre atomes).

La construction du prototype a lieu en France à Cadarache.

DCIM101MEDIADJI_0322.JPG

Prévisions : 

2014-2021 : construction du tokamak (réacteur à fusion) ;

2025 – 2035 : expériences de fusion.

 

De nombreuses difficultés sont à surmonter : maîtrise des réactions de fusion, particulièrement d’une réaction auto-entretenue et risques d’instabilité ; production de tritium (inexistant à l’état naturel et radioactif à demi-vie courte) ;  invention de matériaux capables de résister aux flux de neutrons pour les enceintes de confinement, etc.

Les critiques sont évidemment multiples : critiques scientifiques diverses sur la faisabilité ; détérioration rapide de la chambre de confinement ; remplacements réguliers ; quantité importante probable de matériaux radioactifs ; investissement considérable, aux dépends d’autres axes de recherche pour la maîtrise de l’énergie ou les énergies renouvelables, etc.

 


 

L’objectif du travail proposé est tout d’abord de vérifier par le calcul les valeurs d’énergie envisagées (20 00 tep pour 1 kg de Deutérium ?).

On vérifiera également qu’ITER n’est pas réellement une copie du fonctionnement du Soleil la puissance volumique au cœur du soleil est de l’ordre de 17 Watt par m3 (60 000 pour ITER et même 3000 pour un cycliste moyen !!!).

On trouvera également sur ce même site : Relativité (3) E = ???, Genius les commentaires sur la relation d’Einstein masse-énergie.

 


Tous les documents  nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier énergie (6)).


 

Partie 1

Document de travail : [fusion.pdf]

Documents complémentaires: animation[fusion.swf] ; diapo [aston.pptx].

fusion

A l’issu du travail de groupe les résultats sont mis en commun par animation tableau.

Un diaporama [corrige1.pptx] permet les mises au point et la synthèse.

corrige1

Un document complémentaire disponible pour la synthèse : diaporama [ITER.pptx].

iter

iter2


 

Partie 2

ITER n’est pas du Soleil en boîte… Il s’agit de comparer les mécanismes nucléaires du Soleil et d’ITER. Document de travail : [1-energies.pdf] puis [2-puissances.pdf]

 

enrgie soleil

puissances

Comme précédemment, à l’issu du travail de groupe les résultats sont mis en commun par animation tableau.

Le [corrige2.pptx] permet les mises au point et la synthèse.

energies

corrige2

L’étonnement survient avec la comparaison des puissances volumiques ou massiques. Celles du Soleil sont (comme indiqué plus haut) beaucoup plus faibles que celle d’ITER, et même que celle du cycliste !!!

L’hypothèse convenable est d’ordre cinétique puisque on résonne en terme de puissance et donc par unité de temps. La cinétique de la première étape solaire (la fusion de deux protons avec conversion d’un proton en neutron) est très lente. En effet, sur l’ensemble des rencontres protons – protons par unité de temps, la probabilité de la réalisation de cette première étape est très faible. Mais évidemment la masse considérable concernée contrebalance ce problème !

 

On pourra utiliser le document complémentaire : [temps caracteristiques.pdf].

 

pp-chain

On pourra également visionner la vidéo [iter et soleil.mp4: il s’agit d’un extrait de la conférence d’Etienne Klein(Conférence Cyclope – CEA Saclay – 2012) : «  De quoi
l’énergie est-elle le nom ? 
».

 


Tous les documents  nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier énergie (6)).

docs1

docs2

docs3


Pliages

Pliages et étonnements.

2015-03-04_193801

http://uia-echecs.blogspot.com/2015/03/histoire.html


Tous les documents  nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier pliages).


On distribue le document suivant (en laissant suffisamment de place pour l’écriture dans le tableau).

pliage1


consigne 1 individuel (10 min)

 

Lire l’énoncé du problème et compléter le tableau (sans forcément résoudre le problème).

 

Animation tableau (10 min) : mise en commun en grand groupe.

 

pliage2


consigne 2 en groupe (30 min)

 

Il faut résoudre le problème (chaque groupe reçoit une feuille de papier).

Les résultats seront présentés sous forme d’affiche.

 

Présentation des affiches avec animation tableau et discussion (15
min).

 

Mise au point : [pliage et jeu d’échec.pptx]

pliage3

 

pliage4


Consigne 3 individuel (10 min)

 

Par écrit.

 

1. Analyser le fonctionnement du groupe et ce qui s’est passé pour vous dans la phase précédente (travail en groupe).

2. Qu’avez-vous appris ? Qu’est-ce qui vous a éventuellement surpris ?

 

Discussion à partir des écrits précédents.

 

 

Commentaires : le travail proposé comporte un part importante accordé à la métacognition, l’analyse des processus personnels et collectifs d’élaboration.

Par exemple, la pratique de ce dispositif pédagogique montre, qu’assez souvent, les participants n’utilisent pas la feuille de papier distribuée au groupe pour expérimenter le pliage et tester les hypothèses de calcul…

 

Liens :

https://fr.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9tacognition

http://www.cahiers-pedagogiques.com/Metacognition-et-reussite-des-eleves

http://metacog.free.fr/metacognition.php

http://www.ac-grenoble.fr/ais74/IMG/doc_MEMOIRE_doc.doc

 

 


Tous les documents  nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier pliages).

docs


 

Energie (5) – Neutrino

L’invention du neutrino.

beta

Désintégration b : un neutron se transforme en proton. Un quark down devient up avec production d’un boson W qui se désintègre
en électron + antineutrino électronique.


Amoureux des situations compliquées, friands d’énigmes tenaces qui désespèrent ses collègues, il [Wolfgang Pauli] en vient à se passionner pour l’épineux problème que constitue l’un des trois types de radioactivité, celle dite « bêta » : lorsqu’un noyau contient trop de neutrons pour être stable, il se transforme en un autre noyau en émettant un électron. Au cours de l’année 1930, cette transformation nucléaire semble encore très mystérieuse : les mesures indiquent que l’énergie de l’électron n’est pas chaque fois la même ; elle peut prendre une valeur quelconque, tantôt grande, tantôt petite, alors qu’on s’attendait à une valeur précise, toujours la même, qui corresponde justement à la différence d’énergie entre le noyau initial et le noyau final. Ces résultats semblent donc violer la loi de conservation de l’énergie, qui dans une telle situation, indique que l’énergie de l’électron doit être parfaitement déterminée. Pour sauver cette loi essentielle de la physique (que Niels Bohr était prêt à réduire à une loi valable seulement de façon statique dans le monde microscopique, c’est à dire non vraie pour chaque événement particulier mais seulement en moyenne), Wolfgang Pauli […] fait une hypothèse audacieuse : contrairement aux apparences, le noyau ne se désintègre pas en deux corps mais en trois. Une troisième particule, pense-t-il, est émise simultanément, qui emporte l’énergie manquante.

Etienne Klein.Il était sept fois la révolution, Albert Einstein et les autres. 2005.

Le Nobel 2015 de physique met à l’honneur les neutrinos, à travers les deux lauréats, le
Canadien Arthur McDonald, directeur de l’observatoire de Sudbury dans l’Ontario (Canada) et le Japonais TakaakiKajita directeur de l’observatoire de Super-Kamiokande, au Japon. A travers de nombreuses expériences menées conjointement, ils ont mis en évidence le fait que ces particules élémentaires sont dotées d’une très faible masse. Un résultat qui bouleverse notre vision du Cosmos, car même si cette masse est très faible, le nombre de neutrinos est si élevé qu’il faut tenir compte de ces particules dans le bilan de masse de l’Univers. En effet, rien que dans notre environnement, des millions de millions de neutrinos (ou milliers de milliard, soit 1012) traversent chaque seconde notre corps, sans heurter le moindre noyau de nos atomes, tout se passe comme si à leur échelle nous semblions surtout formés de vide. A cause de cette très faible interaction avec la matière, le neutrino est très difficile à attraper : sur 10 milliards de neutrinos de moyenne énergie qui traversent la Terre, un seul va interagir avec les atomes constituant la planète. C’est pourquoi les observatoires de neutrinos ressemblent donc à d’immenses réservoirs isolés sous terre ou sous l’eau pour éviter le bruit de fond généré par les rayons cosmiques. Les deux
observatoires de Sudbury et de super Kamiokande sont
d’ailleurs installés dans des mines sous des montagnes.

https://www.sciencesetavenir.fr/fondamental/le-nobel-de-physique-couronne-les-neutrinos_23318

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Standard_Model_of_Elementary_Particles-fr.svg (2)

Le modèle standard : quarks, leptons et bosons. MissMJ via Wikimedia Commons

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Le travail proposé ici se rapporte à l’invention du neutrino par Wolfgang Pauli. Dans les années 1930 l’étude de la désintégration radioactive béta est confrontée à une énigme qui met en question une loi fondamentale de la physique : la conservation de l’énergie. Dans les années 1910 Lise Meitner, Otto Hahn, James Chadwick étudient cette désintégration radioactive et montrent que l’énergie cinétique de la particule béta (électron) émise n’a pas la valeur attendue. Elle prend en effet des valeurs variables entre zéro et la valeur attendue. Niels Bohr ira jusqu’à douter de la conservation de l’énergie au niveau microscopique… Pour résoudre le problème, Wolfgang Pauli formule en 1930 l’hypothèse de l’existence d’une seconde particule émise avec l’électron : le neutrino. Cette hypothèse sera appuyée par Enrico Fermi et le neutrino sera détecté expérimentalement par Fred Reines and Clyde Cowan, en 1956 seulement.

personnages

A consulter : https://fr.wikipedia.org/wiki/Neutrino

 

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Tous les documents  nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier énergie (5)).

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Document de travail comportant les consignes de travail : [neutrino.pdf].

neutrino

Documents exploités : [problème.pdf] ; [pauli.pdf].

probleme


Consigne 1 :

L’énergie libérée par la désintégration radioactive correspond à la perte de masse, selon l’équation d’Einstein : DE = Dm C2

DE = ( mPo + memBi) c2 = ( 209,936790 + 5,49.10-4 – 209,938584 ) x 931,5

= – 1,16 MeV


Consigne 2 :

La présentation des affiches avec une animation tableau permet la mise en commun des propositions et les ajustements nécessaires.

Cette énergie devrait correspondre à l’énergie cinétique de l’électron émis. Or on constate que, selon la désintégration, cette énergie cinétique peut prendre toutes les valeurs comprise entre 0 et 1,16 MeV alors qu’elle devrait être toujours la même.


Consigne 3 :

pauli

Animation tableau pour la mise au point des propositions.

Pauli émet l’hypothèse qu’une autre particule est émise en même temps que l’électron. L’énergie libérée par la réaction se partage alors entre l’énergie cinétique l’électron et celle de la nouvelle particule.

On pourra compléter éventuellement avec un magistral en situation sur la description du neutrino, l’interaction faible, le modèle standard…

On pourra également exploiter deux extraits vidéo de la conférence d’Etienne Klein(Conférence Cyclope – CEA Saclay – 2012) : «  De quoi l’énergie est-elle le nom ? ».

[neutrino.mp4] et [noether.mp4].

En 1915, Emmy Noether démontre (en simplifiant) que la conservation de l’énergie correspond à l’invariance des lois de la physique. Etienne Klein illustre le propos avec l’exemple de la gravitation : si la loi de la gravitation fluctuait on pourrait créer de l’énergie…

SH-EmmyNoether

Emmy Noether (1882 – 1935)


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Sans titre

Sans titre2


 

 

Energie (4) – Dégradable

Entropie et dégradation de l’énergie.

piston2-13fbcaa

Si l’on imagine que l’on ait formé d’une manière conséquente pour l’univers entier, en tenant compte de toutes les circonstances, la quantité que j’ai nommée entropie pour un corps particulier, ainsi que la quantité désignée sous le nom d’énergie […], on pourra exprimer très simplement, sous la forme suivante, les lois fondamentales de l’univers qui correspondent aux deux principes essentiels de la théorie mécanique de la chaleur : 1. L’énergie de l’univers est constante. 2. L’entropie de l’univers tend vers un maximum.

Rudolf Clausius.Théorie mécanique de la chaleur.1868.

 

La flèche du temps fait partie de notre expérience sensible et nous en faisons l’expérience chaque jour : les miroirs brisés ne se recollent pas, les êtres humains ne rajeunissent pas, et les cernes croissent sans cesse dans les troncs des arbres… En somme, le temps s’écoule toujours dans le même sens ! Pourtant, les lois fondamentales de la physique classique ne privilégient aucune direction du temps et obéissent à une rigoureuse symétrie entre passé et futur. […] Depuis Boltzmann, la physique statistique avance une […] explication : la flèche du temps traduit un flot constant des événements moins probables vers les événements plus probables.

Cédric Villani.(Ir)réversibilité et entropie. Séminaire Poincaré XV. Le Temps (2010).

 

L’entropie est l’élément essentiel introduit par la thermodynamique, la science des processus irréversibles, c’est-à-dire orientés dans le temps. Chacun sait ce qu’est un processus irréversible. On peut penser à la décomposition radioactive, ou à la friction, ou à la viscosité qui ralentit le mouvement d’un fluide. Tous ces processus ont une direction privilégiée dans le temps, en contraste avec les processus réversibles tels que le mouvement d’un pendule sans friction. (…) La nature nous présente à la fois des processus irréversibles et des processus réversibles, mais les premiers sont la règle et les seconds l’exception. Les processus macroscopiques, tels que réactions chimiques et phénomènes de transport, sont irréversibles. Le rayonnement solaire est le résultat de processus nucléaires irréversibles. Aucune description de l’écosphère ne serait possible sans les processus irréversibles innombrables qui s’y déroulent. Les processus réversibles, en revanche, correspondent toujours à des idéalisations : nous devons négliger la friction pour attribuer au pendule un comportement réversible, et cela ne vaut que comme une approximation.

Ilya Prigogine.La fin des certitudes.1996.

 

Plus l’entropie du système est élevée, moins ses éléments sont ordonnés, liés entre eux, capables de produire des effets mécaniques, et plus grande est la part de l’énergie inutilisable pour l’obtention d’un travail, c’est-à-dire libérée de façon cohérente.

Rudolf Clausius. Théorie mécanique de la chaleur.1868.

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L’énergie est un concept conservatif : on ne peut ni la créer ni la détruire mais seulement exploiter une forme d’énergie lors d’un processus jugé utile. Les termes usuels tels que « produire » ou « consommer » de l’énergie sont donc fondamentalement inexacts.

Les termes énergie « non renouvelable » ou « renouvelable » peuvent être questionnés. Dans tous les cas l’énergie exploitée ne disparaît pas ou ne se régénère pas. Ce qui peut être non renouvelable ou renouvelable c’est le processus d’exploitation de telle ou telle forme d’énergie. Par exemple la combustion des dérivés du pétrole n’est pas renouvelable car la source d’énergie concernée est épuisable, tout comme les « combustibles » nucléaires. L’énergie d’origine solaire, photovoltaïque ou éolienne, n’est pas renouvelable c’est-à-dire régénérée comme telle. C’est le processus d’exploitation qui est renouvelable (à notre échelle) dans la mesure où la Terre reçoit un flux d’énergie d’origine solaire sous forme de rayonnement.

La question fondamentale n’est donc pas celle de la « perte » de l’énergie mais sa « dégradation » : chaque processus d’exploitation conduit à une dispersion de l’énergie qui la rend plus difficilement exploitable. Par exemple tous les processus mécaniques s’accompagnent de frottements qui transforment partiellement de l’énergie ordonnée (mouvement d’un piston, oscillation d’un pendule…) en énergie thermique désordonnée.

Le second principe de la thermodynamique établit et généralise cette idée avec le concept d’entropie, comme mesure du « désordre » : globalement l’entropie augmente au cours de tous les processus naturels. On peut certes mettre de l’ordre localement, mais globalement le désordre augmente. Par exemple pour structurer un groupe social, l’organiser et le maintenir, on génère inévitablement du désordre dans l’environnement. L’écologie absolue est donc un leurre : on ne peut qu’essayer de limiter des dégâts !!!

On pourra utiliser également les chantiers de sciences intitulés « La flèche du temps » et « Atomisme (4) – Entropie », disponibles sur ce même site.

Le travail qui suit concerne principalement les machines thermiques et en particuliers les moteurs dithermes (moteur à essence par exemple).

Le document des consignes de travail est [energie et entropie.pdf].

Les documents exploités sont : [entropie.mp4], [entropie statistique.pdf], [thermodynamique.pdf], [rendement.pdf]

Un document complémentaire : [pertes.pdf]

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Tous les documents  nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier énergie (4)).

 

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Consigne 1 :

C1

« dégradation » des formes d’énergie ; discussion sur le vocabulaire (renouvelable…) comme évoqué plus haut.

Le concept d’entropie correspond à la mesure du « désordre » (nombre de configuration microscopiques possibles). 

Les processus naturels sont irréversibles et correspondent à l’accroissement global du désordre (énergie thermique désordonnée…)

stat

stat2


Consigne 2 :

C2

1. Moteur thermique (moteur à essence par exemple ou centrales thermiques ou nucléaire…) ; on utilise une source chaude (énergie thermique donc transfert de chaleur Q et on obtient un travail W qui donne de l’énergie cinétique).

2. On extrait de l’énergie thermique (transfert de chaleur Q1) d’une source froide grâce à un travail mécanique W : c’est le réfrigérateur (aliments…).

3. Même processus : c’est la pompe à chaleur.


Consigne 3 :

rendemens

thermo

C31

Ce moteur peut être modélisé, en simplifiant à l’extrême, de la façon suivante :

schema moteur

C33

D’après le document [thermodynamique.pdf] :

calculs

{\displaystyle
S_{\text{créée}}=\Delta S_{\text{sys}}+\Delta S_{\text{ext}}\geq 0}

Il y a bien création d’entropie donc accroissement du désordre global.

C’est comme dans le cas de la fusion de la glace ou de l’ébullition de l’eau ; en 10 ou 20 de secondes le moteur génère autant d’entropie que ces deux processus.

Il y a « dégradation » d’une partie de la forme d’énergie utilisée (ici l’énergie chimique contenu dans le mélange air essence, c’est à dire les énergies potentielles d’interactions atomiques) en énergie thermique désordonnée du fait des processus dissipatifs (frottements…).

On pourra compléter avec le document[pertes.pdf].

 

pertes


Tous les documents  nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier énergie (4)).

docs1

docs