De quoi s’agit-il ?

Molécules (2) – Glucose

Un air de famille

Glucose et polymères

Xanthogenate_Cellulose_Structural_Formula_V1.svg

Xanthogénate de cellulose

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

viscose

Le glucose a été isolé en 1747 à partir du raisin par le chimiste allemand Andreas Marggraf. En 1812, Constantin Kirchhoff parvient à transformer l’amidon en sucre (en sirop de maïs), par chauffage avec de l’acide sulfurique. En 1838, un comité de l’Académie des sciences composé des chimistes et physiciens français Thénard, Gay-Lussac, Biot et Dumas, décide d’appeler le sucre se trouvant dans le raisin, dans l’amidon, et dans le miel du nom de glucose, en fournissant comme étymologie le grec τὸ γλεῦκος / gleukos, vin doux. Émile Littré ayant donné une autre étymologie, l’adjectif γλυκύς / glukus (« de saveur douce »), la racine habituelle est devenue glyc–(l’upsilon grec donnant un y), comme dans glycémie et glycogène.Le rôle important du glucose dans la biochimie de la plupart des êtres vivants a fait que la compréhension de sa structure et de sa formation dans les cellules s’est accompagnée de grandes avancées en chimie organique. On doit l’essentiel de ces résultats au chimiste allemand Emil Fischer, qui obtint le prix Nobel de chimie en 1902 « en reconnaissance des services extraordinaires qu’il a rendus par son travail sur la synthèse des sucres et des purines ». La synthèse du glucose permit de comprendre la structure des substances organiques et constitua la première validation définitive des théories du chimiste néerlandais Jacobus Henricus van’t Hoff relatives à la cinétique chimique et à l’arrangement des liaisons chimiques dans les composés organiques. Fischer établit la configuration stéréochimique de tous les sucres entre les années 1891 et 1894, et prédit correctement tous les isomères possibles en appliquant les théories de van’t Hoff des atomes de carbone asymétriques.

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

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Emil Fischer (1852-1919)

 

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Jacobus van’t Hoff(1852-1911)

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Tous les documents  nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier molecules (2)).

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Le glucose et ses isomères donnent lieu à une grande diversité de polymères très répandus dans les organismes vivants. Ainsi la cellulose constitue près de la moitié de la biomasse terrestre. La chitine, constituant des carapaces des crustacés et cuticules des insectes, est le deuxième bio-polymère le plus abondant dans la nature après la cellulose ; elle est constituée de dérivés du glucose, notamment la D-glucosamine et la N-acétyl-D-glucosamine.

On a pu également synthétiser des polymères dérivés de la cellulose tels que la nitrocellulose ou le xanthogénate de cellulose (viscose).

Le travail proposé ici est en deux parties.

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Partie 1 : Glucose ; il s’agit de comparer différents isomères du D-glucose.

Document de travail : [1 comparer.pdf].

 

comparer

 

Documents d’accompagnement : [glucose.pdf], [projections.pdf].

 

gluc

projection

 

 

Partie 2 : Polymères ; on explore « les airs de famille » de différents polymères…

Document de travail : [2 air de famille.pdf].

 

Documents d’accompagnement : 10 exemples de polymères.

 

acetol ; agar-agar ; alginate ; amidon ; cellulose ;

chitine ; gomme ; keratane ; pectine ; viscose

 

famille

cell

chiti

gomm

pectin

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Tous les documents  nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier molecules (2)).

docs1
docs2
docs3
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Molécules (1) – Isoméries

exemple

L’isomérie a été remarquée la première fois en 1827, quand Friedrich Wöhler a préparé l’acide isocyanique (H-N=C=O) et a noté que, bien que sa composition élémentaire soit la même que celle de l’acide fulminique (H-CNO, préparé par Justus von Liebig l’année précédente), les propriétés chimiques de ces substances sont radicalement différentes. Cette découverte était en contraste avec les théories de l’époque  dans le cadre desquelles l’on pensait que les propriétés d’une substance étaient entièrement déterminées par sa formule brute.Le terme « isomère » (ou plus exactement « corps isomériques ») a été proposé par le chimiste suédois Jöns Jacob Berzelius en 1830.

https://fr.wikipedia.org/wiki/Isom%C3%A9rie

220px-Jöns_Jacob_Berzelius               250px-Friedrich_Wöhler_Litho

Jöns Jacob Berzelius                                                Friedrich Wöhler

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Tous les documents  nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier molecules (1)).

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Le travail proposé aborde les différents types d’isoméries à partir d’un exemple de molécule : l’acide 2-méthylpent-3-énoique.

Documents de travail : [isomeres.pdf].

 

isomeres

 

Documents d’accompagnement :

[isomeries.pdf], [representations.pdf], [carbone asymetrique.pdf].

 

isomeries

representations

carbone

 

Animations disponibles :

[cram.swf], [chiralite.swf], [conformation.swf], [molecules.swf].

 

cram2

conformation

molecules

chiralite

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Consigne 1 individuel(30 min)

Utilisation du document [isomeres.pdf].

 

Consigne 2 en groupe(30 min)

Mise en commun et réalisation d’une affiche présentant les résultats.

Présentation des affiches avec animation tableau pour les mises au point.

 

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Tous les documents  nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier molecules (1)).

docs

anim

documents

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Numérisation (2) – Vidéo

Blue-Ray

pressage-cd-dvd-bluray-par-2000
https://www.rapidopub.fr/gravure-de-cd-dvd-bluray/3035-pressage-cd-dvd-bluray-par-2000.html

 

Le travail proposé ici porte sur le calcul du volume d’un fichier vidéo et son stockage sur Blue-Ray.

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Tous les documents  nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier numerisation (2)).

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Document général : [0 blue-ray]

 

Document de travail : [fichier video.pdf] et corrigé [corrige.pdf].

video

Document complémentaire : [compression.pdf].

compression

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Consignes 1 individuel (20 min)

Utilisation du document de travail : il s’agit d’extraire et exploiter les données utiles pour calculer les volumes des fichiers vidéo et audio et de comparer à la capacité du Blue-Ray. On traite également la question du débit.

Consignes 2 en groupe (15 min)

Mise en commun des résultats.

Animation tableau pour la collecte des résultats et la mise au point.

Lecture du document concernant la compression et discussion.

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Tous les documents  nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier numerisation (2)).

docs

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Numérisation (1) – Signal

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  sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier numerisation (1)).

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Document général : [0 numérisation.pdf]

 

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

numerisation

 

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

 

can

etapes

decimal binaire

cerveau

pptx

 

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

 

swf

 

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  sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier numerisation (1)).

docs

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Energie (8) – Infrarouges


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 d’ondes électromagnétiques, 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.

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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 :

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 !

LiaisonLongueur d’onde (nm)
C – H3375 – 3510
O – H2740 – 2780

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.

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Document de travail :

Documents complémentaires éventuels (diapos) :

On pourra également consulter :

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

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Document de travail :

Documents à exploiter :

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

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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 : [1-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]. 

Cette image a un attribut alt vide ; le nom du fichier est 1-energie.png

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

 

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Les documents  sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier pliages).

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Document général : [0 pliages.pdf]

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’echec.pptx]

 

pliage3

pliage4

pliage5


 

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

 

 

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Les documents  sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier pliages).

docs

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Energie (5) – Neutrino

L’invention du neutrino.

beta

Désintégration  beta- : 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 : [probleme.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 + me – mBi) 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], [thermodynamique.pdf], [rendements.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

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