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Travail et énergie interne

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Objectif : Une force peut avoir pour effet un déplacement, une modification de la trajectoire, mais aussi la déformation c'est–à–dire la variation des critères physiques et chimiques de la matière.
Ces critères tels que la température, la pression, l'agitation microscopique, etc., sont liés par le travail de la force qui a causé cette déformation ou ce changement, à l'énergie interne U de la matière du système considéré.

1. Lien entre la variation de l'énergie interne et le travail des forces agissant sur le système

a. Exemple de l'énergie reçue, sous forme de travail mécanique, par la neige lors d'une descente à ski

Entre les spatules des skis et la neige, existent des forces de frottement dont le travail peut provoquer une élévation de température (car l'agitation microscopique augmente) et même un changement d'état (car les liaisons intermoléculaires sont modifiées), de la glace solide à la glace liquide, ce qui facilite la glisse.

L'énergie thermique issue du travail des forces de frottement provient des pertes d'énergie mécanique au cours de la descente : il y a transfert d'énergie mécanique vers une augmentation de l'énergie interne de la glace.

b. Notion d'énergie interne

Lorsqu'un système reçoit de l'énergie par le travail d'une ou de plusieurs forces qui modifient ses paramètres physiques ou chimiques, il emmagasine cette énergie sous la forme d'énergie interne : A tout système dans un état donné, on peut associer une grandeur appelée énergie interne notée U.
L'énergie interne peut se présenter sous différentes formes :

Energie thermique.
Energie chimique.
Energie de changement d'état.
Energie élastique.

2. Transferts d'énergie

a. Energie mécanique transformée en énergie interne

Si on exerce une force F sur un piston, dans un récipient contenant un gaz, il y aura augmentation de la pression dans le cylindre et de la température : l'énergie interne du gaz augmente.

Il y a eu transfert d'énergie mécanique en énergie interne (sous forme d'énergie thermique).

b. Energie interne transformée en énergie mécanique

Le ressort comprimé du flipper peut communiquer une partie de son énergie interne au projectile et permettre à celui–ci d'acquérir une énergie cinétique.

Il y a eu transfert d'énergie interne (sous forme d'énergie élastique) en énergie mécanique.

De même l'énergie chimique utilisée lors de la combustion des gaz de carburants permet l'avancée du véhicule donc l'énergie interne du mélange carburant a été transformé en énergie mécanique.

L'essentiel

L'énergie interne U d'un système, dans un état donné, peut être modifiée par le travail d'une force :

Si le travail fourni est positif, alors le système recevra cette énergie et son énergie interne U augmentera.
Si le travail fourni est négatif, alors le système perdra cette énergie et son énergie interne U diminuera.
L'énergie interne possède plusieurs formes : thermique, chimique, élastique ou de changement d'état.

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