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Physique

Etude d'un système thermodynamique

Dans cette vidéo, on aborde le concept d'énergie échangée par un glaçon. Pour déterminer cette énergie et la commenter, on utilise la capacité calorifique massique de la glace (représentée par une grandeur particulière, C), qui correspond à l'énergie que peut emmagasiner le système (la glace dans ce cas). La capacité calorifique massique est représentée par un petit C lorsqu'elle est rapportée à l'unité de masse (kg-1) et par un grand C lorsqu'elle est rapportée à une variation de température (joules par kelvin). 

Pour calculer l'énergie échangée par le glaçon, on utilise une formule classique qui relie l'énergie à la masse, la capacité calorifique massique et la variation de température du système. Cette formule peut également être exprimée comme la capacité calorifique du système multipliée par la variation de température. Dans le cas de notre glaçon, l'énergie échangée est égale à la masse du glaçon multipliée par la capacité calorifique massique de la glace, multipliée par la différence entre la température finale et la température initiale. En appliquant cette formule avec les valeurs données, nous obtenons une énergie échangée de -3,3 x 10^2 joules.

Le signe négatif de cette énergie s'explique par le fait que le glaçon a cédé de l'énergie au système extérieur (le congélateur) en se refroidissant. En passant de -10°C à -18°C, le glaçon a perdu de l'énergie interne, d'où le signe négatif de l'énergie échangée. Ainsi, une énergie négative signifie que le système perd de l'énergie, tandis qu'une énergie positive indique que le système en reçoit.

La compréhension de ce concept d'énergie échangée est importante en thermodynamique, il est donc recommandé de bien assimiler la formule et ses implications.

Bonjour à tous, c'est Matisse de Studio et dans cette vidéo, on va se pencher sur l'énergie échangée par un glaçon. Alors un glaçon de 20 g voit sa température passer de moins de 8°C à 18°C dans un congélateur. Il faut alors déterminer l'énergie échangée par le glaçon et commenter son signe. On donne d'ailleurs pour ça une grandeur particulière qu'on introduit. Voilà, c'est sans doute la première fois que vous la manipulez mais il s'agit en fait de la capacité calorifique massique de la glace. Voilà, il faut retenir un peu le nom un peu barbare qui est cette grandeur. Mais en fait, il faut comprendre qu'un grand C, c'est la capacité calorifique du système étudié. Donc en fait, ça correspond à une sorte d'énergie que peut emmagasiner le système considéré. Donc ici, on a précisé en indice glace. Donc c'est juste une précision qu'on parle bien de la capacité calorifique de la glace. On parle aussi de capacité thermique. Et pourquoi c'est un petit C ? Donc très souvent, c'est un petit C lorsque c'est une énergie massique, c'est-à-dire ramenée à l'unité de masse. Donc vous voyez ici, c'est du kilogramme moins 1. Donc c'est pour ça que c'est un petit C. Lorsque c'est juste en joules par kelvin, eh bien c'est un grand C. Donc ça, c'est pour appréhender cette nouvelle grandeur. Donc maintenant, pour déterminer l'énergie échangée par un glaçon, en fait, il faut se ramener à la formule classique d'échange d'énergie en fonction d'une variation de température. Donc ça, c'est une formule à connaître par coeur. Et donc, ça peut être interprétée comme une variation d'entalpies. Je ne rentre pas dans les détails. C'est pour ça que je suis allé un peu plus loin en parlant d'entalpies ici. Bon, c'est simplement pour le supérieur. On parlera plus d'entalpies que d'énergie, puisqu'on se place dans des cadres un peu plus généraux. Mais ce qu'il faut retenir, c'est, voilà, cette variation d'énergie du système, elle est égale à quoi ? Eh bien, elle est égale à la masse fois la capacité calorifique massique fois la variation de température qu'a subi le système. Donc on pourrait le reformuler autrement. On pourrait dire que c'est aussi la capacité calorifique du système fois la variation de température. Donc ça dépend comment on le définit. Soit c'est m fois la capacité calorifique massique, soit c'est la capacité calorifique directe fois la variation de température. Ok. Donc ça, il faut bien retenir que c'est une variation d'énergie en fonction d'une variation de température. Alors, une fois qu'on a appris cette formule un peu théorique, appliquons-la pour bien comprendre à quoi elle fait référence. Donc ici, à chaque fois, on connaît, voilà, notre formule par coeur. On peut noter sur notre brouillon à côté. Maintenant, ce qui est intéressant, c'est de l'appliquer au cas précédent et d'identifier justement les grandeurs qu'on introduit. Donc ici, l'énergie échangée, c'est égal à m, donc la masse bien sûr du glaçon qui nous est donnée, fois la capacité calorifique massique de la glace, fois la température finale moins la température initiale. C'est ça que ça veut dire là. Pardon, c'est pas du tout beau de dire ça. C'est cela que cela veut dire. La variation de température, c'est la température finale moins la température initiale. Voilà, c'est bien mieux dit. Et donc, à partir de là, il faut bien se rendre compte que la température finale, c'est moins 18 Kelvin, et puis la température initiale, c'est moins 10 Kelvin. Donc, en faisant l'application numérique, on tombe sur une énergie échangée qui est égale à moins 3,3 10 puissance 2 joules. Alors, comment est-ce qu'on peut commenter son signe ? On se retrouve avec une énergie échangée qui est négative. Alors, ça correspond à quoi, en fait, une énergie négative ? On n'est pas habitué à manipuler ce genre de grandeur. En fait, c'est assez simple à comprendre puisqu'on a étudié le système du glaçon en lui-même. Donc, si on raisonne, l'énergie d'échange, elle est négative car le glaçon a cédé de l'énergie au système extérieur en se refroidissant. En effet, le glaçon, il est passé de moins 10 à moins 18 Kelvin. Donc, l'énergie qu'il avait, l'énergie interne qu'il avait, en fait, il l'a donné au système extérieur, au congélateur, pour abaisser sa température. En d'autres mots, il a perdu de l'énergie, c'est pourquoi il a sa température à baisser. Donc, voilà ce qu'on pouvait dire. On comprend un peu mieux cette signification d'énergie échangée. Elle peut être positive comme négative, ça dépend si le système reçoit de l'énergie, auquel cas elle est positive, ou alors il en redistribue, auquel cas elle est négative. Donc voilà, c'est la fin de cet exercice qui fait intervenir cette variation d'énergie d'un système thermodynamique. Elle est très très importante et cruciale pour le supérieur, donc n'hésitez pas à l'apprendre par cœur. En attendant, je vous dis à la prochaine vidéo. Merci beaucoup !

Énergie échangée

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