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Niveau maths sup
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Exercice de Feynman 1.1

Posté par
Pierre18200
17-11-19 à 11:23

Bonjour

J'ai acheté le livre d'exercices pour le cours de R. Feynman. Le problème est qu'ils ne sont pas tous corrigés, seuls les plus difficiles le sont apparemment. Le premier exercice est le suivant.

Énoncé : Si la chaleur provient uniquement du mouvement moléculaire, quelle différence y a-t-il entre une balle de Baseball chaude au repos et une autre froide mais en mouvement rapide ?

Ma réponse : L'énergie calorifique contenue dans un corps (qui se mesure par sa température) est l'énergie cinétique des molécules due à leur vibration autour de leur position moyenne dans le corps. Le mouvement de translation de la balle froide donne effectivement une énergie cinétique aux molécules, mais celle-ci n'est pas du type vibratoire décrite ci-dessus.

J'ai bon ?
Pierre

Posté par
vanoise
re : Exercice de Feynman 1.1 17-11-19 à 12:46

Bonjour
On peut imaginer de nombreuses réponses à cette question ouverte. Voici une contribution qui ne fait sûrement pas le tour de la question...
Ce que tu écris est correct.
L'énergie calorifique correspondt à de l'énergie interne qui est de nature désordonnée. L'énergie cinétique macroscopique est une énergie mécanique. Je me demande si cette réflexion demandée n'a par pour but de préparer à l'étude du second principe et à la notion de rendement thermodynamique mais je vais peut-être chercher trop loin...
En effet : une diminution d'énergie mécanique se traduit par la production d'une quantité de travail égale à cette diminution. En revanche, il est impossible de récupérer l'intégralité de l'énergie calorifique de la balle pour produire du travail...

Posté par
Pierre18200
re : Exercice de Feynman 1.1 17-11-19 à 15:46

Bonjour vanoise, merci pour ta réponse.

Je me suis pas mal documenté sur le sujet de l'énergie calorifique, qui me paraît assez complexe, principalement sur Feynam et sur Wikipédia, et voici en gros ce que j'en tire :

Dans un corps qui acquiert de la chaleur, les vibrations des atomes au sein des molécules augmentent, aussi bien en fréquence qu'en amplitude. Donc l'énergie cinétique des atomes augmente. C'est cette énergie cinétique qu'on appelle énergie calorifique. Cette énergie peut être transmise à un autre corps par contact ou par rayonnement.

Il faut noter que les molécules ont des modes de vibration propres qui dépend de leur composition et de leur forme. La molécule d'eau possède par exemple 3 modes de vibration. L'agitation des molécules est qualifiée de désordonnée car elle est une superposition de tous les modes de vibration de la molécule.

Dans un solide le centre de masse des molécules ne bouge pas car celles-ci sont accrochées les unes aux autres par des forces intermoléculaires électrostatiques assez fortes. Elles vibrent donc autour de leur point d'équilibre.

Dans un liquide les forces intermoléculaires sont plus faibles et les molécules peuvent se déplacer, glisser, les unes sur les autres en même temps qu'elles vibrent. Mais les distances intermoléculaires sont du même ordre de grandeur que dans un solide.

Dans un gaz par contre les molécules ne sont pas liées les une aux autres. La chaleur est toujours stockée sous forme d'énergie cinétique dans le mouvement de vibration des atomes, et de plus les molécules ont des mouvements de translation rapides et désordonnés (à cause des chocs entre les molécules et sur les parois).

Ces mouvements de translation sont d'autant plus rapides que la température est élevée, il transportent donc aussi une par de l'énergie calorifique, mais certainement assez faible au regard de l'énergie de vibration.

Je suis dans sur le bon chemin ?

Posté par
vanoise
re : Exercice de Feynman 1.1 17-11-19 à 18:31

Citation :
Je suis dans sur le bon chemin ?

Tout cela me semble correct. Juste un détail sur les gaz.
Pour les gaz monoatomiques, l'énergie interne est essentiellement de l'énergie cinétique.
Pour les gaz diatomiques ou plus généralement polyatomiques, l'influence de l'énergie de rotation est importante (environ 40% de l'énergie interne totale pour un gaz diatomique). L'énergie cinétique de vibration reste, par rapport à l'énergie interne totale,faible pour les gaz et, comme tu l'as indiqué, devient prépondérante pour les solides.

Posté par
Pierre18200
re : Exercice de Feynman 1.1 18-11-19 à 09:40

D'accord je me souviendrai de cela pour les gaz. J'ai un peu de mal à bien comprendre ce qui se passe au niveau moléculaire avec les gaz, il faut encore que j'assimile les bases en thermodynamique. C'est prévu.
Pierre



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