【Édition du Ministère de l'Éducation】Physique du lycée, spécialisation, tome 3 : Suivre les traces de l'énergie : À partir de l'expérience de Joule

Ouvrir la porte à l'unification de l'énergie

Avant la moitié du XIXe siècle, on pensait généralement que « la chaleur » était un matériau appelé « calorique », sans lien avec le mouvement mécanique. Or,James Prescott Jouleaprès des expériences rigoureuses menées pendant 40 ans, a complètement réfuté cette hypothèse. Son résultat fondamental est :le travail et la chaleur sont entièrement équivalents pour modifier l'énergie interne d'un système.

Les deux expériences clés de Joule

Expérience 1 : Transformation directe de l'énergie mécaniqueComme indiqué à la figure 3.1-1, dans un conteneur adiabatique, une masse tombe en faisant tourner des pales agitant le liquide. Joule a observé que tant que la distance de chute est identique, l'élévation de température de l'eau $\Delta T$ est toujours la même. Cela démontre quele travail produit un effet identique au transfert de chaleur.
Expérience 2 : Diversité des chemins de transformationComme indiqué à la figure 3.1-2, une masse fait tourner un générateur qui produit un courant électrique, dont la résistance chauffe. Même si le processus implique une transformation complexe « énergie mécanique → énergie électrique → énergie interne », la relation quantitative entre les transformations d'énergie reste inébranlable.

La grandeur de Joule réside non seulement dans sa découverte de ces phénomènes, mais aussi dans sa mesure expérimentale du « rapport thermomécanique » par des milliers de répétitions : combien de joules (J) de travail sont nécessaires pour produire 1 calorie (cal) de chaleur. Cela a posé les bases expérimentales de laloi de conservation de l'énergiedu raisonnement philosophique vers une loi physique rigoureuse.

QUESTION 1

[Réponse courte] Dans les deux expériences de Joule illustrées aux figures 3.1-1 et 3.1-2, quelle forme d'énergie se transforme en énergie interne du système ?

QUESTION 2

[Réponse courte] Comment change l'énergie interne de l'objet dans chacun des événements suivants ? (1) L'eau dans une bouilloire est chauffée et sa température augmente. (2) Un fer rouge s'effrite progressivement.

QUESTION 3

Dans un conteneur adiabatique, en comprimant rapidement l'air avec un piston, comment change l'énergie interne de l'air ? Pourquoi ?

L'énergie interne diminue car l'air effectue un travail extérieur

L'énergie interne ne change pas car le processus est adiabatique

L'énergie interne augmente car l'extérieur effectue un travail sur l'air et Q=0

QUESTION 4

En comprimant l'air dans un cylindre avec un piston, un travail de 900 J est fourni à l'air, tout en perdant 210 J de chaleur vers l'extérieur. De combien change l'énergie interne de l'air dans le cylindre ?

1110 J

690 J

$-1110 J$

QUESTION 5

Parmi les affirmations suivantes concernant le travail, la chaleur et l'énergie interne, laquelle est correcte ?

L'énergie interne d'un objet est égale à la chaleur qu'il contient

Le travail et le transfert de chaleur ont un effet équivalent pour changer l'énergie interne

Seul le transfert de chaleur peut changer la température d'un objet

Analyse des principes : Conservation de l'énergie et limites macroscopiques

Réfléchir à la scientificité de l'utilisation de l'énergie à travers l'expérience de Joule

Avec le développement de la technologie, de nombreuses idées sur la conversion d'énergie ont été proposées. Analysez les cas suivants à partir de la première loi de la thermodynamique : (1) Créer un moteur perpétuel à partir de magnétisme permanent ; (2) Une solution de production d'électricité par refroidissement des eaux marines.

1. Pourquoi l'idée de construire une machine tournant indéfiniment en utilisant uniquement les forces entre aimants permanents ne respecte-t-elle pas la loi de conservation de l'énergie ?

Réponse :
Non. Le travail des forces magnétiques consomme de l'énergie magnétique. Sans apport externe d'énergie, et en présence inévitable de frottements mécaniques et de résistance de l'air, la machine finira par s'arrêter en raison de la dissipation d'énergie. L'énergie ne peut pas apparaître de rien.

2. Imaginer produire de l'électricité en abaissant la température des eaux marines, est-ce possible du point de vue de la conservation de l'énergie ? Quels défis cette idée rencontre-t-elle ?

Réponse :
Cette idée est valable du point de vue de la loi de conservation de l'énergie (première loi de la thermodynamique), car la quantité totale d'énergie reste équilibrée (la diminution de l'énergie interne des océans équivaut à l'énergie électrique produite). Toutefois, son défi réside dans le fait que, selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur ne peut pas être spontanément extraite d'une seule source chaude (les océans) et convertie entièrement en travail sans produire d'autres effets. Ceci relève de la catégorie des machines du second type, difficiles à réaliser dans des processus macroscopiques spontanés.