⚖️ Le premier principe : ΔU = W + Q en barres
L'énergie interne, c'est un compte en banque : le travail W et la chaleur Q sont les virements qui entrent ou qui sortent. La règle d'or du banquier : ce que le système reçoit compte en plus, ce qu'il cède compte en moins. Pompe à vélo qui brûle les doigts, freins rouges de colère, bouilloire qui chante : à toi de faire les comptes… et de prédire les signes avant de lancer !
🧪 Mode d'emploi : règle les curseurs (à droite, ou sous l'animation sur téléphone), lance avec ▶, observe les mesures et relève les 🎯 défis. Le bouton ⛶ agrandit l'animation, idéal sur téléphone à l'horizontale.
Ce que tu vois
- Le système est entouré de pointillés verts : seules les flèches qui traversent cette frontière comptent dans le bilan. Une flèche qui entre est positive (le système reçoit), une flèche qui sort est négative (il cède).
- Dans la pompe à vélo, on pousse d'un coup sur le piston : le gaz reçoit du travail (W > 0) sans avoir le temps d'échanger de la chaleur (Q ≈ 0). Son énergie interne augmente, ses molécules s'agitent plus vite : l'air chauffe de plus de 100 °C.
- Les disques de frein reçoivent d'abord l'énergie cinétique de la voiture (W = ½ M v²) et chauffent, parfois jusqu'à rougir ; puis, à l'arrêt, ils rendent tout à l'air (Q = −W). Au bilan, ΔU = 0 : les disques retrouvent leur température de départ.
- La même bouilloire donne des signes différents selon le système choisi : l'eau reçoit Q > 0 sans travail ; la résistance reçoit Wélec > 0 et cède Q < 0 ; pour l'ensemble {eau + résistance}, la chaleur reste à l'intérieur et ne compte pas.
- La barre ΔU est toujours la somme des barres W et Q : c'est le premier principe, ΔU = W + Q.
Expériences à faire
- Pourquoi le corps d'une pompe à vélo devient-il chaud quand on gonfle un pneu ? Augmente le travail W ou diminue la quantité d'air n : que devient l'échauffement ?
- Une voiture deux fois plus rapide chauffe-t-elle ses freins deux fois plus ? Compare 50 km/h et 100 km/h.
- Pour la bouilloire, change de système (eau, résistance, ensemble) : quels signes changent, et pourquoi ?
- Peut-on comprimer un gaz sans qu'il chauffe ? Que doit valoir Q pour cela ?
- Active le mode prédiction et devine les signes de W, Q et ΔU avant de lancer : combien de cas réussis-tu du premier coup ?
La physique derrière l'animation
- Premier principe pour un système fermé, immobile à notre échelle : ΔU = W + Q. W est le travail reçu (forces, travail électrique), Q le transfert thermique reçu ; ils sont comptés positivement quand le système les reçoit et négativement quand il les cède.
- Pour un système incompressible (solide, liquide) de capacité thermique C = m × c : ΔU = m × c × Δθ. Exemple : eau, c = 4 180 J·kg⁻¹·K⁻¹ ; acier ou fonte, c ≈ 460 J·kg⁻¹·K⁻¹.
- Pour un gaz parfait, l'énergie interne ne dépend que de la température : ΔU = n × Cv,m × Δθ, avec Cv,m ≈ 20,8 J·mol⁻¹·K⁻¹ pour l'air. Une compression rapide (Q ≈ 0) chauffe donc le gaz : c'est ce qui chauffe une pompe à vélo ou allume le gazole dans un moteur Diesel.
- Freinage : l'énergie cinétique perdue Ec = ½ M v² est transférée aux disques par les forces de frottement (on la compte comme un travail reçu W = Ec), d'où Δθ = ½ M v² / (m c) ; elle est ensuite cédée à l'air (Q = −Ec). L'échauffement varie comme v² : 2 fois plus vite, 4 fois plus chaud.
- Bouilloire : Wélec = P × Δt. Au-delà de 100 °C, l'énergie reçue par l'eau sert à la vaporiser (Q = mvap × Lv, Lv = 2,26 × 10⁶ J/kg) : la température ne monte plus. Modèle : pertes thermiques négligées.
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