INTERACTIONS ATOMIQUE / MOLECULAIRE DANS LA MATIERE

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Interaction des particules dans les gaz :

La distance qui sépare les molécules dans les gazest assez grande, leur interaction est faible. L’énergie nécessaire pour isoler une molécule ou omeat dans une matière est relativement faible si la matière se trouve à l’état gazeux qu’à l’état liquide ou à l’état solide.
II.2-Interaction des particules dans les liquides :
L’attraction moléculaire est assez forte dans les liquides car les molécules sont liées et rapprochées l’une des autres. Il faut un peu plus d’énergie pour isoler une molécule ou atome dans une matière à l’état liquide qu’à l’état gazeux.
II.3-Interaction des particules dans les solides :
L’état solide est un état ordonné de la matière, slemolécules ou atomes y sont liés et ont une disposition compacte. C’est donc l’état où l’interaction est la plus forte, il faut beaucoup d’énergie pour isoler une molécule ou atome dans une matièreà l’état solide.
Remarque : l’état gazeux est l’état où l’isolement d’une de ses molécules nécessite moins d’énergie. C’est pourquoi il est toujours préférable d’opérer un changement d’état avant d’isoler une ou plusieurs molécules dans une matière à l’éta solide ou liquide. (sublimation S G et vaporisation L G)

TEMPERATURE ET CHALEUR:

La température et la chaleur présentent une étroitedépendance. Elles sont liées aux mouvements des particules qui composent la matière, qu’elle soit à l’état gazeux, à l’état liquide ou à l’état solide. Cependant, leur signification physique est difficile à différencier, aussi est-il nécessaire de donner leurs concepts. [Dévore,G.(1966)]

Température

Concept de température :

Le concept de température dans la vie courante dérive des idées qualitatives du “chaud“ et du “froid“ basées sur notre sens de toucher (la peau), mais notre sens de toucher peut-il repérer la température d’un corps ?
Un exemple simple et réalisable pour répondre à cette question est de plonger notre main gauche dans un récipient contenant de l’eau glacée et notre main droite dans un autre récipient contenant de l’eau tiède pendant une certaine durée. Ensuite,plongeons simultanément les deux mains dans un même récipient contenant de l’eau ordinaire. Nous constatons que, pour la main gauche, l’eau est chaude et pour la main droite elle est froide alors qu’il s’agit de la même matière.
Ainsi, notre sens de toucher ne nous permet pas de repérer la température d’un corps. Il nous faut un appareil permettant de définir qualitativement la température, permettant d’attribuer des mesures aux divers degrés du froid et du chaud : c’est le thermomètre.

Température et mouvementdes particules

La température est une mesure du degré d’agitationdes différents constituants (molécules, atomes, ions) d’une substance. Lorsque la substance est chauffée (la température augmente), la vitesse à laquelle ses molécules se meuvent croît et décroît lorsque la substance se refroidit (la température diminue). La température est donc une mesure de l’énergie cinétique moyenne des atomes, énergie liée à la vitesse.
Dans la matière, les particules sont soumises à l’a gitation thermique. A la température absolue T, l’énergie cinétique moyenne de translation d’une particule de masse m est : E c 12 m v 2 E c 12 m v x2 12 m v 2y 12 m v z2
Or, d’après le théorème de l’équipartition, à chaque terme quadratique correspond une énergie moyenne 12 k T
Donc, l’énergie cinétique moyenne de translation dela particule est : Ec 32 k T k est la constante de BOLTZMAN ( k = 1,38 . 10-23 J.K-1 ) T est exprimé en Kelvin (K)
En fait, la température est proportionnelle au caré de la vitesse des particules. Plus la températur augmente, plus les particules sont agitées.
– Dans les liquides et les gaz où les molécules peuvent se déplacer, la vitesse de déplacement augmente quand la température augmente.
L’énergie cinétique des molécules d’un gaz augmentelorsque la température augmente. Ces molécules se déplacent continuellement dans toutesles directions avec une plus grande vitesse, et leur choc contre les parois d’un récipient qui les contient devient plus violent. Ce phénomène se traduit par l’augmentation de la pression d’un gaz.
– Dans les solides, les particules ne peuvent osciller qu’autour d’une position fixe. Le volume d’un métal augmente lorsque la température augmente. Eneffet, les ions du réseau peuvent vibrer dans les trois directions et lorsque la température croît, l’amplitude de vibration croît. Chaque ion occupe davantage de place dans le réseau. Ce qui fait que leur écartement augmente et cela se traduit par la dilatation volumique du métal. La résistance et la conduction électrique des solides métalliques aussi dépendent de la température. Laésistancer d’un métal augmente avec la température et par conséquent sa conduction électrique diminue.

Chaleur

Concept de la chaleur :

La notion de chaleur telle qu’elle résulte de la sensation de chaud et de froid remonte aux époques les plus reculées. Deux théories s’interrogeaient urs la véritable nature de la chaleur.
· La première théorie, théorie calorique considéraitque la chaleur “s’écoule“ des hautes températures vers les basses températures, et qu’endéfinitive il se crée un équilibre thermique. Un peu comme de l’eau contenue dans deux récipients reliés par un tuyau : l’eau du niveau élevé a tendance à s’écouler vers le niveau le plus bas : finalement on observera un équilibre entre les deux niveaux. . Elle considérait que la chaleur était une substance qui pouvait être soit ajoutée, soit enlevée, soit transférée d’un corps à l’autre.
Vers 1760, on établit un lien entre la chaleur, latempérature et la substance d’un corps chauffé :
– La quantité de chaleur qu’il faut fournir pour élever de 1°C la température de deux substances différentes de même masse n’est pas la même. Par emple,x il faut fournir trois fois plus de chaleur à 1 gramme de fer qu’à 1 gramme de plomb po ur obtenir une élévation de température de 1°C.
– On peut observer un changement d’état sans que la température n’augmente. Par exemple, un glaçon d’eau solide à 0°C est chauffé jusqu’à ce qu ’il devient liquide; mais il reste à la température de 0°C.
· La deuxième théorie, la théorie cinétique de la chaleur qui la considère comme étant une manifestation des vibrations microscopiques internes de la substance chauffée.
Sir James Prescott JOULE (1818-1884) a découvert que l’eau peut être échauffée par de vigoureuses agitations avec une palette et qu’il y a corrélation entre l’augmentation de température et le travail le travail effectué pourtourner la palette.
Cette expérience de JOULE et d’autres expériences imilaires ont établit qu’il y a équivalence entre chaleur et le travail. La théorie calorique est alors abandonnée.

Chaleur et mouvement des particules :

La chaleur est la quantité d’énergie d’un systèmeransféréet selon trois principes : conduction, convection et rayonnement. L’énergie des particules d’un gaz ou liquide peut être simultanément une énergie cinétique de translation, une énergieiéel à la rotation et une énergie de vibration, quant aux solides, il n’y a que l’énergie liée à la vibration des molécules qui la constitue.
La chaleur est une énergie qui résulte du mouvementdes particules de la matière.
En ce qui concerne les liquides et les gaz dont les particules se meuvent librement, la chaleur résulte de la collision fortuite des particules. Dans les solides, par contre, les particules quasiment liées les unes aux autres peuvent, rien qu’en vibrant, produire un frottement interne, et donc de la chaleur.
Ainsi, on comprend aisément que lorsqu’on chauffe un corps, on lui apporte de l’énergie (casserole d’eau chauffée par exemple). Le transfert d’énergie est dû exclusivement à une différence de température des deux corps. Ce phénomène est appeléécoulement de chaleur. Les modes de ce transfert d’énergie font l’objet de notre étude dans la deuxième partie.
Remarque : un transfert d’énergie peut aussi avoir lieu sans qu’il y ait écoulement d’énergie (par exemple un gaz dans un récipient équipé d’un piston).

Quantité de chaleur

La quantité de chaleur s’exprime dans le système actuel reconnu internationalement, avec les mêmes unités que les autres énergies, soit en joule(J) ou kilojoule (KJ).Mais on utilise encore couramment des unités purement thermiques : la calorie (cal) ou le kilocalorie (Kcal) 1 cal = 4,18 J (Une calorie est la quantité de chaleur reçue par un gramme d’eau lorsque sa température augmente de 1°C.)
Des unités plus grandes et dérivées des unités deuissancep sont aussi utilisées.
Selon la relation : Q= P.t
P : puissance thermique exprimée en watt (W)
Q : quantité de chaleur exprimée en joule (J)
t: temps du transfert de l’énergie exprimé en seconde (s)
La quantité de chaleur Q peut être exprimée en watt.heure (Wh) ou en kilowatt. heure (KWh) ou en thermie (Th) : 1 Wh = 3600 J ; 1KWh = 3600KJ

TRANSMISSION DE CHALEUR

Un transfert de chaleur appelé aussi transfert thermique est un transfert d’énergie microscopique désordonnée. Les transferts thermiques peuvent être caractérisés par l’un des trois modes suivants ou par l’association de plusieurs d’ entre eux :
– la conduction
– la convection
– le rayonnement
Dans le cas de l’association de plusieurs modes de transfert thermique, on dit que le transfert est mixte.

La conduction

Le phénomène de la conduction thermique existe danstous les corps : solides, liquides ou gaz. Il se produit lorsqu’il y a inhomogénéité ou non uniformité de température dans le corps. La transmission de l’énergie thermique (chaleur) va de la zone ayant une température élevée vers la zone ayant une température inférieure et se traduitpar une élévation de température de proche en proche. Cela correspond à un accroissement de l’amp litude de vibration du réseau cristallin dans les solides et à une transmission de l’énergie cinétique due aux chocs des molécules dans les fluides : gaz ou liquides.

Conduction dans les solides :

Lors d’une transmission de l’énergie thermique dans un solide, trois interactions peuvent se manifester au niveau microscopique :
· Interaction électron- électron
· Interaction électron-phonon ou interaction électron-réseau
· Interaction phonon-phonon
Interaction électron-électron: un électron libre se trouvant dans la région auvoisinage immédiat de la source de chaleur acquiert de l’énergie thermique et son énergie cinétique augmente, donc il se déplace rapidement et entre en collision avec unélectron libre de sa trajectoire. Ce dernier acquiert une énergie cinétique lors de cette collision et va heurter à son tour un autre électron libre et ainsi de suite.
Interaction électron-phonon: un électron libre peut interagir et échanger de l’énergie avec un ion du réseau cristallin par l’intermédiaire des phonons. Cette interaction se traduit par le gain ou la perte d’un quantum d’énergie hυ : émission ou absorption d’un phonon par l’électron. Un électron libre se trouvant dans la région au voisinage immédiat de la source de chaleur acquiert de l’énergie thermique. Son énergie cinétique augmente, donc ilse déplace rapidement et entre en collision avec un ion de réseau. Il transmet une énergie cinétique à cet ion qui en gagnant de l’énergie, augmente son amplitude de vibration. Par suite, l’ion peut heurter à son tour un ion de l’édifice cristallin et lui transmet de l’énergie et ainsi de suite.
Interaction phonon-phonon : un ion du réseau au voisinage immédiat de la source de chaleur acquiert de l’énergie thermique. Son amplitude de vibration devient plus grande et il heurte un ion voisin. Ce dernier gagne de l’énergie lors du choc, ce qui augmente son amplitude de vibration et il va heurter à son tour un ion voisin et le proces sus continue et assure la transmission de l’énergie thermique.
L’énergie transmise lors d’une interaction électron-électron est plus importante par rapport aux autres interactions. Ce mécanisme de transmission est primordial dans les solides. Mais tous ne sont pas de bons conducteurs. La chaleur transmise lors de ces interactions est différente selon les solides.
Les solides qui ont beaucoup d’électrons libres comme les métaux conduisent mieux l’énergie thermique. Ce sont des conducteurs thermiques.
Les solides non métalliques possèdent très peu d’électrons libres. Ce sont des isolants thermiques.
Remarque : Le diamant est à la fois un isolant électrique et un bon conducteur thermique. Ceci s’explique par le fait que les interactions électrons-phonons et les interactions phonons-phonons sont importantes même s’il ne possède que très peud’électrons libres. Ses éléments constitutifs (le carbone) sont des atomes particulièrement légers et, qui de par leurs fortes interactions, transmettent bien les vibrations à travers tout le réseau.

Conduction dans les fluides :

La transmission de chaleur par conduction dans les fluides notamment les gaz est relativement faible par rapport au cas des solides. L’existence de non uniformité de température au sein d’un fluide favorise beaucoup mieux la convection que nous verrons dans la section IV.2.
Par exemple : la conductivité de l’eau est 200 fois plus faible que la conductivité du cuivre et celle de l’air est 2000 fois plus faible.

MODULES D’APPRENTISSAGE

La partie précédente nous a permis de développer slesavoirs savants sur la transmission de l’énergie thermique ou la chaleur. Cette deuxième partie est consacrée à la présentation du didacticiel que nous avons élaboré et surtout à lamise en œuvre des savoirs à enseigner à travers des séquences d’enseignement/ apprentissage que nous proposons aux apprenant(e)s.

CARACTERISTIQUES ET SUGGESTIONS D’UTILISATION DU DIDACTICIEL

Caractéristiques du didacticiel:

Ce didacticiel est écrit en langage HTML, lu parles navigateurs « internet explorer » et « firefox ». On peut l’utiliser en mode présentiel ou non présentiel. L’apprenant peut naviguer à travers toutes pages du didacticiel à l’aide des bo utons : « précédent » ; « accueil » et « suivant » figurant dans toutes les pages. Il peut progresser à son propre rythme, revenir à tout moment aux points qu’il n’a pas compris.
Ce qui caractérise ce didacticiel, c’est qu’il contient une fenêtre de documentation qui donne les informations nécessaires pour bien réussir aux séquences d’enseignement/apprentissage. Ainsi, ce didacticiel est à la disposition de tous les élèvesniveau seconde au minimum, qui veulent apprendre ou acquérir des notions sur les modes detransmission thermique.

Suggestions d’utilisation du didacticiel :

Ce didacticiel est destiné aux élèves en classe depremière scientifique. Il est conçu pour être utilisé principalement en présentiel. Le rôle du professeur est d’amener les élèves à faire un travail collaboratif, à assumer en groupe la résolution des exercices et animer les phases de discussion et de confrontation des résultats. Ce logiciel peut aussi être utilisé par l’élève en autonomie dans le cadre d’une autoformation ou d’un e auto évaluation.

COMPETENCES A DEVELOPPER CHEZ L’APPRENANT

Ce didacticiel propose des modules d’apprentissage sur les modes de transmission de chaleur à savoir la transmission par conduction, la transmission par convection et la transmission par rayonnement.
Même si seule la conduction figure dans les programmes scolaires actuels à Madagascar, nous pensons qu’il serait aussi intéressant de présenteraux élèves des notions de transmission thermique par rayonnement et de transmission par convection.
Ce didacticiel vise à inciter l’élève à devenir acteur de son apprentissage, à développer son esprit d’observation, d’analyse et de synthèse, à traiter des informations au moyen de différentes méthodes.

Table des matières

INTRODUCTION
PREMIERE PARTIE : REPERE THEORIQUE
I- DISPOSITION ET MOUVEMENT DES PARTICULES DANS LA MATIERE
I.1- Dans les gaz
I.2- Dans les liquides
I.3- Dans les solides
Solides métalliques
Solides non métalliques
II- INTERACTIONS ATOMIQUE / MOLECULAIRE DANS LA MATIERE
II.1- Interaction des particules dans les gaz
II.2- Interaction des particules dans les liquides
II.3- Interaction des particules dans les solides
III-TEMPERATURE ET CHALEUR
III.1.Température
III.1.1.Concept de la température
III.1.2. Thermomètre
III.1.3. Echelle de la température
III.1.4.Température et mouvement des particules
III.2.Chaleur
III.2.1.Concept de la chaleur
III.2.2. Chaleur et mouvement des particules
III.2.3. Quantité de chaleur
IV- TRANSMISSION DE CHALEUR
IV.1. La conduction
IV.1.1.Conduction dans les solides
IV.1.2.Conduction dans les fluides
IV.1.3.Loi de Fourier
IV.1.4.Equation de chaleur
IV.1.5.Conduction en régime permanent
IV.1.6.Analogie thermique – électrique
IV.2.La convection
IV.2.1.Convection naturelle
IV.2.2.Convection forcée
IV.2.3.Convection en régime permanent
IV.3.Le rayonnement
IV.3.1.Interaction du rayonnement avec la matière
IV.3.2.Classification des corps soumis à un rayonnement
IV.3.3.Relation entre les flux lumineux
IV.3.4.Corps noirs
DEUXIEME PARTIE : MODULES D’APPRENTISSAGE
I-CARACTERISTIQUES ET SUGGESTIONS D’UTILISATION DU DIDACTICIEL
II-COMPETENCES A DEVELOPPER CHEZ L’APPRENANT
III-STRUCTURE DU DIDACTICIEL
I.1. Phase d’introduction aux modules d’apprentissage
I.2. Phase de construction du savoir
IV-STRUCTURE DES MODULES
V-DEROULEMENT DE CHAQUE SEQUENCE D’APPRENTISSAGE
VI- SEQUENCES D’APPRENTISSAGE
CONCLUSION

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