Comment fonctionne le monde - La main à la pâte

81
c'est-à-dire un transfert désordonné qu'on appelle "chaleur" ; dans l'autre cas, c'est un transfert
ordonné d'énergie qu'on appelle "travail".
Le premier principe de la thermodynamique s'exprime alors de la façon suivante : « la variation
d'énergie interne d'un système lors d'une transformation est égale à la somme de l'énergie échangée
sous forme chaleur et celle échangée sous forme de travail » (pour autant qu'on se limite à ces deux
formes).
Les choses s'éclaircissent quand on raisonne en terme de "transformation".
Les unités d'énergie :
L’unité légale d’énergie, le Joule (J)
La définition du joule fait intervenir des connaissances de mécanique qui ne peuvent pas être
présentées au niveau de la classe de cinquième. Pour des évaluations d’ordres de grandeur, on pourra
mentionner que le joule correspond environ à l’énergie fournie par une masse de 100 grammes qui
descend de un mètre.8 Toujours pour des évaluations d’ordres de grandeur, le professeur peut se
référer pour lui-même à l’expression ½ mv² de l’énergie cinétique (J) d’une masse m (kg) dont la
vitesse est v (m/s).
Il est également possible de faire remarquer dans le même but qu’un appareil sur lequel on lit
l’indication P watts (W) consomme une énergie de P joules par seconde. Ceci n’implique pas de
présenter le concept général de puissance, mais prépare l’introduction de celui-ci, qui se fera en classe
de troisième.
La calorie (cal)
Cette unité historique d’énergie, actuellement obsolète, ne mérite pas d’être évoquée, sauf en réponse
à une question posée par les élèves. Cette unité figure hélas encore fréquemment sur les étiquettes
alimentaires et elle est couramment utilisée en diététique. Mais il serait préférable de ne pas l’utiliser.
La calorie (cal), unité aujourd’hui non légale équivaut à la quantité d’énergie qu’il faut fournit à un
gramme (g) d’eau pour élever sa température de un degré Celsius (°C).
Toute énergie pouvant être convertie en chaleur, toutes les énergies peuvent être exprimées en
calories : 1 cal = 4,2 J.
Deux premiers ordres de grandeur pour l’eau, son énergie de fusion, 80 cal/g et son énergie de
vaporisation 540 cal/g. Exemple de conclusion : pour faire bouillir de l’eau à 100°C, on dépense
sensiblement 7 fois plus d’énergie que pour porter sa température à 100°C à partir de la température
ambiante.
Des comparaisons numériques mettent notamment en valeur l’aspect coûteux en termes
énergétiques des appareils qui dégagent de la chaleur en comparaison avec ceux qui produisent
essentiellement des effets mécaniques, électriques et, moins encore, électroniques.
8 Conséquence de l’expression mgh de l’énergie potentielle d’une masse m à l’altitude h dans le
champ de pesanteur d’intensité g voisine de 10 N/kg (9,81 à Paris).
Ce document est la propriété del'Académie des sciences et de l'Académie des technologies
Version 2.5 du 05/12/2007