Outils pour utilisateurs

Outils du site


fr:useful_physical_principles

Différences

Ci-dessous, les différences entre deux révisions de la page.

Lien vers cette vue comparative

Prochaine révision
Révision précédente
fr:useful_physical_principles [2017/02/14 15:34]
maxime créée
fr:useful_physical_principles [2017/02/14 16:40]
maxime
Ligne 1: Ligne 1:
 ====== Principes physiques utiles ====== ====== Principes physiques utiles ======
  
 +**Des connaissances pour mieux comprendre ce qui se joue dans le labo.**
 +
 +A organiser, compléter, mettre en page
 +
 +=====  Etat de la matière ​ =====
 +En physique, un état de la matière correspond à un certain degré de cohérence de la matière (densité, structure cristalline,​ indice de réfraction…) qui se traduit par des comportements définis par les lois de la physique (malléabilité,​ ductilité, viscosité, loi des gaz parfaits, etc.).
 +
 +Les trois états les plus classiques de la matière sont :
 +
 +  * l'​état gazeux ;
 +  * l'​état liquide ;
 +  * l'​état solide ;
 +
 +Cette classification est cependant incomplète...
 +
 +Pour un solide:
 +
 +  * À l'​échelle macroscopique,​ un solide :
 +    * possède un volume propre (il est très difficilement compressible ; son volume ne dépend quasiment que de la température par effet de dilatation thermique, généralement faible) ;
 +    * possède une forme propre (mais il peut se déformer sous l'​effet de contraintes,​ en fonction de son élasticité et de sa ductilité).
 +  * À l'​état solide, les particules (atomes, molécules ou ions (voir les sels plus bas)) sont liées les unes aux autres par des liaisons chimiques qui fixent leurs positions relatives.
 +
 +Pour un liquide:
 +
 +  * À l'​échelle macroscopique,​ un liquide :
 +    * possède un volume propre ;
 +    * ne possède pas de forme propre : il prend la forme du récipient qui le contient. L'​état liquide est un état fluide, c'​est-à-dire parfaitement déformable ;
 +    * a une surface libre au repos plane et horizontale (dans un champ de pesanteur uniforme).
 +  * À l'​état liquide, les particules sont faiblement liées : contrairement à l'​état solide, elles peuvent se déplacer spontanément les unes par rapport aux autres (déformabilité) mais, contrairement à l'​état gazeux, elles ne sont pas indépendantes (incompressibilité). On peut également dire que leur énergie thermique est suffisante pour leur permettre de se déplacer mais pas de s'​échapper...
 +
 +(source : http://​fr.wikipedia.org/​wiki/​État_de_la_matière)
 +
 +=====  Cristal ​ =====
 +
 +Un cristal est un solide dont les constituants (atomes, molécules ou d'​ions) sont assemblés de manière régulière,​ par opposition au solide amorphe. Par « régulier » on veut généralement dire qu'un même motif est répété à l'​identique un grand nombre de fois selon un réseau régulier, la plus petite partie du réseau permettant de recomposer l'​empilement étant appelée une maille .
 +
 +Les cristaux les plus communs sont la neige, le sucre, les sels, les silicates, les oxydes, les sulfures, les métaux et les pierres précieuses (gemmes).
 +
 +...
 +
 +Un cristal idéal ne comporte pas de défauts cristallins,​ mais les cristaux réels sont loin de cette perfection. Au-delà d'une certaine concentration des défauts, le concept de structure cristalline cesse d'​être utile et l'on considère que c'est un matériau amorphe tel que le verre. L'​état amorphe s'​apparente fortement à l'​état liquide mais il existe aussi des cristaux liquides.
 +
 +(source : http://​fr.wikipedia.org/​wiki/​Cristal)
 +
 +=====  Cristallongenèse =====
 +
 +La cristallogenèse est un processus de formation d'un cristal, soit en milieu naturel, soit de façon synthétique. Elle aboutit à la cristallisation,​ qui est le passage d'un état désordonné liquide (composé fondu, dissous dans un solvant), gazeux ou solide (verre) à un état ordonné solide.
 +
 +La fabrication d'un cristal dépend de différents facteurs tels que la température,​ la pression, le temps d'​évaporation.
 +
 +La germination correspond à l'​apparition d'une phase cristalline stable à partir d'un liquide en surfusion ou d'une solution sursaturée. Le processus se poursuit par la croissance cristalline,​ c'​est-à-dire l'​augmentation de taille des germes pour conduire aux cristaux. Elle est caractérisée par l'​empilement à la surface du cristal de nouvelles particules qui se logent dans des sites préférentiels.
 +
 +La plupart des substances minérales et des petites molécules organiques cristallisent facilement et les cristaux obtenus sont en général d'​assez bonne qualité, c'​est-à-dire sans défauts visibles. En revanche les grandes molécules biochimiques,​ comme les protéines, sont souvent très difficiles à cristalliser. Cette facilité de cristallisation dépend fortement de l'​intensité des forces interatomiques (dans le cas des substances minérales),​ intermoléculaires (substances organiques et biochimiques) ou intramoléculaires (substances biochimiques).
 +
 +(source : http://​fr.wikipedia.org/​wiki/​Cristallogenèse)
 +=====  Les sels  =====
 +
 +En chimie, un sel est un composé ionique composé de cations (=ion à charge +) et d'​anions (=ion à charge -) formant un produit neutre et sans charge nette, c'est par exemple un cation argent avec une charge + qui s'​associe avec un anion bromure qui a une charge -, le bilan des charges est neutre. Ces ions peuvent être aussi bien minéraux (Bromure Br−, iodure I-, potassium K+) qu'​organiques (formiate HCOO−) et monoatomiques (argent ag+) aussi bien que polyatomiques (nitrate NO3 −).
 +
 +*Consistance:​Les sels sont en général des cristaux solides à point de fusion relativement élevé pour devenir liquide en chauffant.
 +*Couleur:​Les sels peuvent être clairs et transparents (chlorure de sodium), opaques, et même métalliques et lustrés. La couleur des cristaux ou des solutions salines dépend des ions qui constituent le sel. Les sels sont incolores lorsque leurs ions sont eux-mêmes incolores&​nbsp;;​ c'est le cas, par exemple, des sulfates et nitrates de sodium, de potassium, de calcium, d'​ammonium,​ d'​aluminium,​ etc. Ils sont, au contraire, fortement colorés quand leurs ions sont eux-mêmes colorés&​nbsp;:​ ils communiquent alors à l'eau leur teinte caractéristique. Tel est le cas, par exemple, de l'ion permanganate violet MnO4−, de l'ion chromate jaune CrO42−, etc.
 +
 +...
 +
 +(source : http://​fr.wikipedia.org/​wiki/​Sel_(chimie))
 +
 +== Solvatation ==
 +La solvatation est le phénomène physico-chimique observé lors de la dissolution d'un soluté, un composé chimique (solide, liquide ou gazeux) dans un solvant. Par exemple, la solvatation d'un sel (bromure de potassium...) dans de l'eau (solvant) correspond à la dissolution de ce sel, la dispersion des ions bromure et des ions potassium dans l'eau. Cette dissolution est possible seulement parce que l'eau divise les forces électrostatiques par environ 80, affaiblissant suffisamment les liaisons entre les ions de ce sel, les cristaux se brisent, le solide perd sa cohésion. Cette énergie de solvatation est de grandeur comparable à l'​énergie de cohésion de cristaux ioniques et peut ainsi permettre leur dissolution. Une hausse de la température apporte une énergie supplémentaire qui facilite grandement la dissolution quand celle-ci est plus difficile dans les conditions normales. ...
 +
 +=====  Mélange ​ =====
 +Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'​interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'​opération est une préparation aussi appelée mélange. Les substances mélangées sont étroitement juxtaposées dans un même espace, chacune gardant ses propriétés physiques et chimiques. Les éléments mélangés peuvent être séparés de nouveau par l’action d'un procédé physique. Un mélange est différent d'un corps pur qui ne comporte qu'une seule substance.
 +
 +Un Mélange hétérogène , est un mélange dont on peut distinguer au moins deux constituants à l'œil nu. Un Mélange homogène, est un mélange dont on ne peut pas distinguer les constituants à l'œil nu.
 +
 +=====  Energie ​ =====
 +====  Étymologie et définitions ​ ====
 +
 +Article détaillé : [[|[[https://​fr.wikipedia.org/​wiki/​Énergie_(physique)#​.C3.89tymologie|https://​fr.wikipedia.org/​wiki/​%C3%89nergie_(physique)#​.C3.89tymologie]] Histoire de l’emploi du terme énergie en physique)]]. L’énergie est un concept qui remonte à l'​Antiquité.
 +
 +Le mot français « énergie » vient du latin vulgaire energia, lui-même issu du grec ancien ἐνέργεια / enérgeia. Ce terme grec originel signifie « force en action », par opposition à δύναμις / dýnamis signifiant « force en puissance »... Il faut noter qu'au sens de la physique, il n'y a pas de « sources d'​énergie », ni d'« énergies renouvelables », ni de « pertes d'​énergie », car l'​énergie ne peut ni se créer ni disparaître (premier principe de la thermodynamique,​ Lavoisier, Anaxagore…). Les questions autour de l'​énergie concernent donc sa transformation,​ son stockage et son transport.
 +
 +Les transformations de l'​énergie peuvent s'​opérer de plusieurs façons :
 +
 +  * l'​énergie interne d'un système change de forme (transformation de son énergie potentielle en énergie cinétique) par exemple,
 +    * Après développement,​ des molécules "​déchets"​ sont en forte concentration dans l'​émulsion,​ cela constitue une énergie potentiel par rapport à l'eau de rinçage qui n'en contient pas. Les déchets vont se déplacer, diffuser de l'​émulsion vers l'eau de rinçage. Quand la concentration de déchet dans l'​émulsion et dans l'eau est la même, les déchets ne diffuse plus, il faut changer l'eau de rinçage...
 +
 +  * ou bien un système transmet son énergie à un autre par exemple,
 +    * L’énergie de la lumière du soleil est transformé par les végétaux pour être stocker dans les liaisons atomiques des molécules organiques comme les sucres. L'​Homme mange ces sucres et les utilise an niveau de ses muscles pour produire du mouvement, l'​agitation de l'eau dans le bac de rinçage du film par exemple servira à conserver une meilleure différence de concentration en déchet entre l'​émulsion et l'eau au contact de l'​émulsion et donc une meilleure diffusion et donc un meilleur rinçage.
 +
 +
 +
 +====  Typologies ​ ====
 +
 +La physique mécanique, considère deux manifestations pour l’énergie :
 +
 +  * l’énergie cinétique d’une masse en mouvement (l'​agitation d'un liquide, la diffusion des molécules);​
 +  * l’énergie potentielle des forces d'​interaction s’exerçant entre des systèmes, par exemple, différence de concentration,​ différence de température,​ du bromure d'​argent excité par la lumière...
 +
 +Lorsque deux systèmes interagissent,​ ils échangent de l'​énergie. Au cours de l'​interaction,​ la somme des variations d'​énergie dans le premier système est l'​opposée de la somme des variations d'​énergie dans le second ; l'​énergie totale est conservée. Si on considère qu'un système perd de l'​énergie,​ c'est que l'on exclue de ce système l'​Univers dans lequel une part d'​énergie se disperse sous forme de chaleur... Pour ces raisons thermodynamiques (second principe), toute transformation énergétique réelle est irréversible,​ ce qui veut dire qu'en inversant l'​opération,​ on ne retrouve pas la quantité l'​énergie consommée au départ, ce qui est perdu et difficilement récupérable.
 +
 +====  Sources d'​énergie ​ ====
 +
 +Article détaillé : Source d'​énergie. On qualifie également l’énergie selon la source d’où elle est extraite ou le moyen par lequel elle est acheminée: les énergies fossiles, l’énergie nucléaire, l’énergie de masse, l’énergie solaire, l’énergie électrique,​ l’énergie chimique, l’énergie thermique, l'​énergie d’origine biomassique
 +
 +====  Pour aller plus loin  ====
 +
 +Le concept d'​énergie est fondamental pour l'​étude des phénomènes de transformation (comme la chimie et la métallurgie) et de transmission mécanique, qui sont la base de la révolution industrielle. Le concept physique d'​énergie s'est donc logiquement affirmé au xixe siècle.
 +
 +Les transformations de l'​énergie qui font intervenir l'​énergie thermique sont étudiées par la thermodynamique : le premier principe affirme que l'​énergie se conserve. L'​énergie ne peut ni se créer ni se détruire mais uniquement se transformer d'une forme à une autre (principe de Lavoisier) ou être échangée d'un système à un autre (principe de Carnot) ; le second principe impose des limitations au rendement de la transformation de l'​énergie thermique en énergie mécanique, électrique ou autre. La conversion d'​énergie d'une forme à une autre n'est en général pas complète : une partie de l'​énergie présente au départ est dégradée sous forme d'​énergie cinétique désordonnée. On nomme rendement le quotient de l'​énergie obtenue sous la forme désirée par celle fournie à l'​entrée du convertisseur. En pratique, on distingue souvent différentes « formes » d'​énergie,​ telles que :
 +
 +  * l'​énergie cinétique, associée au mouvement d'un corps ou d'une particule ;
 +  * l'​énergie thermique, énergie cinétique d'un ensemble au repos ;
 +  * l'​énergie électrique,​ proportionnelle à la quantité d'​électricité ;
 +  * les énergies potentielles : moyennant un petit changement, possible sans travail, un système instable se transforme en un système plus stable, avec conversion de la différence d'​énergie entre les deux systèmes (le plus stable ayant une énergie moindre) : énergie potentielle mécanique, énergie potentielle chimique, énergie potentielle gravitationnelle,​ énergie potentielle électromagnétique,​ chaleur latente, énergie libre.
 +
 +...
 +
 +=====  Température ​ =====
 +
 +Origine physique:
 +
 +L'​agitation thermique des molécules d'un gaz donne un aperçu de leur température. Les particules qui composent un système matériel (molécules ou atomes) ne sont jamais au repos. Elles sont en vibration permanente et possèdent donc une certaine énergie cinétique. La température est une mesure indirecte du degré d'​agitation microscopique des particules. Par ailleurs, un espace vide de matière mais dans lequel de la lumière se propage contient lui aussi de l'​énergie. Dans de bonnes conditions, on peut associer une température à ce rayonnement qui mesure l'​énergie moyenne des particules qui le constituent.
 +
 +Lorsque deux corps entrent en contact, ils échangent spontanément de l'​énergie thermique&​nbsp;:​ l'un des deux corps a des particules qui ont plus d'​énergie cinétique, en les mettant en contact, les chocs entre particules font que cette énergie cinétique microscopique se transmet d'un corps à l'​autre. C'est ce transfert d'​énergie qui, en sciences physiques, est appelé chaleur. Ces transferts d'​énergie mènent spontanément à un état d'​équilibre thermique où les deux corps en présence ont la même température.
 +
 +== Réaction chimique ==
 +
 +Une réaction chimique est une transformation de la matière au cours de laquelle les espèces chimiques (atomiques, ioniques ou moléculaires) qui constituent la matière sont modifiées : les espèces qui sont consommées sont appelées réactifs. Les espèces formées au cours de la réaction sont appelées produits de réaction. Depuis les travaux de Lavoisier (1777), les scientifiques savent que la réaction chimique se fait sans variation mesurable de la masse : « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme » qui traduit la conservation de la masse.
 +
 +Les réactions chimiques provoquent un changement de la nature chimique de la matière, sont donc exclues les transformations purement physiques, comme les changements d'​état (fusion, solidification,​ évaporation,​ ébullition,​ etc.), l'​usure et l'​érosion,​ et la rupture. Une réaction peut dégager de l'​énergie (en général sous forme de chaleur, mais aussi de la lumière), elle est alors une réaction exothermique. Elle peut nécessiter un apport d'​énergie,​ sous forme de chaleur (donc « produire du froid ») ou de lumière, elle est alors une réaction endothermique. D'une manière générale, une réaction ne peut avoir lieu que si certaines conditions sont réunies (présence de tous les réactifs, conditions de température,​ de pression, de lumière). Certaines réactions nécessitent ou sont facilitées par la présence d'une substance chimique appelée catalyseur. Classiquement,​ les réactions chimiques impliquent des changements qui concernent le mouvement des électrons, la formation et la rupture des liaisons chimiques.
 +
 +====  Vision microscopique ​ ====
 +
 +Réaction chimique : échange d'​atomes entre les composés, exemple de la combustion du méthane dans le dioxygène. La matière est composée d'​atomes regroupés dans des composés chimiques, au cours d'une réaction chimique, les composés s'​échangent leurs atomes ; ce faisant, la nature des composés change. Les réactions chimiques ne concernent que les changements de liaisons entre les atomes (liaisons covalentes, liaisons ioniques, liaisons métalliques).
 +
 +Pour représenter les phénomènes qui ont lieu au cours d'une réaction chimique, on écrit une équation chimique.
 +
 +====  Réaction chimique et énergie ​ ====
 +
 +Les transformations ayant lieu lors de la réaction chimique entraînent en général, une diminution de l'​énergie totale avec une perte sous forme de chaleur (réaction exothermique). En effet, dans une molécule ou un cristal, l'« accrochage » des atomes entre eux nécessite de l'​énergie,​ appelée énergie de liaison. Lorsque l'on rompt une liaison, on « casse » la molécule ou le cristal en « éparpillant » ses atomes. Il faut alors fournir de l'​énergie pour casser ces liaisons. Lorsque les atomes se recombinent,​ ils libèrent de l'​énergie en formant de nouvelles liaisons. À la fin de la réaction, l'​énergie stockée dans les liaisons des produits de réaction est plus faible que celle qui était stockée dans les liaisons des réactants.
 +
 +Au cours de la réaction, il y a un stade où les anciennes liaisons sont rompues et les nouvelles ne sont pas encore créées. C'est un état où l'​énergie du système est élevée, un état transitoire qui constitue une véritable barrière à la réaction. L'​amorçage de la réaction consiste tout simplement à faire franchir cette barrière énergétique,​ appelée énergie d'​activation.
 +
 +L'​état d'un système chimique est caractérisé par :
 +
 +les grandeurs physiques température et pression ; les espèces chimiques qui le constituent,​ ainsi que leur état physique (solide (s), liquide (l), gaz (g), dissous (aq)) et leur quantité de matière.
 +
 +====  Vitesse de réaction ​ ====
 +
 +Article détaillé : [[https://​fr.wikipedia.org/​wiki/​Cinétique_chimique|Cinétique chimique]].
 +
 +L'​étude de l'​énergie du système permet de savoir si une réaction peut se produire ou non, quelle énergie initiale il faut fournir pour franchir la barrière. Mais il y a un autre paramètre important : la vitesse de réaction.
 +
 +La vitesse de réaction (cinétique chimique) est la mesure de la modification avec le temps des concentrations ou/et pressions des substances engagées dans cette réaction. La vitesse de réaction dépend de :
 +
 +  * **la concentration des réactifs** : une plus grande concentration augmente la possibilité de collision entre les molécules et ainsi augmente la vitesse de réaction ;
 +  * la **température** qui en s'​élevant active la réaction augmentant l'​énergie des molécules et créant plus de collisions par unité de temps ;
 +  * l'​énergie d'​activation qui est définie comme la quantité d'​énergie nécessaire pour que la réaction débute et s'​entretienne spontanément ;
 +  * la surface disponible pour le contact entre les molécules spécialement du solide dans les systèmes hétérogènes. Une plus grande surface produit une plus grande vitesse de réaction ;
 +  * ...
 +
 +=====  Loi d'​action de masse  =====
 +
 +La loi d'​action de masse (ou loi de Guldberg et Waage (1864)) est une loi qui permet de définir l'​équilibre d'un système réactionnel. Un système réactionnel,​ soumis à une réaction chimique ayant atteint un équilibre, est caractérisé par le fait que les concentrations des réactifs de départ et des produits formés sont reliées par une expression dont la valeur est constante à une température donnée. On peut retenir de tout çà qu'une réaction chimique se "​termine"​ quand il n'y a plus de transformation des réactifs de départ en produits formés, on a atteint un équilibre apparent, c'est à dire que la quantité de réactif de départ qui n'a pas réagit est proportionnel à la quantité de produits formés et que cette proportionnalité est déterminée entre autres par la température.
fr/useful_physical_principles.txt · Dernière modification: 2017/02/14 18:23 (modification externe)