La physique-chimie est une discipline qui permet de décrire, comprendre et interagir avec les objets du monde matériel. Toute la technologie moderne repose sur la physique-chimie. Sans elle, personne n’aurait d’ordinateurs ou de voitures. Il n’y aurait pas d’électricité dans nos maisons, ni même d'eau potable. L’étude de la physique-chimie a permis de totalement transformer le monde dans lequel nous vivons.
Les physiciens et les chimistes cherchent à trouver les lois de la nature. Pour cela, ils font des expériences et prennent des mesures. Ils examinent attentivement et en détail les phénomènes naturels, et sont ainsi capables de développer des théories qui expliquent le fonctionnement de l’univers à l’aide de formules mathématiques. La physique-chimie est l’œuvre collective de nombreux scientifiques qui ont grandement contribué à faire avancer la connaissance humaine en bâtissant un système très efficace pour comprendre et manier la matière. Les scientifiques ont élaboré ce système en développant le concept de grandeurs physico-chimiques.
Une grandeur physique ou chimique est une caractéristique à laquelle on peut associer un nombre.
Une grandeur très utile est l’énergie. On utilise ce concept dans le langage courant, notamment pour décrire ce que l'on vit lorsqu'on ressent qu'on a beaucoup d'énergie. Mais en physique-chimie, l'énergie prend un sens bien particulier. En effet, on doit pouvoir quantifier l’énergie, c’est-à-dire lui associer un nombre. On peut ainsi se poser la question de savoir combien d’énergie il faut fournir pour faire démarrer une voiture ou pour faire bouillir une casserole d’eau. Cette quantité s'exprime alors avec une unité. Pour l'énergie, l'unité standard est le Joule, notée J.
Un litre d'eau à température ambiante a besoin de recevoir environ 300 000 J pour atteindre l'ébullition.
D'autres grandeurs couramment utilisées sont la masse, la longueur, le temps, la quantité de matière et la vitesse. Il y a aussi la pression, la température et l'intensité électrique. Chacune ont leurs propres unités. Il faut avoir à l'esprit qu'on peut seulement additionner et soustraire des quantités d'un même type. On peut ajouter un litre de jus de pomme à un litre de jus d'orange, ce qui fait deux litres de jus. Mais cela n'a pas de sens d'additionner un gramme de sel avec une seconde, c'est absurde. En revanche, on peut multiplier et diviser des quantités de types différents. Par exemple, si on divise une longueur par un temps, on obtient une vitesse. Il est primordial dans toutes les formules de physique-chimie de veiller à respecter la cohérence des unités. De part et d'autre d'une égalité, il doit y avoir des termes d'un même type. Raisonner avec les unités est d'ailleurs un outil très puissant pour se souvenir de formules et pour détecter des erreurs de calcul.
L'étude de la physique-chimie mène à des principes fondamentaux qui sont toujours et partout vérifiés jusqu'à présent, tels que les lois de conservation. Ainsi, on dit qu’il y a conservation de l’énergie, c’est-à-dire que l’énergie peut se transformer pour prendre une forme ou une autre, par exemple de l’énergie électrique se transforme en chaleur lorsqu’on chauffe une casserole d'eau sur une plaque électrique. Mais dans ce cas, la quantité de chaleur produite correspond exactement à la quantité d’énergie électrique consommée. L'énergie n'apparaît pas de nulle part. De façon similaire, on parle de conservation de la matière. Ainsi, lorsque l’on respire, il se produit une série de réactions chimiques qui font que le dioxygène ingéré se transforme en dioxyde de carbone. La conservation de la matière entraîne que la quantité de dioxyde de carbone produite correspond exactement à la quantité de dioxygène transformée. Des atomes ne peuvent pas se volatiliser comme par magie. On dit aussi que le bilan de matière doit être équilibré. Présentons maintenant les différentes parties du cours de physique-chimie sur StudySmarter.
Mesures et Incertitudes
Les résultats de physique-chimie s'appuient sur des expériences. On dit qu'il s'agit d'une science expérimentale. C'est-à-dire que les théories de la physique-chimie n'ont pas été imaginées comme on écrit un roman de fiction mais établies pour prédire avec précision les phénomènes naturellement observés. La physique-chimie se veut être une description fidèle de la nature et doit donc pouvoir être testée expérimentalement. Cela exige d'effectuer des mesures de grandeurs physiques et chimiques. Or, toute mesure comporte nécessairement une incertitude.
Un radar sur une route peut déterminer que la vitesse d'une voiture se trouve quelque part entre 83 et 84 km/h, mais ne peut pas connaître la valeur exacte de la vitesse avec tous les chiffres après la virgule.
Les scientifiques ont besoin de savoir évaluer l'incertitude de leurs mesures afin d'affirmer la validité de leurs résultats.
Mouvements et interactions
La mécanique est une branche importante de la physique. Elle consiste à étudier le mouvement d'objets matériels qui interagissent entre eux. Pour cela, il faut dans un premier temps savoir décrire les mouvements eux-mêmes, ce qui est l'objet de la cinématique. On définit des systèmes de coordonnées qui permettent de repérer de différentes manières la position des objets. Ensuite vient la dynamique, qui permet de déterminer quels mouvements ont lieu dans toutes sortes de situations à partir des forces telles que la force du poids ou la force de rappel d'un ressort, et des champs tels que le champ gravitationnel de la Terre ou le champ magnétique créé par un aimant. En utilisant les notions de champs et de forces ainsi que les lois de la mécanique, on peut prédire les trajectoires d'objets très variés tels qu'un projectile ou une planète. Les lois de Newton qui sont au nombre de trois résument les lois de la dynamique.
Figure 1. Un exemple de forces affectant un corps.
Énergie : conversions et transferts
Il est très utile de raisonner en termes d'énergie en physique-chimie car c'est une grandeur qui se retrouve dans tous les systèmes et qui peut être échangée d'un système à un autre et ainsi prendre différentes formes. Une réaction chimique peut libérer de l'énergie sous forme d'électricité ou de chaleur. Cette énergie peut être transportée par un métal ou un fluide et ensuite utilisée pour créer un mouvement, on parle alors d'énergie cinétique. Celle-ci peut à son tour se transformer en énergie potentielle de pesanteur ou élastique. On définit ainsi des théorèmes énergétiques qui permettent de reformuler les lois de la mécanique. Ces théorèmes se révèlent être très commodes pour analyser un grand nombre de situations.
La thermodynamique traite des relations qu'il existe entre les transferts d'énergie, les variations de température, pression et volume, et les changements d'état. On observe par exemple que si l'on force la pression de l'air à augmenter comme dans une cocotte minute, la température d'ébullition de l'eau augmente de sorte que l'eau bout à 120°C au lieu des 100°C habituels. Il peut ainsi faire plus chaud dans une cocotte minute que dans une casserole normale et c'est pourquoi la cuisson va plus vite. Pour donner un autre exemple, lorsque des glaçons fondent dans un verre, ils prélèvent de la chaleur environnante et ainsi refroidissent le liquide dans lequel ils se trouvent. Des notions comme celles-ci ont été développées en thermodynamique et ont permis d'inventer les moteurs de voiture et les réfrigérateurs. C'est une science au premier abord assez élémentaire mais qui est d'une grande importance et profondeur théorique.
Ondes et signaux
Les ondes sont omniprésentes dans le monde physique. Nous baignons à tout moment dans un océan d'ondes électromagnétiques, dont la lumière fait partie. Il y a aussi les ondes sonores et également les vagues sur la mer. Il s'agit d'énergie qui se déplace. Les ondes interagissent entre elles et également avec la matière qui peut les absorber ou les émettre. Ainsi, nos cordes vocales émettent des ondes sonores, et nos yeux captent des ondes lumineuses. En physique quantique, on trouve que la matière elle-même se comporte comme une onde. Il est important de savoir caractériser les ondes à l'aide de notions telles que la fréquence et la célérité.
Optique
La lumière occupe une place si importante dans la vie que l'on y consacre une branche à part entière que l'on appelle l'optique. Celle-ci décrit de quoi est composée la lumière, et comment celle-ci est déviée lorsqu'elle passe d'un milieu à un autre ou lorsqu'elle est réfléchie sur un miroir. La lumière peut également être diffractée, c'est-à-dire que son faisceau s'élargit lorsqu'elle rencontre un obstacle ou une petite ouverture. Tous ces phénomènes s'appliquent aux ondes en général mais il est commode de travailler avec la lumière, car on peut facilement la produire et l'observer.
Électricité
Les ondes se retrouvent également en électricité car en effet, les prises électriques de nos maisons fournissent un courant alternatif qui correspond à une onde électrique avec une fréquence de 50 Hertz. L'électricité est prépondérante dans la vie quotidienne. Nous passons nos journées à brancher et débrancher, allumer et éteindre des appareils électriques. Tout être humain mérite de comprendre comment fonctionne l'électricité.
Constitution et Transformation de la matière
La matière en physique-chimie est décrite comme un ensemble d'atomes eux-mêmes composés chacun d'un noyau et d'électrons qui gravitent autour du noyau et portent une charge électrique négative. Le noyau, quant à lui, est composé de protons, chargés positivement, et de neutrons, qui sont comme leur nom l'indique neutre. Il est possible de classifier les atomes en fonction de leur nombre de protons. Les atomes se lient à leur tour entre eux selon certaines règles pour former des molécules.
Les molécules peuvent réagir entre elles pour former d'autres molécules par un procédé que l'on appelle réaction chimique. Il en existe de toutes sortes, mais certaines catégories de réactions reviennent assez couramment. Il y a notamment les réactions acido-basiques qui font intervenir des couples d'acides et de bases et qui font varier le pH d'une solution. Il y a également les réactions d'oxydoréduction qui font intervenir un échange d'électrons et peuvent ainsi être utilisées pour générer de l'électricité comme dans une pile ou une batterie.
En chimie, on apprend toutes sortes de techniques expérimentales pour favoriser certaines réactions et en limiter d'autres et ainsi pouvoir synthétiser des molécules de notre choix. On apprend également à analyser les mélanges chimiques, par exemple en mesurant la concentration d'une solution à l'aide du procédé de titrage, ou encore en séparant les différents constituants d'une solution pour les identifier.
Figure 2. Les transformations physiques des états de la matière.
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