Mécanique avancée et physique thermique

Mouvement circulaire

Le mouvement suivi par un objet dont la distance à un certain point appelé centre est constante est appelé mouvement circulaire. C'est un mouvement périodique car le corps finit par revenir à la position qu'il occupait précédemment. En général, nous nous intéressons aux corps qui se déplacent en cercle à une vitesse uniforme, ce qui donne une périodicité temporelle.

Oscillateur harmonique

Alors que le mouvement circulaire n'est pas nécessairement périodique (bien qu'il le soit généralement), les oscillateurs harmoniques se définissent précisément par leur comportement périodique. Ce sont des systèmes qui oscillent avec une certaine période autour d'une position stable.

Le meilleur exemple d'oscillateur harmonique est un pendule sur terre sans résistance de l'air. La position de stabilité est la corde du pendule qui est verticale. Lorsqu'il est déplacé de cette position, le pendule oscille d'un côté à l'autre.

Il existe de nombreuses caractérisations et quantités que nous pouvons attribuer à ces systèmes. Ce qu'il faut retenir ici, c'est que les corps qui suivent un tel mouvement ont une énergie qui est caractérisée par deux facteurs principaux : l'amplitude du mouvement (la distance que ses oscillations lui font parcourir par rapport à la position de stabilité) et la fréquence de l'oscillation (le taux d'oscillations terminées par unité de temps).

Comme dernière caractéristique pertinente du mouvement harmonique, nous allons définir le concept de résonance. Il s'avère que différents mouvements harmoniques interfèrent les uns avec les autres. Une description mathématique révèle qu'ils "s'additionnent" et peuvent soit se neutraliser, soit donner un résultat mitigé, soit interférer de manière constructive pour amplifier les oscillations.

Lorsqu'une interférence constructive se produit, l'amplification peut être notable et maximiser le transfert d'énergie entre les oscillations harmoniques. Ce phénomène de transfert optimal d'énergie est appelé résonance. Une radio en constitue un exemple au quotidien : des ondes radio sont émises dans le monde entier. Bien que nous ne puissions pas les entendre, nos radios sont des appareils où d'autres ondes sont accordées pour interférer de manière constructive avec ces ondes radio, amplifiant ainsi leur énergie et générant un son.

Qu'est-ce que la physique thermique ?

La physique thermique est l'étude des processus physiques impliquant des changements de température. Nous allons examiner ici certains de ses aspects phénoménologiques et fondamentaux.

Aspects phénoménologiques de la physique thermique

Les aspects phénoménologiques de la physique thermique comprennent différentes lois et processus proposés dans le cadre de théories basées uniquement sur la réalisation d'expériences. Les expériences de transfert d'énergie thermique et les gaz idéaux en sont deux exemples.

Letransfert d'énergie thermique est le processus par lequel des corps ayant des températures différentes transfèrent leur énergie de l'un à l'autre, modifiant ainsi leurs températures. Dans les expériences de transfert d'énergie thermique, les éléments suivants sont largement étudiés :

• Lacapacité thermique spécifique, qui désigne la quantité de chaleur (énergie thermique) nécessaire pour élever la température de 1 kg d'une certaine substance de 1 degré Celsius. La capacité thermique spécifique est une propriété spécifique en ce sens qu'elle est différente pour chaque substance.
• Lachaleur latente, qui est la chaleur nécessaire pour changer la phase de 1 kg d'une substance. Par ce changement de phase, on entend le processus par lequel les substances passent de l'état gazeux à l'état liquide et à l'état solide. Dans ce processus, la température ne change pas (l'eau bouillante, par exemple, reste à 100 ºC jusqu'à ce qu'elle soit complètement vaporisée), la caractérisation ne comprend donc pas de changement de température.

Lesgaz idéaux sont des gaz qui existent dans certaines conditions et qui suivent des lois très simples tout en variant en ce qui concerne certaines propriétés (voir ci-dessous sous "Aspects fondamentaux" pour certaines de leurs caractéristiques de base). Trois processus impliquant des gaz idéaux et concernant leur température sont les suivants :

• Lorsqu'une certaine quantité d'un gaz idéal est maintenue à une température constante, les changements de pression sont inversement proportionnels aux changements de volume. C'est ce qu'on appelle la loi de Boyle.
• Lorsqu'une certaine quantité d'un gaz idéal est maintenue à pression constante, les changements de température sont directement proportionnels aux changements de volume. C'est ce qu'on appelle la loi de Charle.
• Lorsqu'une certaine quantité d'un gaz idéal est maintenue à un volume constant, les changements de pression sont directement proportionnels aux changements de température. C'est ce qu'on appelle la loi de Gay-Lussac.

Aspects fondamentaux de la physique thermique

Cela nous amène à la théorie cinétique moléculaire, qui extrait les propriétés globales des substances, en particulier des gaz, en tant qu'effets collectifs des molécules formant la substance.

En général, les molécules d'une substance liquide suivent un mouvement brownien, terme utilisé pour désigner un mouvement aléatoire causé par l'influence d'un très grand nombre d'autres particules interagissant avec les molécules de la substance.

Dans une hypothèse simplificatrice, on suppose que les particules d'une substance sont ponctuelles, en mouvement constant (pas à l'état solide) et que les collisions sont élastiques (sans perte d'énergie ou d'élan). Ces conditions font partie de ce que l'on appelle la théorie moléculaire cinétique et comprennent la définition des gaz idéaux.

Néanmoins, que l'on adopte une description simplifiée ou que l'on étudie une substance sans aucune hypothèse, on est toujours en mesure d'extraire des conclusions statistiques du comportement de toutes les particules formant la substance. Par exemple, la température est une mesure de l'énergie cinétique moyenne des particules : plus la température est élevée, plus les particules se déplacent rapidement en moyenne.

La pression est un autre exemple pertinent de propriété statistique. Il s'agit essentiellement de la force moyenne par unité de surface exercée par les particules sur la région dans laquelle elles sont contenues.

Les lois des gaz idéaux peuvent être dérivées en tenant compte des hypothèses que nous avons mentionnées et en appliquant les lois du mouvement de Newton à un niveau microscopique, ce qui permet d'obtenir des quantités moyennes (pression, température) et des relations entre elles.

_xi : _x1, _x2, _x3, ...

xi_: la valeur initiale de x