Système isolé

Re: Système isolé

Messagede physicus » 29 Juil 2015, 13:59

Les manuels sont écrits dans la précipitation et peu soignés (tant sur la forme que le fond). Par exemple, la charte graphique est une horreur typographique, ça pique les yeux, toutes les erreurs de mise en page y sont présentes. Bref, c'est plus des polycopiés de luxe que des livres.

L'énergie est toujours constante, elle s'échange entre des systèmes. Pour le solide en chute libre, donc non isolé puisque soumis à l'action de la Terre, son énergie cinétique augmente car , en tombant, donc en se déplaçant, le poids peut travailler et fournir donc de l'énergie, et augmenter l'énergie cinétique. Ce transfert d'énergie n'est possible que parce qu'il y a un déplacement qui permet au poids de travailler.

Et alors on constate que la variation d'énergie cinétique est égale et opposée à la variation d'énergie potentielle (j'avais oublié le signe dans le message avant).
Et on peut alors constater que le machin qu'on appelle énergie mécanique est constant.

Le raisonnement peut se faire aussi avec des forces de frottements que subit l'objet.
En chute libre freinée, l'objet change de position, et donc les forces de frottement et le poids vont travailler et modifier l'énergie cinétique de l'objet. Cependant, le frottement s'opposant au mouvement, le travail est négatif, alors que pour le poids, le travail est positif. L'énergie cinétique va de nouveau varier , mais moins rapidement, l'objet tombe plus lentement.
L'énergie se conservant, la variation d'énergie potentielle se répartit entre l'énergie cinétique de l'objet et l'énergie perdue par frottement (énergie cinétique dans le fluide où l'objet tombe ). Du coup, l'énergie mécanique 'simple' n'est plus conservée, une partie de l'énergie part dans le fluide de ralentissement.
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Re: Système isolé

Messagede Fisherman1978 » 29 Juil 2015, 15:01

Merci pour cette longue réponse,
J'ai toujours un problème:
Le solide en chute libre qui descend est un système :
- qui reçoit de l’énergie par le travail positif du poids
- qui ne perd pas d’énergie ( pas de force exerçant un travail négatif)
mais malgré tout son énergie totale reste constante....
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Re: Système isolé

Messagede physicus » 29 Juil 2015, 16:38

Il faut utiliser le théorème de l'énergie cinétique (ou des forces vives)
"la variation d'énergie cinétique d'un système est égal à la somme des travaux des forces qui s'exercent sur lui."

Donc effectivement, l'énergie cinétique du système augmente à cause du travail du poids.

Mais cela se fait en perdant de l'altitude, et donc l'énergie potentielle, celle disponible par le fait d'être à une certaine altitude, diminue.
Et au final, il y a un transfert d'énergie potentielle vers cinétique.

L'énergie potentielle se calcule en mesurant le travail nécessaire pour amener l'objet à une certaine altitude.

On fait le même raisonnement pour toutes les autres formes d'énergies potentielles:
ressort F = k.x , énergie potentielle E = 1/2.k.x^2, intégrale du travail élémentaire dW = F. dx sur un certain parcours
pesanteur F = mg, énergie ptentielle E = m.g.z , intégrale du travail élémentaire dW = P.dz = mg.dz sur une certaine hauteur
électrostatique F = q E, E = q.E.x = q.U avec tension U = E.x potentiel électrique (énergie par unité de charge)

Les énergies potentielles ne dépendent que de la position de l'objet.
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Re: Système isolé

Messagede Fisherman1978 » 30 Juil 2015, 03:56

Salut Physicus,

Ne le prends pas mal, mais je crois que tu ne comprends pas ce qui me pose problème. Ce que tu me dis sur le travail, les énergies, etc, je le sais.
Le problème est :
Comment rendre compatible avec le principe de conservation de l’énergie, le fait qu'un système reçoive de l’énergie, n'en perde pas et que pourtant son énergie totale soit constante; je ne vois pas par exemple comment faire un bilan d’énergie cohérent pour le système solide en chute libre.

De toute façon, comme le travail n'est plus dans le programme de 1ere S, il me semble que la seule façon de faire le principe de conservation de l’énergie est de faire des bilans d'énergie pour les différents systèmes étudiés.

Tu me dis:
"Comme ces forces travaillent, il y a un échange d'énergie entre le système et l'extérieur."

Si le travail du poids provoque un échange d'énergie entre le système solide en chute libre et extérieur, si le système gagne de l’énergie il faut que cette énergie soit perdue par le milieu extérieur pour respecter le principe de conservation de l’énergie. Or je ne vois pas où cette énergie serait perdue...
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Re: Système isolé

Messagede physicus » 30 Juil 2015, 06:08

Comment rendre compatible avec le principe de conservation de l’énergie, le fait qu'un système reçoive de l’énergie, n'en perde pas et que pourtant son énergie totale soit constante; je ne vois pas par exemple comment faire un bilan d’énergie cohérent pour le système solide en chute libre.

Erreur de raisonnement: en chute libre, le système diminue son énergie potentielle qui se transfert en énergie cinétique: plus on tombe de haut, plus la vitesse à l'impact est grande. Et la somme Ec + Ep peut être constante (vérifié expérimentalement en TP )


Si le travail du poids provoque un échange d'énergie entre le système solide en chute libre et extérieur, si le système gagne de l’énergie il faut que cette énergie soit perdue par le milieu extérieur pour respecter le principe de conservation de l’énergie. Or je ne vois pas où cette énergie serait perdue


L'énergie gagnée (énergie cinétique) vient du fait que l'objet se rapproche de la Terre et il possède dont moins d'énergie potentielle. Au final, il conserve son énergie mécanique.


Dans le cas où il y a des frottements, l'objet perd effectivement de l'énergie (énergie mécanique finale plus faible) car l'énergie est transférée vers l'atmosphère de la Terre (chaleur, turbulences). Mais pour le système { Terre, Objet} l'énergie reste constante, il y a juste une redistribution de l'énergie entre les deux éléments de ce système plus gros.
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Re: Système isolé

Messagede Fisherman1978 » 30 Juil 2015, 13:38

Physicus, tu as dit:
Erreur de raisonnement: en chute libre, le système diminue son énergie potentielle qui se transfert en énergie cinétique: plus on tombe de haut, plus la vitesse à l'impact est grande. Et la somme Ec + Ep peut être constante (vérifié expérimentalement en TP )


et:

Dans le cas de la chute d'un objet, il subit des forces extérieures (poids, éventuellement frottements) donc il n'est pas isolé.
Comme ces forces travaillent, il y a un échange d'énergie entre le système et l'extérieur.


Ces deux affirmations sont un peu contradictoires... Soit c'est un échange avec l'extérieur soit c'est une transformation interne....

Donc l’énergie ne vient pas de l'extérieur d'après ce que tu dis dans ton dernier message ,c'est juste un transfert interne au système et si on reprend cette définition:

"un système est isolé s'il n'échange ni matière ni énergie (par travail ou chaleur) avec l'extérieur"

On peut alors dire que le système est isolé...
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Re: Système isolé

Messagede Célestine » 30 Juil 2015, 18:34

Je cogite pas mal sur ton problème, et je ne suis toujours pas sûre d'avoir une réponse satisfaisante à te donner.
Je pense que le souci est dans ce que l'on met derrière le mot énergie à chaque fois qu'on l'emploie. Un autre problème est peut-être lié au fait que le travail n'est pas un stock d'énergie mais un échange d'énergie.

Sans le travail du poids (dû à la présence de la Terre, donc à une interaction avec l'extérieur du système), le système ne chuterait pas. Donc c'est bien par une interaction avec l'extérieur du système que celui-ci est soumis à des transferts d'énergie.
Le transfert s'effectue, sans perte, entre l'énergie cinétique du système et l'énergie potentielle du système. La valeur perdue d'un côté, et gagnée de l'autre, est égale au travail du poids du système.

Du coup, le travail du poids peut être vu comme le gain d'énergie cinétique d'une part, et la perte d'énergie potentielle de l'autre.

En schéma sous forme de bulles décrivant les énergies du système, on aurait une bulle pour Ep, une autre pour Ec, et une flèche de Ep vers Ec portant la valeur W(P).
Ainsi, avec une valeur d'échange positive (si le système perd de l'altitude), tu gardes une énergie mécanique constante.

Avec des frottements, il y aurait une autre flèche dirigée vers l'extérieur de cet ensemble {Ec + Ep}, avec le travail d'une autre force correspondant à un échange d'énergie vers l'extérieur du système, et donc faisant perdre de l'énergie mécanique au système.

Est-ce que cette description est convaincante ? La réponse "non" est autorisée... :-)
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Re: Système isolé

Messagede Fisherman1978 » 31 Juil 2015, 10:14

Bonjour Célestine, et merci pour ta réponse,

Je vois les choses comme toi,Il y a bien une interaction avec l'extérieur, mais pas de transfert d'énergie avec l'extérieur.

En fait les premières définitions que j'avais trouvées étaient:

Un système est isolé s'il ne peut échanger ni matière, ni énergie avec l'extérieur.

ou bien

Un système isolé est un système dont l'énergie se conserve.

alors que la bonne définition à l'air d'être (on en trouve plein de différentes):

Un système isolé, par opposition à un système ouvert, est un système physique qui n' interagit pas avec ses environnements. On dit qu'un système isolé est un système qui n'échange ni matière ni chaleur ni travail avec l'extérieur.


Le solide en chute libre n'est pas dans ce cas isolé, mais existe-t-il un terme pour désigner un système qui n'échange pas d'énergie avec
l'extérieur (sans se soucier du travail) et qu'on pourrait utiliser pour qualifier le solide en chute libre?
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Re: Système isolé

Messagede Célestine » 31 Juil 2015, 12:23

Le truc, c'est qu'il est difficile d'évoquer les échanges d'énergie (même pour dire qu'il n'y en a pas) sans parler de travail et de chaleur...

Un système qui n'échange pas d'énergie par chaleur avec l'extérieur subit une transformation adiabatique.
Dans le cadre de la mécanique, qui le plus souvent néglige les échanges d'énergie par chaleur, il reste à se préoccuper des potentiels échanges de matière et d'énergie par travail.
Sans échange de matière, le système est fermé. C'est pour moi le véritable opposé au système ouvert. En cela, je n'adhère pas à la dernière définition que tu as trouvée.
Sans échange d'énergie par travail (en plus de l'absence d'échange par chaleur), le système est isolé.

Je ne vois pas de qualificatif pour ce que tu décris, car même s'il n'y a pas de perte d'énergie de ton système en chute libre, il y a un échange avec l'extérieur. Exceptée la conservation de son énergie mécanique.


Sinon, concernant ta dernière définition, à part l'opposition avec le système ouvert, celle-ci colle parfaitement à celle que j'ai donnée en première page de la discussion, alors je suis forcément d'accord ! ;-)
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Re: Système isolé

Messagede Donatello » 31 Juil 2015, 12:34

physicus a écrit:Un système isolé, en mécanique, est un système qui ne subit aucune action (force) de l'extérieur.

Fisherman1978 a écrit:(...) le solide en chute libre est isolé d'un point de vue énergétique alors que le solide en chute avec frottements est non isolé...

Je crois qu'il faut se restreindre à la mécanique.

En mécanique, la définition d'un système isolé est celle de physicus.

En lisant cet échange passionnant, je me suis demandé à quoi m'avait servi la notion de système isolé en mécanique, cette année, en terminale S.

A rien.

Ce qui m'a en revanche beaucoup servi, c'est la notion de force conservative.

Mais, depuis plus d'une heure de réflexions entrecoupées par des courses et le repas (préparation et consommation) et l'arrivée d'un message de Célestine, pour la notion de système mécanique isolé ou pseudo-isolé, rien, pas une utilisation pertinente qui aille plus loin que: "le mouvement du centre de gravité d'un système isolé ou pseudo-isolé est rectiligne uniforme".
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