Rudiments sur la composition de la matière/Notions génériques

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Nous allons débuter cette leçon par quelques rappels de notions génériques non essentielles mais fortes utiles…

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Ordres de grandeur

De manière générale, dans la vie, il faut souvent faire appel à la notion d'ordre de grandeur, c'est-à-dire, à la notion d'échelle. On y fait référence afin de mieux analyser le contexte du sujet, de le recadrer, de se replacer dedans...
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Par exemple, si vous parlez de sachets de pommes, ce n’est pas la même chose que si vous parlez de cageots de pommes ou de camions transportant des cageots de pommes : la quantité de pommes dont il est question n’est pas du même ordre de grandeur ! Eh bien c’est pareil pour toutes les autres grandeurs physiques, qu’elles soient concrètes, palpables, ou, abstraite, immatérielles, conceptuelles.

Dans cet exemple, l'unité physique dont on parle est : "La Pomme". Et la grandeur physique, l'échelle, est soit "le sachet", soit "la cagette", soit "le camion". Alors, évidemment, pour quantifier le nombre de pommes stockées dans un grand hangar, il sera sans doute plus pratique d’utiliser la grandeur "Camions de Pommes" plutôt que la grandeur "Sachets de Pommes" ou même, que d’utiliser juste l'unité "Pommes". Pourquoi ? Eh bien déjà parce qu'un hangar rempli de pommes, ça fait beaucoup de pommes à quantifier et donc, si l’on utilise la grandeur "Camion", ça fera des chiffres plus petits que nous auront donc plus de facilité à s'imaginer et à manipuler.

Par exemple, si je vous dis qu’il y a 10 millions de pommes dans ce hangar, ça ne vous dira sans doute rien ! Mais si je vous dis maintenant que chaque camion peut transporter, disons, 1 million de pommes, alors vous savez qu’il suffira d’avoir "10 Camions de Pommes" pour vider entièrement ce hangar. Et si je vous dis que chaque magasin de pommes peut stocker à la vente 2 camions de pommes chacun, alors vous savez que votre hangar ne pourra fournir que 5 magasins, ce qui, en soit, n’est pas vraiment un exploit parce qu’il faudra sans doute en avoir autant chaque semaine pour pouvoir réapprovisionner ces magasins !

Vous voyez donc que les grandeurs permettent de mieux visualiser les quantités dont il est question et donc, de mieux les replacer dans leur contexte d'utilisation, de mieux les relativiser. Mais il y a un autre intérêt à cela que de réduire simplement la taille des nombres employés. En effet, lorsqu'on rempli un "camion de pommes", on en est pas à une ou deux pommes près : ça ne changera rien, ni pour le transporteur, ni pour le camion, ni pour les magasins ! Ca permet donc d'arrondir les nombres en nous concentrant sur la masse (le nombre de camions nécessaires) plutôt que sur le nombre exacte des toutes petites unités (i.e., le nombre réel de pommes contenues dans le hangar, à la pomme près).

Notation

Voila donc à quoi servent les échelles de grandeurs physiques. Nous venons de voir d'ailleurs qu’elles étaient écrites sous la forme :

"grandeur unité"
(Ex. : camion de_pommes)

Eh bien c’est exactement la même chose ici sauf qu'on a standardisé, uniformisé, toutes les grandeurs de toutes les unités physiques. Ceci afin, par exemple, de ne pas parler de "camion d'électricité" ce qui n'aurait, en soit, aucun sens !

Même s'il est toujours préférable de connaître par cœur toutes ces grandeurs, vu que certaines ne sont que peu usités au quotidien, voici un tableau auquel vous pourrez toujours vous reporter en cas de besoin :

Multiples

-

Sous-multiples

Préfixes :

yotta-

zetta-

exa-

péta-

téra-

giga-

méga-

kilo-

hecto-

déca-

déci-

centi-

milli-

micro-

nano-

pico-

femto-

atto-

zepto-

yocto-

Symboles :

Y

Z

E

P

T

G

M

k

h

da

unité

d

c

m

μ

n

p

f

a

z

y

Facteurs :

1024

1021

1018

1015

1012

109

106

103

102

101

100

10−1

10−2

10−3

10−6

10−9

10−12

10−15

10−18

10−21

10−24

Nombre :

1000

1000

1000

1000

1000

1000

1000

1

1

1

1,

1

1

1

0001

0001

0001

0001

0001

0001

0001

Notes Importantes :

1. La partie de gauche du tableau (Multiples) concerne l'échelle des grandes valeurs (vers l'infiniment grand) tandis ce que la partie de droite (sous-multiples) représente l'échelle des très petites valeurs (vers l'infiniment petit).
2. Les préfixes se placent toujours devant les unités, sans espace (ni le tiret). Par exemple, si les unités sont des mètres, et qu’il y en a 3 centaines (300), on utilisera le terme de "hectomètre" pour spécifier à la fois l'unité ET son échelle de grandeurs. Mais, dans la notation scientifique, nous utiliseront seulement les symboles de la grandeur physique et de l'unité. Donc, ici, le symbole du mètre est simplement la lettre "m" et celui de la grandeur "h", ce qui nous donnera bien "3 hm" qu’il faudra prononcer "trois hectomètres".
3. Vous ne pouvez pas cumuler différentes grandeurs multiples entre elles. Par exemple, vous ne pouvez pas parler de kmm "kilo_milli_mètres" (qui, ici, reviendrait à parler simplement de mètres !). Donc, ceci n’est pas possible parce que, pour chaque cumule de grandeurs, il existe déjà une grandeur distincte.
4. Vous remarquerez que les grandeurs proches de l'unité portent chacune un nom tandis ce qu'au delà de 10^{± 3}, les sauts se font de par puissances de 3, c'est-à-dire, en ajoutant à chaque fois "000". Dit autrement, les échelles sont généralement des multiples de 1'000 sauf dans les cas proches de l'unité où là, on ira de 1 à 10, puis à 100, puis à 1 000. Autrement dit encore : chaque grandeur vaut mille fois (XYZ * 1 000) plus que la grandeur précédente.
5. Avec certaines unités, certaines grandeurs intermédiaires peuvent porter des noms spécifiques à cette unité car elles correspondent à une grandeur typique d'un élément physique. Par exemple, si un camion peut transporter typiquement 1 million de pommes, de poires ou de bananes, les vendeurs de poireaux pourront parfaitement parler de "33 tonnes" en lieu et place du terme "camion" pour faire référence à une certaine grandeur, ou encore, de "camionnette" pour faire référence à une grandeur située entre celle du "camion" et celle de "la cagette", …
6. Le chiffre de puissance (celui en haut à droite du "10") correspond en fait au nombre de zéro qui se trouve entre la grandeur et l'unité. 1 kilomètre = 10³ mètres = 1000 mètres. C'est pareil en dessous de 0 : ça représente le nombre de zéros, y compris le zéro avant la virgule : 1 millimètre = 10^-3 mètres = 0,001 mètre.
7. Notez que dans certains domaines très spécifiques (tels que celui de l'informatique par exemple), on ne compte plus (pour de très bonnes raisons) sur une base en puissances de 10 (c'est-à-dire, en "décimal") mais sur une base binaire, donc, via des puissances de 2 (et parfois encore dans d'autres bases, telles que l'octal - base 8 - ou l'hexadécimal - base 16 -) ce qui ne nous donne pas des sauts de 1 000 entre chaque grandeur, mais des sauts de 1'024 (pour ce qui concerne la numération binaire - en base 2 - utilisée en informatique).

Exemples :

• 1 000 000 poires = 1 000 kp (kilopoire) = 1 Mp (mégapoire)
• 1 mètre fois 10^-3 = 1 mètre divisé par 1000 = 0,001 mètre = 1 mm (millimètre) = 0,1 cm (centimètre) = 0,01 dm (décimètre) = 1 000 μm (micromètres) = 1 000 000 nm (nanomètres)
• Vitesse de la lumière = 300 000 km/s (kilomètres par seconde) = 300 000 000 m/s (mètres par seconde) = 300 Mm/s (mégamètres par seconde) = 0,3 Gm/s (gigamètres par seconde)

L'énergie

L'énergie n’est pas quelque chose de réellement tangible, de bien concret… Il s'agit plutôt d'un concept, d'une vue de l'esprit afin d'expliquer certains phénomènes observés.

Intuitivement, on peut déjà supposer que l'énergie fait référence à une certaine quantité (d'énergie, en l’occurrence). Et on peut également supposer qu'elle peut revêtir des natures bien différentes selon le contexte d'observation. Par exemple, l'énergie d'un poisson n’est pas de la même nature que l'énergie d'une fusée, et n’est pas non plus de la même grandeur !
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Les types d'énergie les plus connues sont sans doute :

• l'énergie cinétique - qui induit des mouvements
• l'énergie thermique - qui induit des températures, de la chaleur
• l'énergie électrique - pour l'électricité
• l'énergie lumineuse - pour l'éclairage
• …

Cependant, toutes ces énergies ont un point en commun : elles agissent sur leur environnement, elles le modifie, elle change son état. Par exemple, sans énergie électrique, la lumière est éteinte. Avec suffisamment d'énergie électrique, une ampoule peut s'éclairer. Ou encore, sans énergie thermique, pas de chauffage, avec, on peut faire du feu. Pas de mouvements = pas d'énergie cinétique.

C'est-à-dire que l'énergie, c’est la quantification des interactions entrainant un changement quelconque dans l'objet, le système, observé. On parle aussi de "travail" ou de "force".
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Bien que, présentement, tout ceci soit un peu abstrait et ne nous concerne pas vraiment, sachez que les physiciens se sont mis d'accord pour utiliser une unité de mesure unique et donc, commune à tous les types d'énergie, qu'importe leur nature. Car, en effet, elles peuvent toutes être transformées en un autre type d'énergie, et donc, changer de nature sans nécessairement changer la quantité observée, mesurée.
Par exemple, on peut dire que la quantité de travail nécessaire, requise, pour fabriquer un outil sera exactement la même pour un humain que pour une machine alors même que l'énergie de l'humain n’est pas de même nature (énergie biologique, thermique) que l'énergie d'une machine (énergie mécanique, cinétique).

Cette unité (du Système International d'Unités, dit "SI") est le Joule (de son "inventeur", Monsieur James Prescott Joule).

Maintenant, ceci induit 2 autres concepts tout aussi fondamentaux l'un que l'autre :

• Le potentiel énergétique (l'énergie qu’il est possible de déployer mais qui ne l'est pas encore)
• La puissance à travers le facteur "Temps"

Le Potentiel

Cette notion correspond à l'énergie dont un objet, un système, peut disposer, a priori. C'est-à-dire, sa capacité à interagir, mais sans interagir pour le moment.
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Par exemple, si l’on prend deux voitures, l'une avec le réservoir plein, et l'autre avec son réservoir de carburant remplie à moitié : la première voiture dispose d'une capacité, d'un potentiel de déplacement (d'énergie cinétique) plus grand que la seconde voiture, alors même que ces deux voitures, sont, pour l'instant, dans leurs garages respectifs. Donc, ces deux voitures n'ont pas encore bougé mais ont connait déjà leur capacité énergétique (ici, par le remplissage de leur réservoir, pour l'exemple).

Autre exemple : prenons un gros rocher perché sur une montagne mais près à tomber dans le vide sur une route (déserte). Pour l'instant, il est toujours en équilibre et ne bouge pas : il n'a donc pas d'énergie cinétique puisqu’il ne bouge pas. Si on connait son poids et que l’on connait la hauteur de sa chute potentielle (par rapport à la route), alors on peut déterminer sa capacité à écraser (ou pas) une voiture qui passerait en contrebas. On peut donc calculer son "potentiel énergétique" (d'énergie cinétique en l’occurrence), sa "capacité" d'interaction (avec une voiture, un cycliste ou un camion p.ex.).

C'est la même chose avec un réservoir d'eau ou, plus simplement, une pile ou une batterie électrique : ils ont un potentiel mais ne produiront de l'énergie que si ce potentiel est mis en action (dans le temps).

La Puissance

Voyons l'importance du facteur Temps en ce qui concerne l'énergie. Nous savons que l'énergie est la capacité qu'on des objets ou des systèmes à interagir sur leur environnement. Mais une interaction, ça a, nécessairement, une durée (dans le temps) parce que sinon, rien ne "change" (c'est la définition même du "temps" d'ailleurs : l'évolution des interactions).
​ Donc, lorsque les physiciens ont normalisés l'unité d'énergie qu'est le Joule, il l'ont fait sur une base temporelle standard, fixe (typiquement, la quantité de changements produits sur 1 seconde).

La Puissance est, en fait, la quantité d'énergie qu'un objet, qu'un système, peut fournir, mais sur une certaine durée (typiquement, sur une seconde).
​ Pour la quantifier, on utilise une unité de mesure dérivée du Système International (SI) : le Watt (provenant du physicien James Watt qui l'a introduite pour la première fois dans le milieu scientifique).