solide et température

[pcpc]

Bonjour à tous, je me pose la question suivante : les solides sont caractérisés par des mouvements très limités au niveau microscopiques; en fait, les atomes vibrent autour de leur poisition d'équilibre et j'aurais voulu avoir une précision concernant la température T des solides: la T est le reflet de l'agitation thermique et donc des chocs (à confirmer ?) des atomes au niveau microscopique : pour les solides, est-ce que les vibrations des atomes se font avec des chocs entre atomes ? Je dirai que oui mais ne ne trouve cette info nulle part; Si non, peut-on définir une T uniquement à partir d'un mouvement de vibration sans chocs ? En gros, est-ce que T = chocs ? Merci beaucoup. A+
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[LPFR]

Bonjour.
Les atomes ne sont pas des boules de billard.
Dans un solide ils sont "en contact", mais en contact avec leur orbitales. C'est un contact "mou".
Donc on peut dire que les atomes sont toujours en contact et qu'il oscillent autour de leur position d'équilibre "en déformant leur extérieur mou".

Et comme la force entre atomes n'est pas tout à fait symétrique, quand l'amplitude d'oscillation augmente, il faut que la position d'équilibre éloigne un peux les atomes. C'est la raison pour laquelle des corps se dilatent quand on chauffe.
Il vaudrait mieux imaginer les atomes comme des balles de tennis. Quand vous comprimez le solide, vous écrabouillez un peux les balles.

Et oui, l'énergie thermique des atomes augmente avec T, de sorte que chaque atome à une énergie (en moyenne) de (3/2) kT.
Au revoir.

[pcpc]

Merci pour la réponse rapide et pour les précisions apportées.
Mais pour reformuler ma question, à quoi est due concrètement au niveau microscopique la T des solides ? D'après ce que vous écrivez et si j'ai bien compris, ce serait dû à la déformation de l'environnement mou extérieur dû au mouvement de vibration, ce qui pourrait, très très grossièrement être assimilé à des chocs entre atomes ?

[LPFR]

Merci pour la réponse rapide et pour les précisions apportées.
Mais pour reformuler ma question, à quoi est due concrètement au niveau microscopique la T des solides ? D'après ce que vous écrivez et si j'ai bien compris, ce serait dû à la déformation de l'environnement mou extérieur dû au mouvement de vibration, ce qui pourrait, très très grossièrement être assimilé à des chocs entre atomes ?

Re.
La température est l'agitation thermique.
Comme dans un gaz.
A+

[A voir en vidéo sur Futura]

[pcpc]

J'ai l'impression que je fais une confusion entre agitation thermique et chocs entre particules ; la T est le reflet de l'agitation thermique (OK) mais pour moi, cette agitation thermique entraîne bien des chocs entre particules et ce sont ces chocs qui sont à l'origine de la T.
Où est mon erreur de raisonnement ?
Merci

[Gilgamesh]

J'ai l'impression que je fais une confusion entre agitation thermique et chocs entre particules ; la T est le reflet de l'agitation thermique (OK) mais pour moi, cette agitation thermique entraîne bien des chocs entre particules et ce sont ces chocs qui sont à l'origine de la T.
Où est mon erreur de raisonnement ?
Merci

A une constante près, tu peux écrire :

E = kT

avec :
E l'énergie cinétique moyenne des atomes = m<v²>/2, avec <v²> la vitesse quadratique moyenne. Si tu à N particules avec des vitesse v₁, v₂...vi_...v_N et qu'on additionne l'énergie cinétique de chacune on va arriver à une certain total. La vitesse quadratique moyenne c'est la grandeur telle que si les N particules avaient un vitesse <v> alors le total Nm<v²>/2 aboutirait au total précédemment calculé.

k la cte de Boltzmann = 1,380×10^-23 J⋅K-1, qui fait juste la traduction entre les deux grandeurs énergie et température.

T la température, en Kelvin

Vu qu'il n'y a qu'une constante entre les deux, on pourrait choisir notre système d'unité tel que k=1 et écrire :

E = T

et signifier de la sorte que la température est une énergie cinétique.

MAIS il ne faut toutefois pas confondre les deux grandeurs énergie et température, car il entre dans la notion de température une réalité statistique essentielle qui est absente du concept moins construit d'énergie :

1/ la vitesse est mesurée par rapport au centre de masse des N particules et non par rapport à l'observateur. Un avion qui passe à mach 2 devant moi, n'a pas du fait de sa vitesse plus élevée une température plus élevée que s'il allait à mach 1, car la température est mesurée par rapport au référentiel de l'avion (autrement dit, la sommes vectorielle des vitesses v_i est nulle par définition). Ce qui signifie incidemment que la température n'est pas définie si N = 1. La température est nécessairement une propriété collective.

2/ du fait que c'est une propriété collective, la température intègre une notion de distribution. La distribution de la vitesse des particules obéit à une loi de distribution précise dit de Maxwell-Boltzmann (voir graphiques ci-dessous) et cela joue un grand rôle dans beaucoup de phénomènes physico-chimiques. Cette distribution est déduite d'une hypothèse de choc hasardeux et élastiques : il est donc nécessaire à la définition d'une température que les particules qui composent le corps interagissent sous forme de choc élastique pour redistribuer leur vitesse.




a+

[pcpc]

Bonjour, je te cite :

"il est donc nécessaire à la définition d'une température que les particules qui composent le corps interagissent sous forme de choc élastique pour redistribuer leur vitesse"

j'ai donc ma réponse: pas de définition de T sans chocs.
D'où ma question initiale concernant les solides dont les atomes vibrent autour de leur position d'équilibre : on a bien grossièrement des chocs élastiques entre les atomes voisins, non ?
Merci encore.

[LPFR]

D'où ma question initiale concernant les solides dont les atomes vibrent autour de leur position d'équilibre : on a bien grossièrement des chocs élastiques entre les atomes voisins, non ?
Merci encore.

Re.
Un "choc" implique
-pas de contact
-contact
-pas de contact.

Dans un solide les atomes sont toujours en contact. Donc, ce ne sont pas des chocs.
Vous pouvez imaginer votre solide comme des masses reliées à ses voisines par les ressorts.
Chaque masse s'agite dans son coin, en enquiquinant ses voisines. Mais ce ne sont pas des chocs.
Par contre dans un gaz, oui: ce sont des chocs.
A+

[pcpc]

D'accord, merci, je comprends mieux.
Mais donc pour bien distinguer conduction thermique et l'effet Joule dans la conduction électrique:
- la conduction thermique dans les solides conducteurs (avec é libres), ce qui provoque la conduction thermique, c'est les chocs é-é (là, il y a chocs, non ?), les chocs è-ions du réseau et aussi les vibrations des ions du réseau ?
-l'effet Joule est dû aux chocs entre é et ions du réseau (pas de chocs é-é car tous les é libres se déplacent alors dans le même sens, imposé par le champé électrique du générateur).

Merci de me corriger si j'ai dit des sottises.

a+

[LPFR]

Bonjour.
Les électrons libres se comportent comme les molécules d'un gaz. Ils ont une vitesse due à la température, et ils font un échange permanent des leur énergie thermique par des chocs (cette fois oui) avec d'autres électrons et avec les atomes du réseau (ionisés ou pas). Quand vous chauffez une extrémité d'un barreau de métal vous augmentez la vitesse des électrons et ce sont eux, qui chauffent le reste du métal par des chocs. C'est la conduction thermique. Elle est meilleure dans les conducteurs que dans les isolants (au diamant près).

La conduction thermique par le réseau est moins bonne que celle par des électrons. La seule exception est le diamant synthétique (le naturel a trop de défauts), qui conduit mieux que le cuivre car les liaisons entre atomes sont très fortes. Dans la même ligne, les matériaux durs, qui ont des liaisons fortes entre atomes, comme le saphir sont meilleurs conducteurs thermiques que les isolants moins durs.

Dans l'effet Joule. Les électrons "libres" acquièrent un peu d'énergie entre deux chocs, accélérés par le champ électrique. Ils se dépêchent de partager cette énergie avec les autres électrons et les atomes du réseau par des chocs. L'ensemble d'électrons et atomes se réchauffe.
Au revoir.

[pcpc]

merci beaucoup, j'ai bien compris le tout; juste une dernière remarque: ne néglige-t-on pas les collisions entre é libres dans l'effet joule; il me semble que dans le modèle de Drude, seules les collisions é-ions sont considérées, les collisions entre é libres étant peut-être moins nombreuses ...

En tous cas, merci pour votre aide.

a+

[LPFR]

Re.
Oui, on peut négliger les chocs entre électrons car ils ne changent pas grand chose. Ils se répartissent l'énergie entre eux. Mais c'est dans les échanges avec les atomes que la température du solide change.
A+