Les formes, sources et conversions d'énergie
Les différentes formes de l'énergie
Énergie
L'énergie est la capacité d'un système à modifier son état ou celui d'un autre système.
Un système ne possédant pas d'énergie et n'en recevant pas ne peut rester qu'inerte.
Source d'énergie
Une source d'énergie contient des réserves d'énergie que l'on peut utiliser. Elle peut être :
- non renouvelable si elle provient de réserves qui s'épuisent avec le temps et l'utilisation humaine. Ne se renouvelant pas assez vite, elles risquent de disparaître un jour.
- renouvelable si elle provient de réserves que la nature renouvelle en permanence. Ces sources d'énergie ne disparaîtront pas.
Le charbon, le pétrole, le gaz naturel sont des sources d'énergie fossiles, non renouvelables.
L'énergie peut prendre plusieurs formes selon les phénomènes qui lui donnent naissance :
| Formes d'énergie | Définitions |
| Énergie mécanique | Énergie qu'un corps possède du fait de son mouvement. |
| Énergie cinétique | Énergie qu'un corps possède du fait de sa vitesse. |
| Énergie potentielle de pesanteur (ou de position) | Énergie qu'un corps possède du fait de son altitude. |
| Énergie thermique | Énergie qu'un corps chaud cède à un corps plus froid. |
| Énergie électrique | Énergie qui a pour origine le mouvement des charges électriques. |
| Énergie chimique | Énergie libérée par les transformations chimiques. |
| Énergie lumineuse | Énergie qui a pour origine le rayonnement émis par une source de lumière. |
Les calculs des énergies cinétique, potentielle de pesanteur et mécanique
ll est possible de calculer les énergies cinétique et potentielle de pesanteur.
Énergie cinétique
L'énergie cinétique Ec d'un corps de masse m, se déplaçant à la vitesse v, est donnée par la loi :
Ec = \dfrac{1}{2} \times m \times v^2
Avec :
- la masse m exprimée en kilogrammes (kg) ;
- la vitesse v exprimée en mètres par seconde (m/s) ;
- l'énergie cinétique Ec exprimée en joules (J).
L'énergie cinétique d'un scooter de masse m = 100 \text{ kg} se déplaçant avec une vitesse de 10 m/s est :
Ec = \dfrac{1}{2} \times m \times v^2
Ec = \dfrac{1}{2} \times 100 \times 10^2
Ec = 5\ 000 \text{ J}
Il est utile de savoir convertir les vitesses exprimées en km/h en m/s et inversement :
v_{\left(\text{m/s}\right)} = \dfrac{v_{\left(\text{km/h}\right)}}{3{,}6} et v_{\left(\text{km/h}\right)} = 3{,}6 \times v_{\left(\text{m/s}\right)}
Une vitesse de 130 km/h correspond à \dfrac{130}{3{,}6} = 36 \text{ m/s}.
Énergie potentielle de pesanteur (ou de position)
L'énergie potentielle de pesanteur E_{pp} d'un corps de masse m, situé à une altitude y sur un astre où l'intensité de pesanteur est g est :
E_{pp} = m \times g\times y
Avec :
- la masse m exprimée en kilogrammes (kg) ;
- la hauteur y exprimée en mètres (m) ;
- l'intensité de pesanteur g exprimée en newtons par kilogramme (N/kg).
Sur Terre, l'intensité de pesanteur est g = 9{,}81 \text{ N/kg}. Ainsi, une personne de 60 kg située à une altitude de 100 m possédera une énergie potentielle de pesanteur de :
E_{pp}=m\times g\times y
E_{pp}=60\times 9{,}81\times 100
E_{pp}=58\ 860 \text{ J}
Énergie mécanique
L'énergie mécanique, notée E_m, d'un corps est la somme de son énergie cinétique E_c et de son énergie potentielle de pesanteur E_{pp} :
E_m = E_c + E_{pp}
Si un corps possède une énergie cinétique de 50 J et une énergie potentielle de pesanteur de 100 J, son énergie mécanique est :
E_m = E_c + E_{pp}
E_m = 50 +100
E_m = 150 \text{ J}
Les conversions d'énergie
Lors d'une conversion d'énergie, une forme d'énergie est transformée en une autre forme.
Une conversion d'énergie peut être représentée par un diagramme ou une chaîne énergétique.
Par convention, on représente :
- le dispositif convertissant l'énergie dans une ellipse ;
- les réservoirs d'énergie dans des rectangles ;
- les transferts par des flèches, au-dessus desquelles on peut indiquer leur nature.
La chaîne énergétique représentant la conversion d'énergie réalisée par une éolienne est la suivante :
Très souvent, lorsqu'un dispositif convertit de l'énergie, une partie de l'énergie est dissipée sous forme thermique (donc de chaleur) dans le milieu extérieur.
L'énergie est une grandeur qui ne peut être créée ni détruite, on dit qu'elle se conserve. Ainsi, la quantité d'énergie est la même avant et après conversion.
Dans le diagramme énergétique précédent, on peut écrire au niveau de l'éolienne :
\text{Énergie mécanique} = \text{Énergie électrique + Énergie thermique}
La quantité d'énergie totale est conservée.
La conservation de l'énergie mécanique
Au cours de la chute d'un objet :
- L'altitude de l'objet par rapport au sol diminue, donc son énergie de position Ep diminue aussi.
- La vitesse de l'objet augmente, ce qui signifie que son énergie cinétique Ec augmente aussi.
Ainsi, il y a transfert de l'énergie potentielle de pesanteur en énergie cinétique.
Variations des énergies cinétique et potentielle de pesanteur lors de la chute d'une balle
Conservation de l'énergie mécanique
Au cours d'une chute sans frottements, l'énergie mécanique est constante : on dit qu'elle se conserve. La diminution de l'énergie potentielle de pesanteur est compensée par l'augmentation de l'énergie cinétique.
Si les frottements n'étaient pas négligeables, une partie de l'énergie serait dissipée et l'énergie mécanique ne serait plus conservée et diminuerait progressivement.
Variations des énergies cinétique, potentielle de pesanteur et mécanique dans le cas d'une chute avec frottements
La relation entre l'énergie et la puissance
Puissance
La puissance caractérise la vitesse d'une conversion ou d'un transfert d'énergie : plus elle est importante, plus la conversion ou le transfert se fait rapidement. Son unité est le watt (W).
Relation puissance, durée et énergie
La puissance d'un transfert d'énergie est égale au rapport entre l'énergie transférée, exprimée en joules, et la durée du transfert, exprimée en secondes :
P_{\left(\text{W}\right)} = \dfrac{E_{\left(\text{J}\right)} }{\Delta t_{\left(\text{s}\right)} }
La puissance d'un système qui transfère une énergie de 100 J en 2,0 s est :
P_{\left(\text{W}\right)} = \dfrac{E_{\left(\text{J}\right)} }{\Delta t_{\left(\text{s}\right)} }
P = \dfrac{100}{2{,}0}
P = 50 \text{ W}
Les transferts d'énergie dans un circuit électrique
Généralités
Circuit électrique
Un circuit électrique est une association de composants ou dipoles électriques (matériel produisant ou utilisant de l'énergie électrique), comprenant au moins un générateur.
Pour représenter un montage électrique, on réalise un schéma électrique en utilisant les symboles des composants. Le circuit électrique est toujours représenté par un rectangle (circuit en série) ou plusieurs rectangles (circuit en dérivation).
Symboles des dipôles usuels
Schématisation d'un circuit électrique
Il existe deux types de circuits électriques : le circuit en série qui possède une seule boucle et le circuit en dérivation qui possède plusieurs boucles. Le circuit en dérivation est plus avantageux, le fonctionnement des récepteurs n'est pas modifié par leur nombre et le dysfonctionnement de l'un d'eux, contrairement au circuit en série.
Circuit en série
Circuit en dérivation
Le courant électrique est un mouvement d'ensemble de charges électriques dans un conducteur. Il est imposé par le générateur du circuit électrique. Dans un circuit électrique fermé, le courant circule du pôle + vers le pôle - à l'extérieur du générateur : c'est le sens conventionnel du courant. On le représente par une flèche (ou des flèches) placée sur les fils du circuit.
Sens conventionnel du courant électrique
L'intensité électrique
Intensité électrique
L'intensité électrique, notée I, caractérise le débit des charges électriques dans le circuit. Elle s'exprime en ampères (A) et est représentée sur les schémas électriques par une flèche placée sur les fils. Elle est éventuellement accompagnée d'une notation permettant de distinguer des intensités différentes.
L'intensité du courant électrique se mesure à l'aide d'un ampèremètre branché en série dans la brache concernée :
- On relie la borne mA de l'ampèremètre du côté du pôle + du générateur.
- On relie la borne COM de l'ampèremètre du côté du pôle – du générateur.
- On positionne le sélecteur du multimètre dans la zone correspondant à l'ampèremètre et on choisi le calibre le plus élevé, quitte à le réduire pendant la mesure pour avoir une valeur plus précise.
Dans le circuit suivant, l'ampèremètre mesure l'intensité du courant électrique.
Lois relatives à l'intensité électrique
Dans un circuit électrique, l'intensité électrique obéit aux lois :
- D'unicité de l'intensité : l'intensité est la même en tout point d'une même branche.
- D'additivité des intensités (ou loi des nœuds) : dans un circuit en dérivation, la somme des intensités qui arrivent sur un nœud est égale à la somme des intensités qui en repartent.
Dans le circuit suivant :
- La loi d'unicité de l'intensité donne I=I'.
- La loi des nœuds donne I = I_\text{1} + I_\text{2} .
La tension électrique
Tension électrique
La tension électrique, notée U, correspond à la différence « d'état électrique » entre deux points d'un circuit. Elle s'exprime en volts (V).
La tension électrique se mesure à l'aide d'un voltmètre branché en dérivation aux bornes du dipôle concerné :
- On relie la borne V du voltmètre sur la borne du dipôle par laquelle le courant électrique entre.
- On relie la borne COM du voltmètre sur la borne du dipôle par laquelle le courant électrique sort.
- On positionne le sélecteur du multimètre dans la zone correspondant au voltmètre et sur le calibre le plus élevé, quitte à le réduire pendant la mesure pour avoir une valeur plus précise.
Dans le circuit suivant, le voltmètre mesure la tension de la lampe, car il est branché en dérivation entre ses bornes :
Lois relatives à la tension électrique
Dans un circuit électrique, l'intensité électrique obéit aux lois :
- d'unicité de la tension : la a tension aux bornes de dipôles en dérivation est identique ;
- d'additivité de la tension : dans un circuit en série, la somme des tensions des dipôles est égale à la tension du générateur.
Dans le circuit suivant, la somme de la tension de la lampe et de la tension du moteur est égale à la tension du générateur :
U_\text{lampe}+U_\text{moteur}=U_\text{générateur}
Les résistances électriques et la loi d'Ohm
Résistance électrique
La résistance électrique, notée R, caractérise la capacité d'un conducteur électrique à laisser passer le courant électrique. Elle s'exprime en ohms (\Omega). Plus la résistance en ohms est grande, plus l'intensité du courant est petite : le courant passe moins bien.
Même si chaque dipôle a une résistance, il existe un dipôle qui se nomme « résistance » et qui n'est destinée qu'à résister au courant électrique.
Loi d'Ohm
La tension U aux bornes d'une résistance et l'intensité I qui la traverse sont des grandeurs proportionnelles, le coefficient de proportionnalité étant la valeur de la résistance R :
U = R \times I
Avec :
- U : tension (en volts) aux bornes de la résistance ;
- I : intensité (en ampères) traversant la résistance ;
- R : résistance électrique (en ohms).
Si une résistance de 150 \Omega est parcourue par un courant d'intensité de 20 mA, la tension entre ses bornes est :
U = R \times I\\U = 150 \times 20 \cdot 10^{-3}\\U = 3{,}0 \text{ V}
Tout passage de courant électrique dans un conducteur ayant une résistance électrique provoque un dégagement de chaleur, c'est l'effet Joule.
Les dangers des circuits électriques
Les circuits électriques peuvent présenter plusieurs risques :
- Le corps humain étant conducteur électrique, tout contact avec des fils traversés par un courant électrique est dangereux et peut provoquer une électrisation (passage du courant dans le corps ne provoquant pas la mort de l'individu) ou une électrocution (passage du courant dans le corps qui provoque la mort de l'individu).
- Un court-circuit, provoqué lorsque le courant électrique circule sans résistance, provoque un échauffement important pouvant déclencher un incendie.
L'énergie électrique consommée
La puissance consommée par un appareil électrique dépend de la tension entre ses bornes et de l'intensité qui le traverse. L'énergie électrique dépend, elle, de la puissance consommée et de la durée d'utilisation, c'est elle qui est facturée au consommateur.
Relation entre puissance, tension et intensité
La puissance P (en watts) reçue par un appareil est le produit de la tension U à ses bornes (en volts) par l'intensité du courant qui le traverse (en ampères) :
P = U \times I
Si une lampe est traversée par un courant d'intensité 250 mA lorsque la tension entre ses bornes est de 12 V, la puissance électrique qu'elle reçoit est :
P = U \times I
P = 12{,}0 \times 250.10^{-3}
P =3{,}0\text{ W}
Énergie électrique consommée
L'énergie électrique consommée par un appareil de puissance P fonctionnant pendant une durée t est :
E = P \times t
- La puissance s'exprime en watts (W).
- Le temps s'exprime en secondes (s).
- L'énergie s'exprime en joules (J).
Un téléviseur de puissance 100 W fonctionnant pendant 2 heures consomme une énergie :
E = P \times t
E = 100 \times 2 \times 3\ 600
E = 7{,}2 \times 10^5 \text{ J}
La puissance électrique correspond donc à l'énergie consommée par un appareil en une seconde.
L'énergie électrique est plus couramment exprimée en kilowatts-heure (kWh). C'est avec cette unité que le compteur d'énergie électrique indique l'énergie transférée aux appareils électriques branchés sur le secteur.
Pour calculer l'énergie en kWh, on exprime :
- La puissance en kiloWatts (kW)
- Le temps en heures (h)
Soit :
E_{\left(\text{kWh}\right)} = P_{\left(\text{kW}\right)} \times t_{\left(\text{h}\right)}
On peut aussi le facteur de conversion suivant :
1 \text{ kWh} = 3{,}6 \times 10^6 \text{ J}
L'énergie consommée par le téléviseur de puissance 100 W fonctionnant pendant 2 heures, exprimée en kWh, est :
E_{\left(\text{kWh}\right)} = P_{\left(\text{kW}\right)} \times t_{\left(\text{h}\right)}
E_{\left(\text{kWh}\right)} = 0{,}100 \times 2
E_{\left(\text{kWh}\right)} = 0{,}2 \text{ kWh}
On aurait aussi pu convertir la valeur obtenue en joules :
E_{(\text{ J})} = 7{,}2 \times 10^5 \text{ J}
E_{\left(\text{kWh}\right)} = \dfrac{7{,}2 \times 10^5}{3{,}6 \times 10^6}
E_{\left(\text{kWh}\right)} = 0{,}2 \text{ kWh}
Dans une maison, l'énergie électrique consommée par l'ensemble des appareils utilisés est mesurée grâce au compteur électrique. On relève l'indication du compteur E_{\text{avant}} et après une période définie (2 mois, 6 mois, etc.), on relève l'indication E_{\text{après}}.
La consommation d'énergie sur cette période sera :
E = E_{\text{après}} - E_{\text{avant}}
Une facture est alors éditée, indiquant l'énergie électrique consommée en kWh ainsi que le prix à payer.
Le prix à payer, ou coût, sera alors :
C = (E_{\text{après}} - E_{\text{avant}}) \times \text{prix d'un kWh} + \text{Taxes}
On relève sur le compteur les énergies consommées E_{\text{avant}} = 5\ 000 \text{ kWh} et E_{\text{après}} = 6\ 500 \text{ kWh}, le prix d'un kWh étant de 0,14 € et les taxes s'élevant à 7 €, le coût pour cette période sera :
C = (E_{\text{après}} - E_{\text{avant}}) \times \text{prix d'un kWh + Taxes}
C = \left(6\ 500-5\ 000\right) \times 0{,}14 + 7
C = 217\text{ €}