L'énergie : conservation et transferts
1 Conservation de l'énergie
1.1 Différentes formes d'énergie
Grandeur difficile à définir, on peut dire cependant que l'énergie caractérise l'état d'un système et exprime la potentialité à modifier l'état d'un autre système avec lequel il est en interaction. L'énergie peut se présenter sous différentes formes, dont :
L'énergie cinétique
Tout corps en mouvement en possède une. Elle peut être
- macroscopique : elle dépend alors de la vitesse du corps en mouvement, et donc du référentiel d'étude.
- microscopique : elle est liée à l'agitation moléculaire. Une augmentation de l'énergie cinétique microscopique se traduit par une augmentation de la température.
L'énergie potentielle
Elle dépend de la position relative des différentes parties du système: seul un systèmes déformable pourra posséder, à l'échelle macroscopique, de l'énergie potentielle.
1.2 Conservation de l'énergie d'un système isolé
Principe
Un système isolé est rigoureusement un système qui n'échange ni matière, ni énergie avec l'extérieur.
L'énergie totale d'un système isolé est donc constante :
Les différentes formes d'énergie du système sont l'énergie potentielle de pesanteur (notée Ep) et l'énergie cinétique (notée Ec). L'énergie totale Et du système s'écrit donc: Et = Ep + Ec
Prenons l'exemple de la chute libre d'une bille.
- Avant la chute, le système possède une énergie potentielle Ep mais aucune énergie cinétique Ec=0 car la vitesse est nulle dans le référentiel terrestre.
- Au cours de la chute, l'énergie potentielle Ep diminue car l'altitude de la bille par rapport au sol diminue, tandis que l'énergie cinétique augmente car la vitesse de la bille augmente.
- Au sol, l'énergie potentielle Ep =0 tandis que l'énergie cinétique est maximale.
On peut donc dire que les différentes formes d'énergie se transforment les unes en les autres. Si l'énergie totale du système n'est pas constante, le système n'est pas isolé.
En l'absence de frottement le système est isolé soit : Et = Ep + Ec = Cste
2 Transferts d'énergie
2.1 Notion de chaîne énergétique
On peut prendre l'exemple le fonctionnement d'un circuit électrique :
- les réactifs chimique de la pile constituent un réservoir
- la pile en elle-même est un convertisseur d'énergie : elle convertit l'énergie chimique en énergie électrique
- la lampe est aussi un convertisseur d'énergie : elle convertit de l'énergie électrique en énergie rayonnante et en chaleur
- l'environnement constitue un réservoir d'énergie (chaleur)
Ceci constitue une chaîne énergétique. On représentera les réservoirs par des rectangles, les convertisseurs par des cercles et les transferts énergétique par des flèches.
2.2 Nature des transferts d'énergie
Transfert d'énergie par rayonnement
Ex : une plante réalisent la synthèse chlorophyllienne à l'aide de l'énergie rayonnante reçue du soleil.
L'énergie rayonnante est notée Wr et s'exprime en Joules (J)
Transfert d'énergie par travail
Ex : lorsqu'on pousse une voiture on doit fournir un travail mécanique noté Wm et qui s'exprime en Joules
Relation travail - puissance
Un travail peut être réalisé plus ou moins rapidement. On définit alors la notion de puissance P
Ex : Si pour pousser une voiture le travail a fournir est de 500 J en 5 s il faut développer une puissance mécanique Pm=500/5=100 W
Ex : la puissance électrique d'un récepteur est P=U.I
Transfert d'énergie par chaleur
Un transfert d'énergie par chaleur se manifeste de deux manières:
- Transfert d'énergie par chaleur et variation de température : La quantité d'énergie Q échangée
par un corps est donnée par :
où Q= quantité d'énergie échangée (J), C= capacité calorifique du corps (
),
= variation de température
subie par le corps
- Si Q>0 la chaleur est reçue par le système.
- Si Q<0 la chaleur est cédée par le système.
- Transfert d'énergie par chaleur et changement d'état : Lors d'un changement d'état
à température constante, la quantité d'énergie échangée est :
où Q= quantité d'énergie échangée (J), m= masse du corps (kg), L= chaleur latente de changement d'état (
)
Pour une fusion, une vaporisation, une liquéfaction ou une solidification on utilisera respectivement
Q = +m.Lf
Q = + m. Lv
Q = -m. Lf
Q = -m. Lv
2.3 Notion de rendement dans une chaîne énergétique
Dans une chaîne énergétique, les convertisseurs d'énergie transfère l'énergie reçue en d'autre formes
d'énergie. Le rendement h d'un convertisseur est définie comme le rapport entre l'énergie utile fournie
et l'énergie reçue:
2.4 Bilans énergétiquesdans une machine thermique (hors programme)
Un moteur thermique est un convertisseur d'énergie qui transforme une partie de l'énergie qu'il reçoit Q1 en travail mécanique Wm, l'autre partie de l'énergie reçue Q2 est transférée par chaleur dans le milieu extérieur.
Le rendement du moteur thermique est donc :
