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Energie

L’énergie est une grandeur physique qui caractérise l'état d'un système. Dans le Système international d'unités (SI), l'énergie s'exprime en joules. Dans l'industrie, on utilise souvent la tonne d'équivalent pétrole. Dans la vie courante, on utilise encore souvent le kilowatt-heure ou la calorie. Il est important de comprendre qu'il existe plusieurs formes d'énergie. Il faut aussi avoir à l'esprit que l'énergie est une quantité qui se conserve. Elle n'est jamais perdue. Une énergie qui semblerait disparaître sous une certaine forme réapparaît toujours sous une autre. Par exemple, l’énergie électrique est transformée en énergie lumineuse par une ampoule. L'énergie est un concept créé pour quantifier les interactions entre des phénomènes très différents. C'est la monnaie d'échange entre les phénomènes physiques. Ces échanges sont contrôlés par les lois et principes de la thermodynamique. Par exemple, un moteur à explosion fonctionne grâce à la combustion qui a lieu à l'intérieur d'un cylindre. La réaction du combustible (l'essence) avec le comburant (l'oxygène de l'air) produit du gaz avec émission de chaleur et de lumière, ce qui se traduit par une augmentation de la température et de la pression dans le cylindre. La différence de pression à l’intérieur du cylindre et dans l’atmosphère de l'autre côté du piston déplace ce dernier. Cette transmission mécanique fait tourner les roues produisant une énergie mécanique ainsi qu'un alternateur qui va produire de l'électricité. Dans le même temps, des frottements mécaniques produisent un échauffement et une usure. Le concept d'énergie va permettre de calculer l'intensité des différents phénomènes, vitesse des roues, quantité d'électricité produite par l'alternateur, en fonction de la quantité de carburant consommé. On entend souvent exprimer l'énergie en calories. La calorie est en toute rigueur l'énergie qu'il faut fournir pour faire chauffer un gramme d'eau d'un degré Celsius. Par simplification excessive, les nutritionnistes nomment encore souvent « calorie » les kilocalories. En électricité, on utilise le watt-heure (Wh). C’est l’énergie consommée pendant une heure par un appareil ayant une puissance d'un watt. Cette idée n'est pas très éloignée du travail que peut effectuer un cheval en une heure (736 Wh par convention). Enfin, toute transformation énergétique réelle est irréversible. Cela veut dire qu'en inversant l'opération, on ne retrouve pas la quantité l'énergie consommée au départ. Cela est lié aux pertes.

Énergies en science mécanique

L’énergie mécanique se manifeste sous deux formes :

  • l’énergie cinétique qui est l’énergie d’une masse en mouvement
  • l’énergie potentielle qui nait des forces d'interaction entre systèmes

Par exemple, un ballon placé en hauteur possède une énergie potentielle liée à l’interaction gravitationnelle. Si l’on laisse chuter librement ce ballon dans l'atmosphère terrestre, son énergie de pesanteur va se transformer en chaleur du fait des forces de frottement et en vitesse. Il y a transformation de l'énergie potentielle du à la force de gravitation du ballon en énergie thermique et cinétique. Globalement, l’énergie est conservée.

D’autres formes d’énergie

On retrouve le concept d'énergie dans toutes les branches des sciences. Quelques exemples :

  • Energie électrostatique : énergie due à l’attraction entre les charges électriques positives et négatives
  • Energie calorifique : énergie due à l’agitation moléculaire de la matière, c’est en quelque sorte l’énergie cinétique des molécules et des atomes.
  • Energies nucléaire ; énergie due a la liaison entre les particules (protons et neutrons) constituant les noyaux des atomes.
  • Energie chimique : énergie due aux liaisons entre les atomes constituant les molécules. C’est par exemple l’énergie dégagée lors d’une combustion
  • Etc.

Travail

Le travail est un transfert ordonné d’énergie entre un système et le milieu extérieur. Si par exemple on pousse une voiture, le travail de la poussée est l'énergie produite par cette poussée. Le travail est exprimé en joules (J), et est souvent noté W, initiale du mot anglais Work. Le travail d'une force est l'énergie fournie par cette force lorsque son point d'application se déplace (l'objet subissant la force se déplace ou se déforme).

Travail des forces de pression

Le travail induit par les forces de pression correspond à la forme de travail la plus courante rencontrée en thermodynamique classique. Le travail mécanique mis en jeu dans un moteur thermique par l'intermédiaire d'un ensemble cylindre-piston, correspond au travail du piston contre la pression extérieure, Pext. Soit Fext , la force exercée par le milieu extérieur sur le piston de surface S. Si le piston se déplace d'une petite longueur élémentaire dl, le travail élémentaire effectué par celui-ci devient: 

or

d'où

On obtient ainsi:

dV est une variation infinitésimale de volume du système qui correspond sur un plan mathématique, à la différentielle du volume.

On a décidé de manière arbitraire que le travail fourni par le système au milieu extérieur est conté comme négatif. dV étant positif (détente), il convient d'ajouter le signe moins.

Pour une transformation réelle définie par la trajectoire AB, le travail dépend de cette trajectoire et n'est donc pas indépendant du chemin suivi :

Remarques Si le piston travaille contre le vide, le travail est nul. Dans le cas d'une transformation isobare (p = Cte); cas rencontré fréquemment, d'un moteur travaillant contre la pression atmosphérique :

Dans ce cas le travail ne dépend plus du chemin suivi mais des états d'équilibre A et B.

Puissance

La puissance est la quantité d'énergie par unité de temps fournie par un système à un autre. La puissance correspond donc à un débit d'énergie : deux systèmes de puissances différentes pourront fournir le même travail (la même énergie), mais le système le plus puissant sera le plus rapide. L'unité de puissance du SI est le watt (W) qui correspond à un joule par seconde. On utilise encore le cheval-vapeur dans le cas des moteurs automobiles (1ch = 736W). La puissance fiscale, est un paramètre arbitraire défini par l'administration. En France, depuis juillet 1998, la puissance fiscale dépend de la valeur normalisée d'émission de dioxyde de carbone (CO2) en g/km et de la puissance maximale du moteur en kW. Si on note C la quantité de CO2 rejetée (en g/km) et P la puissance du moteur (en kW), alors :

 

Enfin, par abus de langage, on attribue la puissance à l'objet qui la transforme, comme un moteur de 100 ch ou une lampe de 100 W. Dans ce cas il s'agit soit de la puissance maximale (moteur à plein régime, ou à régime donné), soit de la puissance nominale sous condition de fonctionnement (par exemple lampe alimentée en 230V).

Puissance électrique

La puissance électrique P (en W) d'un appareil traversé par un courant continu d'intensité I (en A) et soumis à une tension U (en V) est :

P=U.I

En courant alternatif, dans les cas les plus simples,

P = Uefficace . Iefficace

Cela est vrai pour les dipôles résistifs et les lampes Un appareil électrique de puissance P utilisé pendant une durée t « consomme » une énergie électrique E=P.t. P doit être exprimé en W. Si l’on exprime t en s, E sera exprimé en J. Si l’on exprime t en heures, E sera exprimé en Wattheure.

Puissance thermique

La puissance thermique est une notion attachée au flux thermique (ou flux de chaleur) à travers une surface. Dans une approche simple, on introduit de manière unidimensionnelle la densité de flux thermique :

Pour généraliser cette densité de flux dans toutes les directions (y et z), on définit le vecteur densité de flux thermique suivant :

Loi de Fourier

Cette expression de la propagation de chaleur présente 2 avantages :

  • elle exprime la propagation dans toutes les directions de l'espace
  • on peut librement utiliser les coordonnées de notre choix (cartésiennes, cylindriques ou sphériques)

La puissance thermique à travers une surface S (noté PQ), par définition, est le flux du vecteur JQ à travers la surface S, c'est-à-dire :

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samedi, juin 24, 2017