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Définition de l'énergie
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| Extension de la notion d'énergie |
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| Energie une grandeur unique, plusieurs noms |
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| Puissance |
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| Exercices Puissance & Énergie |
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| Unités : Joule, cal,Wath.heure Wh // Watt W - cheval
vapeur |
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| Exercices / kWh ; cal |
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| Calculatrrices / Consommation Puissance Energie |
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| Échanges d'énergie - Principe de Conservation
de l'énergie |
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Rubriques
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| Force |
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| Travail d'une force |
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La direction d'un vecteur est celle de toute droite qui lui est
parallèle.
En mathématiques, contrairement au langage courant,
"direction" n'implique pas le sens.
Une direction peut être empruntée dans les deux sens.
Si des touristes demandent à un passant mathématicien
s'ils sont dans la bonne direction pour atteindre tel monument,
il peut leur répondre "oui", même s'ils tournent
le dos audit monument
mais qu'ils sont dans la même rue que ce dernier.!
Le
mot "Énergie" est une "Catachrèse"
C.à.d. qu'il a été détourné de son sens
propre
pour signifier une autre chose ayant quelque analogie
avec l'objet qu'il exprimait d'abord.
Par exemple, une 'langue' parlée,
parce que la langue est le principal organe de la parole articulée
;
une 'glace', au sens de 'miroir',
parce qu'elle est plane et luisante comme une surfac e d'eau glacée;
une feuille de papier, parce qu'elle est plate et mince comme une feuille
d'arbre.
Ainsi les physiciens ont étendu la notion d'énergie d'origine
musculaire
restaurable par nutrition
à d'autres situations physiques où des échanges analogues
ont lieu.
Unifiant le même concept pour tous ces autres échanges.
Energie mécanique, Chaleur, Energie d'origine chimique (explosifs p.ex.)
Énergie véhiculée par l'électricité (mesurée
en kWh sur votre compteur)
etc. etc.
Système
international (SI) :
Les 7 unités de base pour l'évaluation des grandeurs
physiques.
| Grandeur
|
Unité
SI
|
Symbole
de l'unité
|
| Masse |
kilogramme
|
kg
|
| TempsT
seconde s |
seconde
|
s
|
| Longueur |
mètre
|
m
|
| Tepérature
absolue |
Kelvin
|
K
|
| Intensité
électrique |
Ampère
|
A
|
| Quantité
de matière |
mole
|
mol
|
| Intensité
lumineuse |
candela
|
cd
|
Toutes les autres unités sont dérivées
des unités de base.
Elles peuvent s'évaluer en fonction de ces unités de base.
Exemples
|
Grandeur
|
Unité
SI dérivée
|
Symbole
|
|
Vitesse
|
mètres
par seconde
|
m/s
|
|
Accélération
|
mètres
par seconde par seconde
|
m/s/s
ou
m/s-2
|
|
Force,
Poids
|
newton
|
N
1 N = 1
kg.m.s-2
(formule : f
= m . )
|
etc...
En effet, qu'il faille dépenser une certaine énergie
musculaire pour pousser ou retenir un objet
parallèlement au sol, est conforme à l'expérience journalière.
Mais que cette énergie soit nulle lorsqu'on porte un objet sur une
trajectoire parallèle au sol
(le poids d'un objet est perpendiculaire au sol) ne correspond pas à
une telle expérience.
Il se trouve que l'énergie musculaire dépensée
pour soutenir un objet immobile
fatigue le porteur, certes, mais ne produit rien. On peut remplacer le porteur
par un support.
Si le porteur se déplace horizontalement
on peut le remplacer par un chariot qu'il suffira de pousser.
Si le chariot est parfait : roues huilées, pas de frottements au sol
une force négligeable suffira à le mouvoir.
Idéalement, dans les deux cas, l'énergie du
porteur n'est que de la fatigue inutile.
Elle ne sert à rien ...sauf à maigrir... mais là n'est
pas notre propos.
Voilà pourquoi la composante perpendiculaire au déplacement
n'intervient pas dans le calcul de l'énergie.
Il existe cependant une grandeur physique qui correspond au
produit d'une force par la durée.
I = F×t
t étant la durée d'action de la force.
Cette grandeur se nomme impulsion.
Son étude sort de notre propos actuel.
Néophyte
A l'origine ce terme désignait les païens
convertis à l'Église catholique par le baptème.
Aujourd'hui, il désigne, par analogie,
ceux qui prennent un premier contact avec une science, technique, profession
ou un groupe, une association, etc.
James Prescott Joule (1818-1889)
Physicien anglais.
Travaux théoriques sur les relations entre énergie thermique
(chaleur)
et d'autres manifestations de l'énergie.
Détermine la relation entre la chaleur et le travail mécanique.
1 cal 4,18 Joule.
En électricité, l' "Effet "Joule" :
décrit la relation entre la résistance R(Ohm) d'un conducteur,
le courant électrique I'A) qui le traverse
et la puisssance calorifique P(Watt) échauffant ce conducteur.
Loi de Joule : P = R×I2
Enonce le principe de conservation de l'énergie.
L'énergie apportée au conducteur par le courant qui le traverse
est égale à celle apparue sous forme de chaleur.
Appliquant la relation :
valable seulement en unités du Système International SI :
le Watt
W - Le Joule
J - la seconde
s
E = P×t =
6000×(5×60) = 1800 000 J = 1,8 MJ
Soient P1 et P2 les puissances des deux moteurs. (P1 < P2)
D'après la relation :
E = P×t
E1
= P1 × t1
E2
= P2 × t2
E1 >= E2 
P1 × t1 >= P2 × t2
E1 >= E2
t1 >= (P2 × t2)/P1
E1 >= E2
t1 / t2 >= P2/P1
|
Mettons : P1 = 1 W ; P2 = 1000 W
E1 >= W2 si t1 > 1000 × t2
Ce qui s'exprime plus intuitivement par :
Si une machine est n=1000 fois moins puissante qu'une autre
il lui faudra n fois plus de temps pour fournir la même énergie.
Une puissance d' 1W correspond, par définition,
à 1 Joule par seconde, donc 3 600 Joules par heure.
1Wh = 3 600 J
---
Convertissons 3600 J en calories : 3600/4,18 = 15 048 cal
1 cal = 4,18 J
1 J = (1 / 4,18) cal
1Wh
= 3 600 J = 71,77 cal
Définition de la "calorie" (abréviation
: cal).
C'est la quantité d'énergie nécessaire
pour élever de 1°C la température d'un gramme d'eau
Cette définition est approximative
car cette quantité d'énergie dépend de la température
initiale de l'eau,
de la pression atmosphérique, de sa pureté, etc...
La définition exacte précise ces conditions.
Mais l'erreur commise si on n'en tient pas compte est de l'ordre de 1/1000
Il est très rare que les calculs ordinaires exigent une telle précision.
Les multiples : 1 kcal = 1000 cal
La thermie ou Mégacalorie = 1 Mcal = 106 cal,
n'est actuellement employée que par les spécialistes des chauffagistes.
L'unité officielle d'énergie étant, non la calorie,
mais le Joule (J)
1 cal = 4,18 J
Un litre d'eau contient 1000 g d'eau
250 litres => 250 000 g d'eau
L'élévation de température est : 60 -15 = 45°C
Energie nécessaire : 250 000×45 = 11 250 000 cal
Soit, en Joules : 11 250 000×4,18 = 47 025 000 J.
1 Wh = 3600 J
Energie = 47 025 000/3600 = 13 062,5 Wh = 13, 062 kWh.
Coût à 0,15 €/kWh : 1,9593 € # 2 €
Pour un mois : # 60 €
Une définition approximative de la calorie
Une calorie est la quantité d'énergie
nécessaire pour élever de 1°C la température d'un
gramme d'eau.
En toute rigueur, il est nécessaire de préciser la pression
atmosphérique,
la température initiale de l'eau et sa pureté.
Cependant, nous n'en tiendrons pas compte dans nos exemples
car l'influence de ces données est négligeable (de l'ordre
du millième)
(voir pour les détails les définitions officielles
- il y en a plusieurs très proches)
Multiples en usage : la kcal (1000 cal) et la Mcal (106
cal ou thermie)
Notons que l'unité officielle (Système d'unités
international SI )
pour la mesure de l'énergie n'est pas la calorie,
mais le Joule ; 1 cal = 4,18 J
Energie de la météorite avant impact : énergie
cinétique
Tranformée en énergie thermique après impact.
Transformée intégralement
(sa viterre après impact est nulle celle de la Terre est très
peu modifiée vu sa masse considérable : # 6×1024
kg = 6 000 milliards de milliards de Tonnes ! !
m=50 kg
E = 1/2 mv2= 1/2 × 50 × v2
v = 50 km/s = 50 000 m/s = 50 × 103 m/s
v2 = 2500×106
E = 1/2 × m v2 = 1/2 ×50 × 2500×106
= 1/2 × 125 × 10 9 = 62,5 × 10 9
J
Energie thermique (résultat précédent) en Joules,
bien entendu.
E = 62,5 × 10 9 J
en calories : 62,5/4,18 × 10 9 J = 14,95×10 9
cal #15 × 10 9 cal.
(calculs approximatifs)
La température de l'eau à 15°C doit monter de 85 °C
pour boullir à 100°C
D'après la définition même de la calorie, il faut apporter
100-15= 85 cal
à 1 g d'eau pour le faire bouillir.
La masse d'eau portée à ébullition sera donc de (
15 × 10 9 )/85 g
Soit : (15/85) ×10 6 kg ; Soit : (15/85) × 10 3
t
Soit : 1 765 tonnes
!
Un cube d'eau de 12×12×12 mètres environ
!
Par définition : P = E/t t
= E/P
Ici : P = 3000 W ;
E est l'énergie (en Joules) à transférer à
l'eau.
t le temps recquis pour le chauffage de 15 à 60°C.
La masse d'eau est : 250 l = 250 000 g
La quantité de chaleur nécessaire est,
par définition même de la calorie : (60 -15)×250 000 cal
soit 11 250 000 cal
L'énergie à transférer, en Joules
s'obtient en multpliant ce nombre par 4,18 J/cal
11 250 000 × 4,18 = 47 025 000 J
t = E/P = 47 025 000/3000 # 15 675 s = 261 minutes # 4 h 35.
Coût de l'opération à 0,15 €/kWh
1 Wh = 3600 J ; 1kWh = 3 600 000 J
47 025 000 J = 47 025 000 / 3 600 000 kWh
13,0625 kWh soit 1,959375 €
Ou encore d'une autre manière :
(4 h 20' = 4,33 h)
4,33 h × 3 kW = 13 kWh ; coût : 13 × 0,150 = 1,95 €
<script
language="JavaScript" >
function Calcul(){
var P = this.CalculP
var C = P.ekWh.value * (P.Pw.value/1000) * P.dH.value
//Arrondi à 4 décimales max.
C *= 10000 ; C = Math.round(C) ; C/=10000;
P.CoutTotal.value = C
}
</script>
<script
language="JavaScript" >
function CalculChauff(){
var P = this.Chauffeau
var W = P.Cap.value*1000*(P.TF.value-P.TI.value)*4.18 //en J
var X = W/3600 //en Wh
var PX = (X/1000)*P.EK.value
//Arrondi à 4 décimales max.
PX *=10000
P.CT.value = Math.round(PX)/10000
var Tps = (W / P.PW.value)/3600 //temps en heures
//Arrondi à 4 décimales max.
Tps*= 10000 ; P.TC.value = Math.round(Tps)/10000
}
</script>
Que signifie : "Énergie mise en jeu"
?
Dans la plupart des expériences de physique
de l'énergie est échangée entre deux systèmes.
L'un fournit à l'autre de l'énergie.
L'autre reçoit cette énergie du premier cité.
Une moteur fournit de l'énergie zu système qu'il anime.
Le moteur d'une automobile fournit à celle-ci
l'énegie nécessaire pour la mettre en mouvement,
gravir les pentes, tirer une charge roulante, etc..
L'expression "Mise en jeu" couvre tous les cas
d'échange de fourniture, de récupéreation, etc...d'énergie.
Énergie potentielle au départ : m.g.h
Énergie cinétique à l'arrivée au sol : 0.5×m×v2
m.g.h = 0.5×m×v2
v2 = 2×g×h
g=9,81 ; h = 10
v2 = 2×9,81×10 = 196,2
v = 14 m/s
Parce que, si on ne tient pas compte
de la résistance de l'air dans le vide, donc,
tous les corps tombent à la même vitesse.
Démonstration.
L'accélération g est constante si la hauteur de chute h est
néglideable
par rapport au rayon terrestre.
Si nous mesurons par "h" la distance de chute
par rapport au point de départ,
Accélération constante (g) signifie que h"(t) = g
h"(t) désigne la dérivée seconde de h par
rapport au temps t
C'est l'accélération du mouvement.
La vitesse est la dérivée première par rapport à
t : v = h' (t)
En intégrant : h'(t) = 1/2 h2(t) + Cte
v(t) = 1/2 v2(t) + Cte
Si v = 0 au départ (t=0) alors Cte = 0
h'(t) = 1/2 h2(t)
v (t) = 1/2 h2(t)
La vitesse de chûte v ne dépend pas de la masse
elle ne dépend à chaque instant t, que de la hauteur "h"
perdue.
v = 1/2 h2
Sur Terre, la force d'attraction (la pesanteur) f
est liée à la masse m de l'objet soulevé.
par la relation :
f
= m × g ;
où
f
est évaluée en Newton
m
en kg,
g
= 9,81 m/s
2.
On démontre que, quel que soit le trajet parcouru par l'objet
pour l'élever d'une hauteur
h,
Le
travail ( l'énergie ) 
produit par la force de soulèvement
est numériquement égal la quantité :
m
× g
× h
Dans de nombreuses expériences, cette énergie
peut être
restituée
si l'objet est ramené à sa
hauteur initiale.
Et ce en vertu du principe de conservation de l'énergie. Voir ici :
Dans ce type d'expériences, on la nomme "Énergie potentielle"
cette énergie
du fait qu'elle "
peut" être restituée.
Un tel système est dit dans son
état fondamental
lorque son énergie portentielle est minimale
c.à.d. qu'il n'a pas d'état pour lequel son énergie potentielle
serait plus faible.
Concept
Un concept est une construction intellectuelle mettant en jeu des objets fictifs
correspondant étroitement à des réalités.
L'intérêt, une fois vérifiée la totale correspondance
avec la réalité expérimentale,
est de permettre que le raisonnement tienne lieu d'expérimentation.
Un exemple : les méridiens et les parallèles
nous permettent de repérer avec une très grande précision
les positions géographiques sur notre planète.
Or, Ils n'ont pourtant aucune existence réelle !
Vous ne les verrez nulle part !
C'est un "outil de la pensée" bien utile sur
le terrain.
Il en est de même pour l' "énergie"
au sens qu'on lui donne en physique.
Elle est définie mathématiquement pour chacun des nombreux et
divers états
des objets étudiés en physique, ou en biologie, ou des corps
en chimie.
(La suite du cours montrera précisément comment).
L'énergie est ainsi un seul et même concept
qui se manifeste sous des formes qui peuvent être très diverses.
Utilité pratique de ce concept d'énergie.
Il permet par exemple d'évaluer le principe actif (invisible
directement)
qui à la fois nous intéresse et nous coûte.
Principe commun par exemple au gazole, l'essence, le gaz,
pour le chauffage ou la locomotion.
Vous ne payez pas l'électricité, mais l'énergie qu'elle
apporte
à touts vos appareils domestiques,
et qui la font se manifester sous diverses formes utiles :
chaleur (radiateurs, fours, repassage, luminaires à incandescence)
ou sous forme de force motrice : moteurs.
Propriétés
" intensives ", propriétés " extensives "
La température est une propriété dite intensive.
Si vous brisez un corps en morceaux,
chacun des morceaux aura, juste après la brisure,
la même température que
le corps initial.
Tandis que la masse d'un corps, ou son énergie thermique,
sont des propriétés extensives.
La masse d'un corps est la somme des masses
de tous les morceaux qui en résultent par sa cassure.
La masse de chacun des morceaux
n'est qu'une partie de la masse du corps
initial.
L'énergie est une propriété extensive
Démonstration
On applique une force
F
constante en module, direction et sens
sur un corps ponctuel de masse
m
initialement immobile.
L'accélération est la dérivée de la vitesse par
rapport au temps :
A
= v'(t)
v'(t)
= A
Donne, par intégration :
v(t)
= A×t
+ K
A départ :
t
=0 et la vitesse est nulle :
v=0
K=0
v
= A×t
Or,
v
est la dérivée
l'(t)
de la longueur
l
parcourue par rapport au temps.
v = l ' (t) =
A×t Par intégration :
l (t) = ½
x
A×t2
+
+ Cte
Comptant
l
depuis le départ :
Cte
= 0 l
= 1/2 × A.t2
Travail
W
de la force constante F
sur la longueur
l
W = l .F = ½ A.t2
.F
Principe fondamental de la dynamique : F=
m.A ; (
m
masse du corps)
W = 1/2 ×
A.t2×(m.A) =
½ × (m.A2).t2
v=A.t A2
= v2/t2
W =1/2
×m×
v2
Récapitulation
|
W
est l'énergie mécanique (travail)
communiquée par la force F
à un objet de masse m
en partant du repos.
|
|
W
= ½ m.v2
|
|
A tout instant, cette énergie est donc calculable
en fonction seulement de la vitesse du corps et de sa masse.
On la nomme "énergie cinétique" (c.à.d.
"du fait de sa vitesse")
"ciné" vient du grec ancien "kinema" :
"qui bouge"
|
Le Joule est, dans le système d'unités SI,
une unité dérivée.
Elle peut s'exprimer en fonction des unités fondamentales.
Partant de la relation W=F×L
(W : énergie que développe une force F
se déplaçant longitudinalement sur une longueur L)
Et que d'après la relation fondamentale de la dynamique
F= m.A (m masse en kg ; A accélération en m/s2)
W=m.A.L = kg×m/s2 × m = kg×m2×s-2
1 J = 1 kg.m2.s-2
Stations STEP
STockage d'Énergie par Pompage
Problème
Un éolienne produit de l'énergie s'il y a du vent.
Les panneaux solaires ne le font que le jour.
Hors de ces périodes de production ces coûteux équipements
restent improductifs.
Comment mieux les rentabiliser ?
Il suffirait d'enmagasiner l'énergie excédentaire
qu'ils créent pendant ces période de production,.
Mais on ne sait pas enmagasiner l'électricité !
Principe de la solution STEP
Pendant leur période de production, éoliennes et panneaux
peuvent alimenter,
non seulement le réseau de distribution électrique,
mais en plus des pompes hydrauliques qui monteront de l'eau d'un bassin
inférieur
vers un réservoir situé à une hauteur bien supérieure.
L'énergie d'origine éolienne ou solaire est ainsi transformée
en énergie potentielle.
Pendant qu'Éoliennes et Panneaux solaires sont inactifs
on fait retomber l'eau du réservoir supérieur vers le bassin
inférieur
à travers des turbines hydroélectriques qui alimenteront
le réseau de distribution électrique.
L'énergie potentielle de l'eau du réservoir supérieur
convertie en énergie cinétique de l'eau par sa chute?
puis en mécanique par les turbines
lesquelles actionnent des génératrices électriques
connectées au réseau de distribution d'énergie par
l'électricité.
Une excellente manière écologique de rentabiliser ces coûteux
équipements
d'énergies renouvelables.
La
température n'est pas l'énergie thermique !
Exemple :
Chacun sait qu'il est plus coûteux de chauffer à la même
température
une grande pièce qu'une petite.
Traduction : il faut apporter plus d'énergie à la grande.
Conclusion, bien qu'elles soient finalement à la même température,
la grande aura absorbé plus d'énergie.
Au final elles ont même température
mais des quantités d'énergie différentes.
La température n'est donc pas une bonne mesure de l'énergie.
L'expérience montre, que si vous divisez un corps en
plusieurs morceaux,
les températures de chacun des morceaux, juste après la division,
sont toutes égales à celle du corps initial.
C'est pour cette raison que la température
est qualifiée de "grandeur intensive"
Mais le principe de conservation de l'énergie implique
que la somme des énergies thermiques de tous les morceaux
est égale à l'énergie thermique du corps initial.
C'est pour cette raison que l'énergie
est qualifiée de "grandeur extensive"
Conservation de l'énergie
Chacun a entendu parler de "pertes d'énergie".
Chacun sait que le carburant d'un véhicule automobile
à combustion interne
sert à le propulser (énergie mécanique)
mais également produit de la chaleur (énergie thermique).
A part l'énergie utilisée pous le chauffage interne
une partie est perdue dans l'air ambiant.
Le principe de conservation de l'énergie
serait-il en défaut ?
Non, car ce principe suppose que le système auquel
on l'applique soit isolé.
Or ici, le système considéré (le véhicule) de
l'est pas.
Il exporte de l'énergie sous forme de chaleur à l'extérieur.
C'est le cas général de toutes les machines.
On nomme rendement d'une machine
le rapport de l'énergie WU
qu'elle transforme utilement
à l'énergie totale
WT qu'elle reçoit,
en un temps donné.
(On désigne souvent l'énergie par
la lettreW)
rendement
= WU
/ WT
Prenons un exemple très élémentaire,
compréhensible par tous,
L'
énergie vitale"
Il faut manger pour vivre !
- «Vivre» c'est croître, bouger, se déplacer,
soulever des objets, etc...
- «Manger» c'est ingérer des aliments pour
pouvoir continuer à vivre.
Des aliments qui vous permettent de restaurer vos forces lorsqu'elles
faiblissent.
|
C'est évident dans tout le règne animal, mais
aussi pour les végétaux
qui ne se développent que grâce aux nutriments qu'ils absorbent
par leurs racines
et à la lumière qui éclaire leur feuillage.
Parmi les aliments, certains, même ingérés
en petite quantité, restaurent suffisamment.
D'autres doivent être ingérés en grosse quantité
pour obtenir le même résultat.
Il semble qu'il y ait "quelque chose de commun",
en plus ou moins grande quantité,
dans ces aliments composés de matières très différentes,
"Quelque chose" qui puisse être utilisée par l'organisme
pour être transformée en force musculaire, mouvement, croissance,
etc...
Ce "quelque chose" semble donc pouvoir se transférer
d'un effet à l'autre.
Les diététiciens savent mesurer la quantité
d'énergie que peut apporter tel ou tel aliment ingéré.
La médecine sportive sait évaluer la "quantité
d' énergie" dépensée par votre
corps lors d'efforts musculaires
Les uns et les autres évaluent généralement ces énergies
en "calories" (symbole : cal)
La "calorie" estl'une des unités
utilisées pour mesurer l'énergie.
Voir ici : 
L'humanité a dû vérifier ce principe
dès la préhistoire !
Avez-vous essayé de chauffer deux branches
en les frottant vigoureusement l'une à l'autre
au point de réussir à les enflammer ?
Vous comprenez bien
qu'ils avaient tout intérêt
à voler le feu de la tribu voisine...
L'histoire de l'énergie jouxte celle des conflicts
humains.
Valeur calorique des aliments
(Extrait d'une notice médicale de recommendadions diététiques)
L'énergie est évaluée en kilo-calories.
Défiition ici : 
|
Aliments (Protides)
|
kcal
pour 100 g
|
Aliments (Glucides)
|
kcal
pour 100 g
|
|
Viande de boeuf
|
250
|
Farine de blé blanche
|
350
|
|
Viande de veau
|
250
|
Pain complet
|
239
|
|
Viande de cheval
|
168
|
Pain blanc
|
255
|
|
Langue de boeuf
|
201
|
Biscottes
|
362
|
|
Foie de veau
|
137
|
Légumes verts
|
20 à 44
|
|
Jambon maigre cuit
|
302
|
Oignon
|
47
|
|
Lapin
|
133
|
Chou Bruxelles
|
54
|
|
Poulet
|
150
|
Artichaut
|
64
|
|
Pigeon
|
108
|
Salsifis
|
77
|
|
Merlan, Limande, Sole
|
69 à 73
|
Pomme de terre
|
86
|
|
Daurade
|
77
|
Endive
|
22
|
|
Colin, Raie
|
86 à 89
|
Laitue
|
18
|
|
Brochet
|
78
|
Tomate Radis Poivron
|
20 à 22
|
|
Carpe, Truite
|
90 à 94
|
Mâche Scarole
|
36
|
|
Oeuf
|
76
|
Melon Pastèque
|
30 à 32
|
|
Blanc d'oeuf
|
14
|
Ananas frais
|
51
|
|
Jaune d'oeuf
|
62
|
Ananas en conserve
|
96
|
|
Lait écrémé
|
36
|
Pamplemousse
|
30
|
|
Lait écrémé en poudre
|
373
|
Fraise Mandarine
|
40
|
|
Yaourt à 0%M.G.
|
40
|
Orange Pêche Abricot
|
44 à 52
|
| |
|
Pomme Poire Cassis
|
55 à 61
|
Analogie financière
Le prix des objets ou des services
est un autre exemple de grandeur commune
attribuée à des objets très différents.
On établit une équivalence entre divers objets ou services
et une certaine quantité d'argent, or de monnaie fiduciaire.
Cependant, contrairement à l'énergie
les prix dépendent de facteurs humains variables
tels que l'attirance, la carence ressentie, la séduction,
le besoin, la cupidité, etc.
Au contraire, en physique,
l'énergie attribuée à chaque action ou état d'un
système
est clairement et lathématiquement définie
en fonction de paramètres observables et mesurables.
Énergie délivrée par 1 gramme (1 g = 10-3
kg) de matière disparue.
e = m.c2
En unités SI (m/s , kg , J)
e = 1×(10-3)×(300×106)2
= 1×(10-3)× 9×1016 J
= 9×1013 J = 90×1012 J
Avec : 1 Wh = 3600 J :
e = 0,025×1012 Wh = 25×109 Wh = 25
000 MWh
L'enregie "e" peut être fournie ou dépensée
pendant un temps "t" plus ou moins long.
La puissance moyenne "p" durant le temps "t"
est par définition le rapport : p = e/t
Une machine est très puissante
si elle fournit (ou absorbe) beaucoup d'énergie en peu de temps.
Quelle que soit la vitesse à laquelle on monte une même côte,
l'énergie à fournir est la même.
Mais il faut une voiture puissante pour la monter vite.
L'expérience montre qu'il est prudent de prévoir
les résultats
des actionsque l'on entreprend.
L' histoire, la culture, l'expérience
nous permettent de repérer des conjonctions de faits
dont l'évolution est connue avec une grande certitude.
Si on ne tient pas un objet sur Terre, il tombe inéluctablement au
sol.
Le but des sciences est précisément de rechercher
des conjonctures
suivies
L'avenir nous est le plus souvent dévoilé par
le passé
car nous faisons confiance à la reproductibilité du devenir
de certaines situations.
La science nous propose d'analyser la complexité en éléments
simples,
pour lesquels on découvre des règles simples.
Par exemple, la loi d'attraction universelle.
Les lois scientifiques sont des énoncés mentaux
(souvent mathématiques)
dont on a étroitement vérifié la correspondance avec
la réalité.
|
L'Énergie
Cours reprenant à la base la notion d'énergie.
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Travail
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Qu'entend-on
par "énergie" ?
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Le mot "énergie" est souvent galvaudé
dans l'usage courant.
"Ces enfants sont pleins d'énergie !
", dit-on pour signifier qu'ils s'agitent violemment.
Mais ce sens populaire du mot "énergie" est plus
proche de ce que nous appellerons "puissance" en physique.
Au sens de la physique, un corps peut en effet concentrer beaucoup
d'énergie tout en restant immobile.
Par exemple, le carburant dans le réservoir
d'une automobile, moteur à l'arrêt.
Qu'entend-on
exactement par "énergie" en physique ?
|
1°
Un exemple particulier préliminaire
pour donner une idée du concept
d'énergie.
Prenons un exemple très élémentaire,
compréhensible par tous
:
L'
énergie vitale.
Il
faut manger pour vivre !
- «Vivre» c'est croître, bouger, déplacer
sulever des objets, se déplacer, ...
- «Manger» c'est ingérer des aliments
pour pouvoir continuer à vivre.
Des aliments qui vous permettent de restaurer vos forces
lorsqu'elles faiblissent.
|
Parmi les aliments, certains, même ingérés
en petite quantité, restaurent suffisamment.
D'autres doivent être ingérés en grande quantité
pour obtenir le même résultat.
|
Puisqu'on obtient le même effet avec des
produits différents
il semble naturel de considérer quil existe un principe
commun
en plus ou moins grande quantité lié à chacun
des aliments ou nutriments.
pourtant composés de matières très différentes
!
C'est un exemple de ce principe commun que la physique
nomme "énergie"
et que nous allons le définir avec précision dans
la suite.
|
Mesure de l'énergie dans ce cas particulier
- Les diététiciens savent mesurer la quantité
d'énergie que peut apporter tel ou tel aliment
ingéré.
Il nous faut parler ici d'une unité particulière
par laquelle on peut mesurer ul'énergie : la calorie.
L'énergie peut également ^étre utilisée
pour élever la température des objets Il faut aussi
de l'énergie pour iL FAUT AUSSI DE L42NERGIE POUR 2LEVER
Pour élever la température de l'eau
-
Nous savons que cette quantité d'énergie est tranformée
par l'appareil digestif et emmagasinée sous forme de graisses
(lipides) .
On observé que ces graisses "fondent" lorsqu'on
fournit des efforts.
Mais pas seulement. Car
Les muscles tranforment ces graisses en élévation
(ou maintien) de la température du corps, et en efforts
physiques provoquant des mouvements.
- La médecine sportive sait évaluer la "quantité
d' énergie" dépensée par
votre corps lors d'efforts musculaires.
C'est un autre aspect de l'énergie : chaque type d'action
exige telle quantité d'énergie.
Les graisses accumulées disparaissent lors d'exercices
physiques : marche, sport, etc..;
Et même le cerveau nécessite d'être alimenté
en énergie (par transformation des sucres).
|
Les uns et les autres mesurent la quantité d'énergie acquise
ou dépensée
en une unité d'énergie dont nous verrons bientôt la
définition : les calories
.
Bien entendu, l'alimentation n'est qu'un exemple.
La suite montrera que ce concept s'étend à d'innombrables
autres cas, actions ou changements d'état.
|
Analogie
financière
Le prix des objets ou des services
est un autre exemple de grandeur commune
attribuée en plus ou moins grande quantité à
des objets très différents.
Dans un troc, des objets échangés sont différents,
mais il est considéré équitable si la valeur
que chacun accorde aux objets échangés
est la même.
Lors d'un marché, le prix mesure cette équivalence
entre objets ou services
à telle quantité d'or, argent, etc, ou monnaie fiduciaire
rendue en échange.
Cependant, contrairement à l'énergie,
les prix dépendent de facteurs humains subjectifs
tels que la carence ressentie, le besoin, l'attirance, la séduction,
la cupidité, etc.
En physique, l'énergie attribuée
à chaque action ou état d'un système
est clairement et mathématiquement définie
en fonction de paramètres objectifs observables
et mesurables.
|
Prix
de l'Énergie
C'est précisément en se basant que le concept
physique objectif d'énergie
que s'établissent les prix :
- Sur le plan international, des ressources énergétiques
minières de provenances aussi diversess que le
charbon, les pétroles, le gaz naturel, etc.
- A la livraison chez le client terminal par le réseau
électrique d'énergie, ou produite de diverses
manières (barrages hydroélectriques, charbon,
pétrole, atome, etc... généralement
indifférenciées pour le client.
|
|
|
|
2°
Un principe
commun à plusieurs formes d'états ou d'actions.
La
quantité d'énergie est un concept
mathématique.
Mais ce concept...
- Doit être correspondre à une réalité
physique expérimentale.
- Doit être être parfaitement et mathématiquement
défini dans chaque cas où on l'applique
|
Des
définitions mathématiques précises ?
Chacun sait que toute action exige un effort ;
- effort musuclaire (homme, animaux de trait)
- ou par l'intermédiaire d'une machine (moteur, voiles).
|
Quelques exemples de ce que nous appelons ici "'actions"
:
- Déplacement d'un objet qui résiste, du fait
de frottements ou de la pesanteur, etc...
- Mise en mouvement, accélération ou décélération
d'objets massifs.
- Déviation d'un objet de sa trajectoire.
- Élévation de la température d'un objet,
de l'air ambiant...
|
Vue sous cet angle, l'énergie apparaît comme le concept
d'une grandeur commune
qui mesure "ce" qui doit être fourni pour obtenir
différentes actions ou changements d'états physiques.
C'est ce qui sera mathématiquement et/ou expérimentalement
défini
dans la suite pour chacune des actions ou états possibles.
|
3°
L'énergie se transfère, s'échange.
On a souvent affaire à un enchainement d'actions
:
le moteur d'une automobile met celle-ci en marche grâce à
un moteur,
dont l'action se transmet par toute une chaîne d'engrenages, nommée
"La transmission" en mécanique.
L'automobile peut tracter, par exemple une caravanne, etc..
Le moteur s'alimente lui-même en carburant dans son réservoir.
Il est capable de puiser sa force de rotation des explosions du carburant-comburant
dans les cylindres.
Le concept d'énergie imagine que "quelque chose" se
transmet
de l'un à l'autre de ces relais pour mettre en action chaque
élément de l'ensemble.
A la pétanque, le tireur communique une certaine énergie,
très précise, pour lancer une boule.
L'énergie du lancer a été transférée
à la boule et se manifeste par sa vitesse et le parcours de sa
trajectoire.
La boule arrive sur une autre qui gisait à terre.
La boule percutante s'arrête net au contact de la boule percutée
que est éjectée.
La boule percutante a transmis son énergie à la boule
percutée.
|
|
Principe
de conservation de l'énergie
|
|
Lorsque un ou plusieurs systèmes interagissent
(les uns sur les autres),
les paramètres définissant leurs états changent généralement.
Il en est donc probablement de même des énergies de chacun
des systèmes en interaction.
Puisque l'énergie est fonction de ces paramètres.
Certains systèmes en interaction voient leur énergie augmenter,
les autres diminuer.
Si cet ensemble d'objets interagissant entre eux n'interagissent
qu'entre-eux.
Càd. qu'aucun autre élément n'interagit avec aucun
objet de l'ensemble du système considére.
On dira que c'est un système isolé.
Le principe dit "de conservation de l'énergie"
affirme que dans le cas d'un système isolé,
la somme des énergies acquises (par la totalité des éléments
qui ont acquis de l'énergie)
est égale à .
la somme des énergies perdues (par la totalité des éléments
qui ont perdu de l'énergie)
Autrement
dit :
|
Lors d' échanges d' énergie
entre éléments internes à un système
isolé
il n'y a jamais ni création ni perte d'energie.
|
C'est un principe fondamental de la physique.
Bien qu'il soit un concept purement mathématique et apparemment
arbitraire,
sa véracité est journellement confirmée sans faille
dans toutes ses applications.
L'emploi du concept d'énergie a grandement facilité l'étude
de la physique.
C'est en vertu de ce concept d'énergie que l'on
peut la monétiser, en faire commerce,
quelle que soit sa forme de production : pétrole, gaz, nucléaire,
etc....
La géopolitique mondiale et ses conflits en
sont grandement tributaires.
|
|
Divers
aspects de l'énergie
|
Extension
de la notion d'énergie
Les scientifiques ont étendu cette notion d'énergie
à de nombreux autres domaines de la science.
- En mécanique :
- Lorsqu'on déplace, élève, accélére
ou ralentit etc... un objet, en exerçant une force
sur lui,
on lui communique une certaine quantité d'énergie.
On peut aussi tenter de le ralentir ou le faire dévier
sa trajectoire initiale. Dans ce cas c'est le corps qui
vous communique de l'énergie : en vous faisant tomber
à la renverse par exemple !
Cette énergie est fonction de l'intensité,
l'orientation de cette force et le trajet parcouru.
Cette énergie est nommée "Travail
de la force". Voir définition et détails
ici :
- Énergie cinétique.
Pour accélérer ( c.à.d. augmenter
ou faire prendre de la vitesse) un corps de masse m
on doit lui apliquer une force dont le point d'application
se déplace pendant un certain temps.
C'est la définition du "travail"
d'une force.
En d'autres termes, on lui fournit donc l'énergie
mécanique.
Cette énergie transférée se manifeste
par la vitesse prise par le corps.
On peut récupérer cette énergie en
le ralentissant ou, encore mieux, en l'arrêtant.
Une démonstration ici : 
L'énergie dûe à la vitesse se nomme
"énergie cinétique" (du
grec "kinema" : mouvement, agitation).
La vitesse d'un corps de masse m peut ête
considéré comme un repère de
la quantité d'énergie qu'il a fallu lui communiquer
pour qu'elle atteigne cette vitesse.
Cette forme de l'énergie se nomme "Énergie
cinétique"
On démontre qu'elle s'évalue par la formule
: ec
= 1/2 × m.V2
Où m
est la masse du corps évaluée en kg,
V est la vitesse évaluée en m/s
et ec
l'énergie cinétique évaluée
en Joules.
Démonstration ici :
Notez bien : La vitesse n'est pas l'énergie
!
C"est tout au plus un repère permettant d'évaluer
l'énergie cinétique de l'objet en mouvement.
|
La chaleur d'un corps
(son énergie thermique)
est en fait l'énergie cinétique
de toutes les particules constituant le corps.
Dans les solides, elles sont en mouvement vibratoire
incessant
autour de leur position moyenne d'équilibre.
Les molécules des gaz et les liquides ont
des mouvements plus amples.
L'absence de tout mouvement des particules représente
l'état d'énergie nulle.
On ne peut pas trouver de température plus
basse.
C'est le zéro absolu ( 0° Kelvin
= -273,15 °C)
|
- Énergie potentielle
- Un exemple :
Sur Terre ou sur toute autre planète, il faut
fournir de l'énergie pour soulever un objet pesant
d'une hauteur h.
Un objet soulevé du sol conserve l'énergie
mise à le soulever.
Cette énergie peut être restituée
en le relâchant à une hauteur inférieure.
Ce "peut" a donné le nom de cette manifestation
de l'énergie nommée "potentielle"
(On peut ou pas l'utiliser)
L'énergie potentielle perdue pendant la descente
est transformée en énergie cinétique.
La vitesse du corps augmente progressivement lors de
sa chute.
Au moment où l'objet s'immobilise au sol, l'énergie
cinétique est égale à l'énergie
potentielle perdue.
Puisque l'objet est arrêté par le sol,
cette énergie cinétique est transformée
en une autre forme d'énergie. Par exemple : le
bris de l'objet lui-même, qui exige une certaine
énergie de dissociation.
Sinon, le choc au sol, déforme ce dernier (cratère),
ou/et l'énergie a un effet d'échauffement.
Voir exercice ci-dessous
sur la chûte de météorites.
L'énergie potentielle d'une masse d'eau est mise
à profit dans les dispositifs STEP
de stockage des énergier renouvelables.
- Il existe bien d'autres cas en physique où
des systèmes peuvent être mis dans des
différents états en leur apportant une
certaine énergie (différente pur chaque
état) et, chose importante, ils peuvent restituer
cette énergie en revenant à l'état
antérieur.
Pour la même raison que dans l'exemple ci-dessus,
cette énergie caractérisant chaque état
sera nommée "énergie potentielle".
L'état correspondant à l'énergie
la plus faible oissible se nomme "état
fondamental".
C'est, entre autre, le cas des électrons orbitant
autour des noyaux atomiques
dont l'étude précise à abouti à
la physique quantique..
- En thermodynamique
C'est l'étude des modifications des états de corps
sous l'effet de l ' énergie qu'on leur tranfère
ou que l'on leur extrait.
L'énergie prend le nom de "Chaleur"
ou parfois d' "énergige calorifique",
ou d' "énergie thermique".
Des noms différents pour désigner une même
grandeur : l ' Énergie.
- En chimie
Les réactions entre corps, suivant les cas, dégagent
de la chaleur (réactions dites exothermiques) ou, parfois,
absorbent de la chaleur (les corps en réaction chimique
refroidissent).
Exemples :
- Production d'énergie calorifique dans les combustions
destinées au chauffage domestique : âtres, feux
de bois, chauferettes au pétrole, à l'alcool,
à l'huile même....
- Production d'énergie mécanique dans les explosions.
En fait, l'énegie thermique produite brusquement dilate
très rapidement les gaz environnants.
Ils "poussent" les parois de l'enceinte où
se produit la réaction.
De ce fait l'énergie thermique apparaît sous
forme mécanique :
- Effet mis à profit dans les moteurs dits
"à explosion"
Réaction : hydrocarbures+oxygène del'air.
Ou, bien mieux : hydrogène + oxygène :->
eau : l'avenir peut-être....
- Effet exploité dans les munitions : cartouches,
obus, mines, bombes.
- En électricité (vecteur d'énergie)
- énergie délivrée par le réseau
électrique pour faire tourner des moteurs
donc transformée en énergie mécanique.
- ou pour chauffer des locaux, donc transformée
en énergie thermique.
- En physique nucléaire :
- Energie thermique produite par la fission d'atomes
lourds (ex. Uranium)
- contrôlée dans les centrales électriques
- libérée par les bombes à fission
nucléaire
- Energie produite par la fusion des atomes d'hydrogène
- incontrôlable pour le moment (2017) donc pas encore
d'usage civil
- libérée par les bombes à fusion
(dites à Hydrogène)
- etc.
|
Mais
il n'y a qu'une et une seule grandeur "énergie" !
L'énergie est une grandeur commune mise en jeu (échangée)
dans diverses expériences de physique :
en mécanique, en électricité, en chimie, etc. etc...
Le qualificatif qu'on lui appose (mécanique, chimique, etc.)
ne fait qu'indiquer dans quel type d'expérience
on la considère.
L'énergie de mesure de l'énergie est officiellement
le Joule.
Mais dans certaines techniques, d'autres unités s'avèrent
plus pratiques.
Tel est le cas de la chaleur ou "énergie thermique"
(mesurée en calories)
Définition provisoire :
La calorie (symbole cal) est l'énergie nécessaire
et suffisante
pour élever de 1°C la température de 1 gramme d'eau.
Elle équivaut à une énergie de 4,18 J.
Voir descriptions plus précises ci-dessous :
L'énergie délivrée par votre réseau
électrique est mesurée en Watts.heure (Wh)
(ou kWh)
Voyez vos factures...
Voir descriptions plus précises ci-dessous :
|
|
Exercices
résolus :
1°
Une météorité de 20 kg atteint
le sol terrestre à la vitesse de 50 km/s par rapport au sol. (c'est
arrivé).
Comment qualifier l'énergie qu'avait
la météorite avant l'impact ?
Comment qualifier l'énergie transférée
à la Terre ?
Calculer ces deux énergies. Réponses
ici : 
Mais essayez d'y arriver par vous même...
2°
Supposant qu'elle soit tombée en mer dont
l'eau étai tà 15°C,
quelle quantité d'eau cette
énergie est capable de vaporiser ?
Réponses ici :
Mais essayez d'y arriver par vous même...
|
|
Chaleur
- Énergie thermique -
|
La
chaleur : une manifestation de l'énergie parmi d'autres.
L'énergie peut se manifester, entre autre, par
le changement de température d'un corps.
Mettons un objet chaud en contact avec un objet froid.
Quelque temps après, on constate que la température de
l'objet chaud diminue
au "profit" de l'objet froid dont la température croît.
Et ce jusqu'à ce qu'ils atteignent à la longue tous deux
la même température.
Ces changements de température suggèrent que quelque chose
est passée d'un corps à l'autre.
Ce "quelque chose", le physicien le nomme "chaleur"
ou "énergie thermique".
Elle sera définie avec précision (voir la suite)
L'augmentation de température d'un corps est interprété
comme un apport d'énergie.
La diminution de température est interprété comme
une cession d'énergie.
On nomme à tort cette énergie : "énergie thermique"
ou "calorifique", etc.
Le nom le plus fréquent donné à cette énergie
est, tout simplement "chaleur".
Mais ces dénominations risquent d'induire en erreur : il n'y
a qu'une et une seule énergie.
Mais ses effets peuvent être divers comme nous le verons de nouvea
plus loin.
Mais attention !
La température (repérée en degrés
Celsius ou Fahrenheit :
) n'est pas l'énergie !
|
La
température n'est pas l'énergie !
Exemple :
Chacun sait qu'il est plus coûteux de chauffer à
la même température
une grande pièce qu'une petite.
Traduction : il faut apporter plus d'énergie à la
grande.
Conclusion, bien qu'elles soient finalement à la même
température,
la grande aura absorbé plus d'énergie.
Au final elles ont même
température mais des quantités d'énergie
différentes.
La température n'est donc pas une bonne mesure de l'énergie.
|
|
|
Comment
définir l'énergie lors d'un échange thermique ?
Le mieux est de définir une unité de
mesure de l'énergie dans une expérience d'échauffement
précise
et facilement reproductible.
Cette unité sera nommée "calorie" (symbole
: cal ; Ex 12,5 cal)
Unecalorie sera définie par la quantité d'énergie
nécessaire pour élever de 1° C (1 degré
centigrade)
une quantité d'un gramme d'eau pure
sous une pression atmosphérique dite normale (1013,5 hPa)
avec unte température de départ précise : (20°C
par exemple)
On a constaté expérimentalement que pureté, pression
atmosphérique, température de départ
influent sur la quantité d'énergie recquise.
Attention !
Un grand nombre de conditions initiales ont été proposées
pour la définition de la calorie.
Notamment pour la température de départ (4°C ; 15°C
; 20°C, etc...)
ce qui donne lieu à des unités de valeur énergétique
différentes.
Qu'alors y faire ?
Le rapport entre la plus grande valeur et la plus petite
est de 1,0052... (env. cinq millièmes)
Tellement minime que pour lles applications ordinaires (énergie
absorbée par un chauffe-eau par exemple),
la définition : 1 cal = énergie pour élever un gramme
d'eau de 1°C suffit très très largement.
|
|
Autres
unités
Multiples en usage : la kcal (1000 cal) et la Mcal (106
cal ou thermie)
La thermie n'est guère plus utilisée que par les thermiciens
chauffagistes.
Notons que la calorie n'est pas l'unité d'énergie retenue
par le système international SI
.
L'unité officielle SI pour mesurer les quantités
d'énergie est le Joule, symbole J.
Une calorie équivaut à 4,18 J.
Notons que l'unité d'énergie du système
international SI est le Joule ; 1 cal = 4,18 J
Le Joule est une unité SI dérivée .
|
|
Energie
et Puissance
|
Il faut mettre en garde contre une erreur fréquente issue du
langage courant.
"Les enfants sont pleins d'énergie"
pour dire qu'ils courent vite en tous sens, montent, decendent rapidement
sans cesse, etc...
Le physicien dira que ces enfants sont capables de dépenser
beaucoup d'énergie en peu de temps !
Cette notion de temps est importante.
Un vieillard capable de marcher lentement et longtemps
peut dépenser plus d'énergie sur un très long parcours
qu'un athlète lors d'un cent mètres haies !
Mais en un laps de temps donné le jeune athlète fournira
certainement plus d'énergie que l'ancien.
C'est précisément là qu'intervient la notion de
PUISSANCE.
Définition
de la puissance
On nomme puissance la quantité d'énergie mise
en jeu
par unité de temps.
Ou encore :
La puissance P
est égale à l'énergie E
divisée par le temps t
mis à l'échanger.
P désigne
la puissance. Unité de mesure : le Watt symbole : W
E
désigne l'énergie, unité : le Joule, symbole
: J
t au dénominateur représente le temps pendant
lequel l'énergie E
a été mise en jeu,
unité de temps : la seconde, symbolee : s
|
Avertissement
On trouvera parfois la formule : 
Attention ! dans cette formule traditionnelle, la lettre W
désigne deux choses très ddifférentes.
Dans P(W)
c'est l'abréviation de l'unité officielle de puissance
: le Watt.
Au numérateur ! W(J)
représente l'énergie en Joules.
W
est sans doute l'initiale du mot anglosaxon "Work" qui
signifie "travail",
nom de l'énergie mécanique développée
lorsqu'une force se déplace,
énergie nommée "travail d'une force"
("Work" en anglosaxon)
(Voir sur ce site une page dédiée au travail d'une
force :
)
ou alors l'initiale du nom de James Watt...
|
Si une machine a une puissance n fois plus
faible qu'une autre,
il lui faudra n fois plus de temps pour fournir la même quantité
d'énergie.
Notons, pour être complet, une unité de puissance de moins
en moins utilisée : le cheval
Équivalent : 1 ch = 735,5 W # 736 W
Il y a peu, il servait à évaluer la puissance
des moteurs à explosion ou même électriques.
Question d'habitudes provenant du passé.
A ne pas confondre avec les "chevaux fiscaux" servant à
taxer les propriétaires d'automobiles.
D'autres considérations que la puissance entrent en compte dans
leur calcul.
Entre autre la taille, le luxe, le prix, etc...
|
|
Exercices
résolus
1° Quelle est l'énergie fournie par un moteur
tournant pendant 5 minutes à la puissance de 6 kW ? Réponse
ici :
2° Montrez mathématiquement que si un moteur
est N fois moins puissant qu'un autre,
il devra tourner N fois plus longtemps pour fournir
la même énergie que cet autre.
Exemple numérique : moteurs de 1W et 1kW. Réponse
ici :
|
|
Unités
d' énergie
|
Sauf
exceptions, l'unité légale d'énergie est le Joule
Le système International d'Unités
désigne le Joule - Abréviation J -
comme unité pour mesurer l'énergie.
( ex. 1,5 J = 1500 mJ ; 15 000 J = 15 kJ ; 2,5 MJ = 2 500 000 J )
|
|
Dans
les expériences d'échanges d'énergie calorifique
(Chaleur d'un corps chaud transmise,
par contact ou par radiation à un corps froid)
l'énergie s'évalue en calories
ou, de plus en plus rarement, en thermies.
|
Unité
|
Symbole
|
Définitions - Usages
|
Commentaires
|
|
Joule
|
J
|
Unité officielle d'énergie
|
Dans le système SI international d'unités
la Joule est une unité dérivée :
1 J = 1 kg.m2.s-2 |
|
calorie
|
cal
|
Énergie élevant de 1°C
la température de 1g d'eau.
|
Unité utilisée dans les techniques
liées à a chaleur (thermodynamique),
en médecine sportive et et en diététique
1 cal = 4,18 J
|
|
Watt heure
|
Wh
|
Unité de mesure de l'énergie électrique
délivrée à l'abonné au réseau.
|
kWh ou MWh pour les grandes valeurs.
|
|
thermie
|
th
|
Énergie pour élever le température
de 1 tonne (1000 kg) d'eau
de 15°C à 16°C
1 th = 1 000 000 cal = 1 Mcal
|
Vieille unité guère usitée
(2017)
que par les chauffagistes.
|
|
|
Notez l'équivalent en Joule de énergie
correspondant à l'unité "calorie"
1 cal = 4,18 J d'où la thermie
: 1 th = 4 180 000 J
|
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Le
Watt-heure (Wh) et son multiple le (kWh)
sont des unités d'énergie plus adaptées aux usages
courants.
(L'unité d'énergie légale, celle
utilisée dans les formules reste le Joule)
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Le Wh
(Watt-heure)
peut être défini comme suit :
Un Wh correspond à l'énergie fournie par une machine
délivrant une puissance constante de 1 W
pendant une durée d'une heure.
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Il s'en suit : (1 heure = 3600 s)
1 Wh = 3600
J 1
kWh = 3,6×106 J
1 kWh = 3 600 kJ = 3,6 MJ |
Exercice
résolu :
Évaluer 1 Wh en Joules, en calories et en thermies. Réponse
ici :
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Le
kWh !
Certains
calculs s'avèrent plus simples en utilisant le Wh (ou le kWh)
comme unité d'énergie.
Un fer à repasser le linge porte l'indication de puissance de
1200 W.
L'électricité vous est vendue : 0,150 € au kWh (prix
fictif car très variable)
Combien vous coûte la demi-heure de repassage ?
Réponse :
Pendant 30 min le fer de 1200 W a consommé l'énergie de
600 Wh = 0,6 kWh
0,6 × 0,150 = 0,09 €
Pas difficile, n'est-ce pas ?
Combien coûte l'énergie nécessaire
à maintenir allumée une ampoule de 60 W pendant 4 heures
?
Enerfie consommée : 4 × 60 = 240 Wh = 0,24 kWh
0,24× 0,150 = 0,036 €
Pas difficile, n'est-ce pas ?
Voir Site EDF en cliquant
ici : 
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Exercices
résolus
1°
Avec un kWh à 0,150 €, combien coûte
de chauffer l'eau d'un chauffe-eau électrique de 250 litres
à la temérature initiale de 15°
C à une température finale de 60° C ?
Réponse ici :
2°
Le chauffe-eau précédent (250 l) a une
puissance de 3 kW.
Combien dois-je attendre une eau à 60°
C en partant d'une eau à 15° C ?
Combien m'aura coûté l'opération
?
Réponse ici :
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Soyons
pratiques !
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Convertisseur
pour évaluer le coût d'usage des appareils électriques
(Entrez
le prix du kWh indiqué sur votre facture d'électricité)
Le programme de calcul ne prend en compte que les nombres
en notation anglosaxonne
pour lesquel le point "." remplace notre virgule "
," .
2,5 doit être écrit 2.5
Pour les programmeurs : JavaScript intégré pour les calculs
internes :
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Calculateur
pour ballons électriques pour chauffer de l'eau
Les données des fenêtres peuvent être
changées à volonté.
Sauf celles donnant les résultats (Temps de chauffe et coût)
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Echanges
d'énergie - Principe de conservation
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Échanges
d'énergie
Une force est toujours provoquée (à distance ou par contact)
par un objet et subie par un autre.
Le Soleil sur la Terre, par exemple. Ou quand on pousse quelquechose.
On parle souvent d' "énergie"mise en jeu".
"échangée"
Cela signifie qu'une certaine quantité d'énergie est fournie
par un système matériel S1
qui applique la force F12 à un autre système
matériel S2 qui la subit.
Une force ne peut
fournir d'énergie que si le point d'application se déplace.
Or, le Principe des actions réciproques
montre que dans ces conditions
le système S2 exerce sur S1 une force opposée
[- F12 ] nommée la réaction à F12.
Les définitions précédentes indiquent
que l'énergie fournie S2 à S1 est
de même valeur absolue,
mais de signe contraire à celle fournie par S1 à
S2 puisque les forces sont opposées.
S1 fournit à S2 une énergie
W12.
En même temps que S2 fournit à S1 une
énergie -W12
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Principe
de conservation de l'énergie
L'énergie ne disparaît jamais.
Celle qu'un système perd est récupérée par
d'autres systèmes.
L'énergie qu'une centrale envoie au réseau
électrique
est en partie perdue pour le producteur et le consommateur.
car le passage du courant dans les câbles du réseau de distribution
les échauffe.
Du point de vue financier c'est une perte.
Ceci dit, du point de vue de la physique, aucune énergie n'est
perdue dans cette expérience.
La totalité de l'énergie produite par la centrale se divise
en deux :
la partie dissipée dans l'atmosphère et celle consommée
par l'abonné.
La somme de ces dernières est égale à l'énergie
produite et expédiée sur les câbles.
Le principe de conservation de l'énergie est l'un
des rares principes auquel tiennent absolument les physiciens.
Toute théorie qui ne le respecterait pas est systématiquement
abandonnée.
Pour
être tout à fait exact
La physique nucléaire nous apprend qu'il y a équivalence
entre énergie et masse.
Lors de l'explosion d'une bombe à fission nucléaire,
une petite masse m d'Uranium disparaît
pour donner naissance à une énergie e considérable.
Cette énergie équivalente à la masse disparue, est
donnée par la célèbre formule d'Einstein : e =
m.c2
(c étant la célérité de la lumière
; c = 299 792 458 m/s ~ 300 000 km/s = 300×106 m/s )
Exercice
:
Calculer, en Joule et en MWh, l'énergie que peut ainsi délivrer
un gramme de matière.
Réponse ici :
Consommation annuelle moyenne d' énergie électrique
par habitant
en France ou en l'Allemagne en 2014 = 7 MWh
25 000 / 7 ~ 3 571
Un gramme de matière fournit par désintégration
l'énergie nécessaire pour alimenter annuellement en électricité
environ 3 600 habitants.
Consomation totale d'énergie électrique
en France 2014 : 478 TWh = 478×1012 Wh
Site EDF en cliquant ici :
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Exercices
corrigés
1° On laisse tomber un objet de masse m (immobile au départ)
d'une hauteur de 10 m.
En négligeant la frottements de l'air, à quelle vitesse
atteint-il le sol ?
On procèdera en assimilant énergie potentielle au départ
et énergie cinétique à l'arrivée.
Réponse ici :
2° Pour quelle raison la masse n'intervient pas dans la question
précédente ?
Réponse ici :
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Choix
par Menu ou Parcours Séquentiel
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Avant
: Masse
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