ENERGIE et PUISSANCE

2.1. Définition

La force est l'agent du changement et l'énergie est une mesure du changement.

L'énergie pure n'existe pas. Suivant le système considéré, on lui associera une énergie mécanique, une énergie thermique, une énergie électrique, une énergie de rayonnement, une énergie nucléaire. La propriété fondamentale de l'énergie est de pouvoir changer de forme : elle se transfert et modifie sa nature.

2.2. Le travail

le produit de la force et de la distance sur laquelle elle agit, mesure la variation d'énergie.

Le travail W (Work) est la variation de l'énergie d'un système, due à l'application d'une force F, agissant sur une distance d :WF = F.d , dans le cas où la force et le déplacement ont même sens et même direction.L'unité de travail est le Joule (J), de force, le Newton (N) et de distance, le mètre (m).

2.2. Le travail

Un skieur est tracté par une perche d'un téleski. Seule la composante de la force de traction FT parallèle au déplacement travail. Cette composante est FT.cos30°

Un corps de masse m, se déplaçant à la vitesse v stocke de l’énergie mécanique dites « cinétique ». Cette énergie cinétique

Ec s’exprime par la relation :Ec = ½.m.v2

Ec s’exprime en Joule (J) si m est exprimée en kilogramme (kg) et

v en mètre par seconde (m/s).

Un corps de masse m, située à une hauteur h (du bas, généralement le niveau de la mer) stocke une énergie mécanique

dites « potentielle de pesanteur ». Cette énergie potentielle de pesanteur Ep s’exprime par la relation :

Ep = m.g.hEp s’exprime en Joule (J) si m est exprimée en kilogramme (kg), g, l’accélération de pesanteur terrestre en mètre par seconde carrée (m/s2) et h en mètre (m).

2.3.1. Energie mécanique

2.4. Le principe de conservation de l’énergie

(a) Dans un solide, chaque atome oscille au voisinage de sa position d'équilibre et entre en collision (interagissant électromagnétiquement) avec ses proches voisins. (b) Dans un liquide, les positions d'équilibre se déplacent et chaque atome vibre avec une plus grande amplitude. (c) Dans les gaz, les oscillations disparaissent et le mouvement est essentiellement libre, jusqu'à ce que les atomes entrent en collision.

2.4. Le principe de conservation de l’énergie

Expérience de Rumford. (Fig.1) Un solide fût de canon (Fig.2) fut transformé en cynindre court et large à son extrémité (Fig.3) puis enfermé dans un caisson de bois représenté dans la Fig.4. Un foret (Fig.5 et 6) fut enfoncé de force dans le cylindre et le cylindre mis en rotation par un attelage de chevaux (non illustrés). Le caisson était rempli d'eau qui fut assez rapidement portée à ébullition.

2.4. Le principe de conservation de l’énergie

Dispositif de Joule pour déterminer l'équivalence mécanique de la chaleur. En tombant, les poids font tourner les palettes, ce qui accroît la température de l'eau. L'énergie potentielle gravitationnelle est transformée en énergie cinétique des palettes puis de l'eau. Cette énergie cinétique finit par être transformée en énergie thermique dans l'enceinte isolée.

2.4. Le principe de conservation de l’énergie

L'énergie thermique est l'énergie cinétique désordonnée totale associée à un groupe de particules (habituellement des atomes, des ions et des électrons) à l'intérieur du corps.

Le travail est l'énergie mécanique organisée transférée au corps ou du corps, au moyen d'une force agissant à distance.

La quantité de chaleur est l'énergie thermique transférée, par les collisions des particules, d'une région de haute température vers une région de basse température.

2.4. Le principe de conservation de l’énergie

L'énergie ne peut être ni créée ni détruite, mais transférée seulement d'un système à un autre et transformée d'une forme à une autre.

Ainsi, pour un système donné, l'énergie totale que reçoit le système est égale à l'énergie qu'il fournit plus sa variation d'énergie interne : ΔWR = ΔWI + ΔWF

2.5. Définition de la puissance

Puissance = (travail effectué)/(intervalle de temps) .

la puissance est la cadence à laquelle l'énergie est transformée d'une forme à une autre, ou transférée d'un système à un autre.

Pm = ΔW / ΔtPm s'exprime en Watt (W) si ΔW est en Joule (J) et Δt en

seconde.

3.2. Centrales nucléaires

La réaction nucléaire dégage une chaleur très importante qui permet d’obtenir de la vapeur d’eau sous pression. La turbine est mise en rotation et entraîne l’alternateur qui génère de l’énergie électrique.

Un réacteur nucléaire génère une puissance électrique de 900MW à 1450MW.

3.3. Centrales thermiques

La combustion d'un combustible ( charbon, pétrole, gaz) dégage un chaleur importante et permet de créer de la vapeur sous pression. La turbine est mise en rotation et entraîne l’alternateur qui génère de l’énergie électrique.

Les centrales en service en France ont des puissances variant de 100 MW à 700 MW.

3.4. Centrales hydrauliques

L'eau fait tourner une turbine qui entraîne elle-même un alternateur qui produit une tension alternative sinusoïdale.

Les centrales hydrauliques ont une puissance qui peut aller de quelques milliers de watts à 500 MW.

3.5. Les éoliennes

Les pales de l’hélice entraînées par le vent met, par l’intermédiaire du multiplicateur, un alternateur en rotation.

Une éolienne standard fournit une puissance électrique de l'ordre de la dizaine de kilowatts.

3.6. Panneaux photovoltaïques

3.6. Panneaux photovoltaïques

Centrale à panneaux solaires dans le cirque de Mafate, Ile de la Réunion

3.8. Piles

Réactions chimiques dans un élément de la pile Volta.

Pile Volta.

3.8. Accumulateur

Batterie au plomb. Différentes type d’accumulateurs.

3.8. Pile à combustible

Pile à combustible au méthanol.

Principe d’une pile à combustible à hydrogène-air.

5.1. Bilan de puissance pour un système à énergie interne constante

Le bilan de puissance d'un système s'écrit de la façon suivante :

PF = PU + pp ; donc PA = PU + pp

Les puissances s'exprime en Watt (W).