Télécharger

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 ΔW (Work) est la variation de l'énergie d'un
système, due à l'application d'une force F, agissant sur
une distance d :
Δ 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 téléski. Seule la
composante de la force de traction FT parallèle au
déplacement travaille. Cette composante est FT.cos30°
2.3.1. Energie mécanique
Un corps de masse m, se déplaçant à la vitesse v stocke de
l’énergie mécanique dite « 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 (de l’altitude de
référence) stocke une énergie mécanique dite « potentielle de
pesanteur ». Cette énergie potentielle de pesanteur Ep
s’exprime par la relation :
Ep = m.g.h
Ep 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
L’énergie potentielle élastique d’un ressort dépend de sa
raideur k et de son allongement par rapport au repos x.
Elle est égale au travail qu’il a fallut effectuer sur celui-ci
pour le comprimer :
Ep = ½.k.x2
L’énergie est exprimée en J, l’allongement en m et la
raideur en N.m-1.
2.3.2. Energie thermique - Chaleur
On définit la capacité calorifique massique cm d’un
corps, comme la quantité de chaleur en Joule, qui doit
être fournie pour élever la température de 1kg de la
substance de 1K.
Donc, pour un objet de masse m subissant une variation
de température ΔT, l’énergie acquise (stockée dans
l’objet) est :
Δ Q = cm.m. Δ T
Où Δ Q s’exprime en J, m en kg, ΔT en K ou °C et donc cm
en J.kg-1.K-1
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 cylindre 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
Il définit ainsi la calorie (cal) qui est la quantité de
chaleur nécessaire pour augmenter la température de 1
gramme d'eau de 1 degré Celsius.
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
2.6. 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 / Δt
Pm s'exprime en Watt (W) si ΔW est en Joule (J) et Δt en
seconde.
La puissance mécanique d’un système en déplacement à
vitesse constante v sous l’action d’une force de traction F
constante s’exprime :
P = F.v
La puissance s’exprime en W si la force est en N et la
vitesse en m/s.
3.1. 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).
3.2. Le rendement
Le rendement est définit par :
η = (puissance utile) / (puissance absorbée) = PU / PA
Le rendement est toujours inférieur ou égale à 1 : η ≤ 1