HPT FSC UAA20 Fiche technique Calculer des énergies L’énergie cinétique (voir UAA15) L’énergie cinétique dont dispose un objet est lié à sa masse et sa vitesse selon la loi : 𝐸𝑐𝑖𝑛é𝑡𝑖𝑞𝑢𝑒 = 𝑚.𝑣 2 2 où : Grandeur Description Unité du Système International 𝐸𝑐𝑖𝑛é𝑡𝑖𝑞𝑢𝑒 Energie cinétique dont dispose l’objet. 1 joule 𝑚 Masse de l’objet. 1 kilogramme 𝑣 Vitesse de l’objet (mesurée par rapport à un système de référence réputé au repos). 1 m/s (3,6 km/h = 1 m/s) Remarquons que l’énergie cinétique dépend du système de référence par rapport auquel on mesure la vitesse de l’objet. Généralement, on suppose qu’il s’agit de la Terre. L’énergie potentielle gravifique (voir UAA15) L’énergie potentielle gravifique dont dispose un objet est lié à sa masse et sa hauteur selon la loi : 𝐸𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑡𝑒𝑙𝑙𝑒 = 𝑚. 𝑔. ℎ où : Grandeur Description Unité du Système International 𝐸𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑡𝑖𝑒𝑙𝑙𝑒 Energie potentielle gravifique dont dispose l’objet. 1 joule 𝑚 Masse de l’objet. 1 kilogramme 𝑔 Facteur gravifique local accélération gravifique). ℎ Hauteur de l’objet (mesurée par rapport à un système de référence réputé à hauteur nulle). (aussi appelé 1 N/kg (= 1 m/s²) 1m Remarquons que l’énergie potentielle dépend du système de référence par rapport auquel on mesure la hauteur de l’objet. Généralement, on suppose qu’il s’agit du niveau le plus bas qu’il peut atteindre au cours de son mouvement (par exemple le sol). PHY FT17 161230 1 L’énergie électrique (voir UAA5) Un générateur est un composant de circuit électrique où une énergie initiale est transformée en énergie électrique, tandis qu’un récepteur est un élément de circuit électrique où une énergie électrique est transformée en énergie finale. Dans les deux cas, la quantité d’énergie électrique transformée est liée à la tension, au courant, et à la durée selon la loi : 𝐸é𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑞𝑢𝑒 = 𝑈. 𝐼. 𝑡 où : Grandeur Description Unité du Système International 𝐸é𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑞𝑢𝑒 Energie électrique produite dans le générateur ou absorbée dans le récepteur. 1 joule 𝑈 Tension aux bornes du générateur ou du récepteur. Se mesure à l’aide d’un voltmètre raccordé en parallèle avec le composant. 1 volt 𝐼 Intensité du courant circulant dans le générateur ou le récepteur. Se mesure à l’aide d’un ampèremètre raccordé en série avec le composant. 1 ampère 𝑡 Durée de fonctionnement. 1s (Une unité usuelle de l’énergie électrique est le kwh : 1 kWh = 3.600.000 J = 3,6.106 J) Notons que l’énergie électrique transformée peut aussi directement se mesurer à l’aide d’un énergimètre (ou aussi wattmètre ou indicateur de consommation). Si on connait la puissance de fonctionnement du composant, on peut également déterminer la quantité d’énergie qu’il transforme en multipliant cette puissance par la durée. Dans tous les cas, il faut être attentif à l’homogénéité des unités. L’énergie thermique Tant qu’une substance ne change pas d’état, sa température augmente quand elle reçoit de l’énergie thermique (on dit qu’on la chauffe), et sa température diminue quand elle perd de l’énergie thermique (on dit qu’elle refroidit). La variation de la quantité d’énergie thermique dont dispose un objet est liée à la variation de sa température selon la loi : ∆𝐸𝑡ℎ𝑒𝑟𝑚𝑖𝑞𝑢𝑒 = 𝑐. 𝑚. ∆𝜃 où : Grandeur Description Unité du Système International ∆𝐸𝑡ℎ𝑒𝑟𝑚𝑖𝑞𝑢𝑒 Variation de la quantité d’énergie thermique dont dispose l’objet (parfois aussi appelée chaleur). 1 joule ∆𝜃 Variation de la température de l’objet. 1 kelvin (1 K), correspond à 1° C 𝑚 Masse de l’objet. 1 kilogramme 𝑐 Chaleur massique de la substance dont est constitué l’objet (parfois aussi appelée chaleur spécifique). 1 𝑗𝑜𝑢𝑙𝑒 = 1 𝐽/𝑘𝑔. 𝐾 1 𝑘𝑖𝑙𝑜𝑔𝑟𝑎𝑚𝑚𝑒. 1 𝑘𝑒𝑙𝑣𝑖𝑛 Quelques chaleurs massiques (en J/kg.K) : Vapeur d’eau à 100 °C à pression 1860 constante Plomb solide 130 Plomb liquide 165 Cuivre 380 Huile d’olive 2000 Acier inoxydable 500 Glace à 0 °C 2094 Terre 800 Bois de chêne 2400 Verre 840 Corps humain 3470 Air sec à pression constante 1000 Eau (liquide) (se note aussi co) 4186 PHY FT17 161230 2 L’énergie de combustion Quand une substance inflammable entre en combustion, elle peut produire une certaine quantité d’énergie thermique liée à la masse de substance selon la loi : 𝐸𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑜𝑛 = |∆𝐻𝑐𝑜 |. 𝑚 où : Grandeur Description Unité du International 𝐸𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑜𝑛 Energie thermique (aussi appelée enthalpie de réaction de combustion) produite lors d’une combustion complète en présence d’oxygène, en conditions normales de température (0 °C) et de pression (1 atm = 101325 Pa) 1 joule |∆𝐻𝑐𝑜 | Valeur absolue de la chaleur de combustion (parfois aussi appelée pouvoir calorifique ou pouvoir thermique). 1 J/kg 𝑚 Masse de l’objet. 1 kilogramme Système Quelques chaleurs chaleur de combustion (valeurs absolues, en J/kg) : Bois sec (approximativement) 15.106 Glucose (C6H12O6) 16.106 Butane (C4H10) 50.106 Hydrogène (H2) 142.106 Charbon 15.106 à 27.106 Méthane (CH4) 55.106 Essence 47.106 Octane (C8H18) 48.106 Ethanol (C2H5OH) 30.106 Propane (C3H8) 50.106 Gazole (composant principal du diesel) 45.106 Paraffine de bougie (approximativement) 40.106 L’énergie de rayonnement La mesure de l’énergie transmise par un rayonnement (infrarouge, lumineux…) dépend de la source et de l’utilisation. a) Rayonnement global solaire à la surface de la Terre : on peut considérer un éclairement total d’environ 1000 W/m2 sur une surface placée perpendiculairement à la trajectoire de la lumière, en absence d’obstacles (nuages…). b) Rayonnement global d’une source locale (lampe, flamme…) isotrope (émettant de la même 𝑃 manière dans toutes les directions), et dont on connaît la puissance : utiliser la loi : 𝐸 = 4𝜋𝑟 2 où : Grandeur Description Unité du Système International 𝐸 Eclairement sur une surface placée perpendiculairement à la trajectoire de la lumière. 1 W/m² 𝑃 Puissance de la source. 1 watt 𝑟 Distance de la surface à la source 1 mètre Notons que ce calcul ne tient pas compte de la quantité d’énergie émise par conduction ou convection, par exemple par l’intermédiaire du carter de la lampe. Dans le cas d’une source directionnelle (spot…), il est préférable d’évaluer la proportion du rayonnement émis arrivant sur la surface. c) Rayonnement lumineux d’une source de puissance inconnue : mesurer l’éclairement en lumière visible à l’aide d’un luxmètre et convertir en watt/m² à l’aide d’un convertisseur d’unité (voir références ci-dessous). Références : Le rendement et les performances des systèmes, in Efficacité énergétique des bâtiments tertiaires : http://www.energieplus-lesite.be/index.php?id=16971 Convertisseur d’unité : http://www.translatorscafe.com/cafe/FR/units-converter/illumination/1-11/luxwatt%2Fcentimeter%C2%B2_(at_555_nm)/ PHY FT17 161230 3