Chapitre 2

Chapitre 2 :
ENERGIE, PUISSANCE ET TRAVAIL D’UNE FORCE
S4F
I) Notion d’énergie et de puissance :
1) Nécessité de l’énergie :
- Le fonctionnement des installations industrielles et des transports nécessite
de l'énergie.
- Le Soleil fournit aux plantes l'énergie nécessaire à la photosynthèse.
- Les aliments apportent aux animaux de l'énergie pour vivre, se développer
et se mouvoir.
- Les phénomènes physiques qui ont lieu dans les étoiles mettent en jeu des
énergies gigantesques.
Pour commencer, nous dirons :
Un système possède de l’énergie lorsqu’il est capable de fournir un
certain travail.
Chapitre 2 :
ENERGIE, PUISSANCE ET TRAVAIL D’UNE FORCE
S4F
I) Notion d’énergie et de puissance :
2) Exemple de transformateur d’énergie :
On considère un véhicule automobile dont le moteur fonctionne à l'essence :
- Lors de la combustion explosive du mélange essence-air, les gaz actionnent
les pistons, ce qui met l'arbre moteur en mouvement de rotation; ce
mouvement est communiqué aux roues :
De l'énergie chimique est transformée en énergie cinétique.
- Durant son fonctionnement, le moteur s'échauffe. Il est nécessaire de le
refroidir grâce à une circulation d'eau :
De l'énergie chimique est transformée en énergie calorifique.
énergie chimique
véhicule à
moteur thermique
énergie cinétique
Chapitre 2 :
ENERGIE, PUISSANCE ET TRAVAIL D’UNE FORCE
S4F
I) Notion d’énergie et de puissance :
3) Différentes formes de l’énergie :
- L’énergie cinétique d'un objet, dans un référentiel donné, est l'énergie
associée à son mouvement par rapport à ce référentiel.
Exemple : Energie cinétique d'un véhicule en mouvement, du vent (utilisée
dans une éolienne), d'une chute d'eau (centrale hydraulique).
- L’énergie potentielle d'un système est l'énergie associée aux positions
relatives de ses différentes parties en interaction.
Exemple : L'eau, accumulée derrière un barrage, se comporte comme une
réserve d'énergie qui peut être libérée : l'énergie mise en réserve
est appelée énergie potentielle de pesanteur.
Un ressort étiré constitue une réserve d'énergie qui peut être
libérée en le laissant se détendre : on dit que le ressort possède
de l'énergie potentielle d'élasticité.
- L’énergie thermique ou calorifique d'un système, est l'énergie qui est
emmagasinée à l'échelle microscopique, sous formes d’énergie cinétique et
potentielle désordonnées, du fait de sa température.
Remarque : Nous verrons dans la suite du cours qu’il ne faut pas confondre
énergie thermique, chaleur et température.
Chapitre 2 :
ENERGIE, PUISSANCE ET TRAVAIL D’UNE FORCE
S4F
I) Notion d’énergie et de puissance :
3) Différentes formes de l’énergie :
- Energie chimique : au cours d'une réaction chimique, les liaisons entre les
atomes des réactifs sont modifiées pour donner de nouvelles liaisons dans
les produits : l'énergie chimique du système a varié.
Exemple : Une réaction de combustion d'un combustible dans un comburant
permet le fonctionnement d'un moteur.
- L’énergie électromagnétique est l’énergie transportée dans les radiations
électromagnétiques.
Exemple : Le soleil et toutes les sources d’ondes électromagnétiques (radar,
four à micro-ondes, téléphone portable …) nous envoient de
l’énergie sous forme de radiations électromagnétiques.
- L’énergie nucléaire est l’énergie emmagasinée au niveau des liaisons
entre nucléons dans le noyau ou entre constituants de certaines particules.
Exemple : Le soleil et les étoiles ne fonctionnent que grâce à des réactions
nucléaires. L’énergie de fission de l’uranium est utilisé dans les
centrales nucléaires.
ENERGIE, PUISSANCE ET TRAVAIL D’UNE FORCE
Chapitre 2 :
S4F
I) Notion d’énergie et de puissance :
4) Notion de puissance :
On considère un travail W (transporter un tas de graviers d’un point A à un
point B) que doivent effectuer deux individus, les protagonistes, héros du film
"Jumeaux", Arnold Schwarzenegger et Danny Devito :
- Exécuté par Schwarzy, le travail prendra peu de temps :
On dira qu’Arnold Schwarzenegger développe une grande puissance.
- Exécuté par Danny, le travail prendra beaucoup de temps :
On dira que Danny Devito développe une petite puissance.
A
B
Chapitre 2 :
ENERGIE, PUISSANCE ET TRAVAIL D’UNE FORCE
S4F
II) Unité et ordres de grandeur :
1) Energie :
Le nom de l’unité légale fondamentale d’énergie est le joule (J).
- En électricité industrielle, on utilise le Wh : 1 Wh = 3600 J.
- En physique atomique et nucléaire, on utilise le eV : 1 eV = 1,6.10-19 J.
- En économie on utilise la "tonne équivalent pétrole" : 1 t.e.p. = 43 GJ.
Energie
nécessaire pour soulever une masse de 100 g à
une hauteur de 1m :
nécessaire pour élever de 1° C la température de
1 kg d'eau :
Valeur
1 J
4,18 kJ
cinétique d'une balle de tennis lors d'un service
 100 J
nécessaire par jour aux fonctions vitales d'un
homme de 70 kg :
 8 MJ
produite par la combustion d'un litre d'essence
 32 MJ
électrique produite en France en 1990 :
 1,4.1018 J = 380 TWh
Chapitre 2 :
ENERGIE, PUISSANCE ET TRAVAIL D’UNE FORCE
S4F
II) Unité et ordres de grandeur :
2) Puissance :
La puissance moyenne P d'un système utilisant ou fournissant l'énergie W
pendant une durée Dt est donnée par la relation :
W
P = Dt
Le nom de l’unité légale fondamentale de puissance est le watt (W).
- On utilise parfois le cheval vapeur : 1 ch = 735 W.
Puissance
par une lampe
consommée
d'éclairage
domestique :
consommée par un promeneur sur le plat :
Valeur
de 20 W à 150 W
 200 W
fournie par le moteur d’un véhicule :
de 25 kW à 150 kW
fournie par le moteur d'un avion à hélice ou à de 100 kW (136 ch : DR 400)
réaction :
à 10 MW (13600 ch : Airbus)
fournie par un réacteur de centrale nucléaire :
de 900 MW à 1300 MW
émission du rayonnement solaire :
 4.1026 W
Chapitre 2 :
ENERGIE, PUISSANCE ET TRAVAIL D’UNE FORCE
S4F
II) Unité et ordres de grandeur :
3) Signe des échanges d’énergie :
On considère un système qui peut échanger de l’énergie (du travail) avec le
milieu extérieur :
- Lorsque le système reçoit du travail du milieu extérieur, l’énergie du
système augmente, la variation DE de son énergie est positive :
Les échanges d'énergie sont alors positifs : Wreçu = DE > 0
- Lorsque le système fournit du travail au milieu extérieur, l’énergie du
système diminue, la variation DE de son énergie est négative :
Les échanges d'énergie sont alors négatifs : Wfourni = DE < 0
Wreçu > 0
Wfourni < 0
syst ème
Chapitre 2 :
ENERGIE, PUISSANCE ET TRAVAIL D’UNE FORCE
S4F
III) Travail d’une force :
1) Notion de travail :
Dans le langage courant le mot travail fait penser aux mots efforts, peine,
fatigue. Qu'en pense le physicien ?
Remarque : Un opérateur maintient un objet à une hauteur constante :
fournit-il un travail ?... Non ! Il fait un effort pour vaincre le poids
et il exerce une force, mais cette force ne produit aucun travail.
Si l'opérateur déplace l'objet verticalement vers le haut un travail
est fourni, mais si le déplacement de l'objet a lieu horizontalement
aucun travail n'est effectué !
Le travail d'une force dépend de la force exercée et de la façon dont se
déplace son point d’application.
Remarque : Le travail d'une force comme l'énergie, se mesure en joule (J).
Chapitre 2 :
ENERGIE, PUISSANCE ET TRAVAIL D’UNE FORCE
S4F
III) Travail d’une force :
2) Expression du travail d’une force dans quelques cas particuliers :

Cette année nous nous restreindrons au cas très particulier d’une force F qui
reste constante (en direction, sens et mesure) au cours du déplacement de
son point d’application d’un point A à un point B.
Chapitre 2 :
ENERGIE, PUISSANCE ET TRAVAIL D’UNE FORCE
S4F
III) Travail d’une force :
2) Expression du travail d’une force dans quelques cas particuliers :
a) Force parallèle au déplacement :


AB , a aussi même sens :
- La force F étant parallèle au déplacement

W (F) = + F.AB
On démontre qu’alors :
A B
F est la mesure de la force (en N), AB la longueur du déplacement (en m).
B
A
Chapitre 2 :
ENERGIE, PUISSANCE ET TRAVAIL D’UNE FORCE
S4F
III) Travail d’une force :
2) Expression du travail d’une force dans quelques cas particuliers :
a) Force parallèle au déplacement :


AB , a aussi même sens :
- La force F étant parallèle au déplacement

W (F) = + F.AB
On démontre qu’alors :
A B
F est la mesure de la force (en N), AB la longueur du déplacement (en m).


AB , a un sens contraire :
- La force F étant parallèle au déplacement

W (F) = - F.AB
On démontre qu’alors :
A B
A
B
Chapitre 2 :
ENERGIE, PUISSANCE ET TRAVAIL D’UNE FORCE
S4F
III) Travail d’une force :
2) Expression du travail d’une force dans quelques cas particuliers :
b) Force orthogonale au déplacement :

- La force F reste orthogonale au déplacement de son point d’application :

W (F) = 0
On démontre qu’alors :
A B
B
A
Chapitre 2 :
ENERGIE, PUISSANCE ET TRAVAIL D’UNE FORCE
S4F
III) Travail d’une force :
2) Expression du travail d’une force dans quelques cas particuliers :
c) Travail du poids :
On considère
un objet de masse m (en kg), plongé dans le champ de


pesanteur g et dont le centre de gravité G (point d’application du poids P )
se déplace d’un point A à un point B suivant une trajectoire (C) quelconque :
On démontre que :
Le travail du poids ne dépend que des
altitudes des points A et B.

Soit l’expression : W (P) = - m.g.(zB - zA)
A B
Désignons par h = zA - zB la différence
d’altitude entre les points A et B en valeur
absolue :
- si zA°>°zB (l’objet descend)
> 0 le travail du poids est "moteur" :
= + m.g.h
- si zA°<°zB (l’objet monte)
< 0 le travail du poids est « résistant" :
= - m.g.h
Chapitre 2 :
ENERGIE, PUISSANCE ET TRAVAIL D’UNE FORCE
S4F
III) Travail d’une force :
2) Expression du travail d’une force dans quelques cas particuliers :
d) Travail d’étirement d’un ressort :
Nous montrerons en 6ème année que le travail fourni par un opérateur qui,
en tirant sur les extrémités d’un ressort, fait passer sa longueur de sa valeur
initiale l0 à une autre valeur l est donnée par :
W = .k.(l - l 0)2
Où k est la constante de raideur du ressort (en N.m-1)
Chapitre 2 :
ENERGIE, PUISSANCE ET TRAVAIL D’UNE FORCE
S4F
IV) Expression de l’énergie dans quelques cas particulier :
1) Energie cinétique :
On se limitera au cas d'un système simple formé d'un seul objet solide.
L'énergie cinétique d'un solide de masse m, animé d'une vitesse de
mesure v par rapport à un référentiel (R), a pour expression :
EC = .m.v2
EC en J ; m en kg ; v en m.s-1 donc v2 en m2.s-2.
On voit que :
1 J = 1 kg.m2.s-2.
Remarque : La valeur de l’énergie cinétique dépend du référentiel (R) dans
lequel on étudie le mouvement de l’objet.
Exemple : Calculer l'énergie cinétique d'un véhicule de masse m = 2 t, lancé à
la vitesse v = 100 km/h :
EC  771600 J
Calculer l'énergie cinétique d'une balle de tennis, de masse
m = 200 g, de vitesse v = 180 km/h : EC  250 J
Calculer l'énergie cinétique d'une balle de fusil, de masse
m = 100 g, de vitesse v = 800 m/s : EC  32000 J
Chapitre 2 :
ENERGIE, PUISSANCE ET TRAVAIL D’UNE FORCE
S4F
IV) Expression de l’énergie dans quelques cas particulier :
2) Energie potentielle de pesanteur :
L'énergie potentielle de pesanteur d'un solide de masse m, placé dans le
champ de pesanteur de mesure g, à une altitude h, a pour expression :
EPg = m.g.h
EPg en J ; m en kg ; g en m.s-2.
On retrouve que :
1 J = 1 kg.m2.s-2.
Remarque : L'énergie potentielle de pesanteur est définie par rapport à une
altitude donnée : on dit que l'énergie potentielle est définie à une
configuration près.
Exemple : Calculer l'altitude h au-dessus du sol à laquelle doit se trouver un
véhicule de masse m = 2 t, pour que son énergie potentielle de
pesanteur soit égale à l'énergie cinétique du véhicule pris dans
l'exemple du paragraphe précédent :
En prenant g  10 m.s-2, on trouve h  39 m
Calculer l'énergie potentielle de pesanteur de 1 m3 ( 1000 kg)
d'eau situé à une altitude h = 100 m au-dessus du sol :
EPg  1 000 000 J
Chapitre 2 :
ENERGIE, PUISSANCE ET TRAVAIL D’UNE FORCE
S4F
IV) Expression de l’énergie dans quelques cas particulier :
3) Energie mécanique :
L'énergie mécanique d'un solide de masse m, est l'énergie qu'il possède
de par sa position et son état de mouvement : EM = EC + EP
Exemple : Calculer l'énergie mécanique d'un satellite de masse m = 500 kg
gravitant à une altitude de 400 km (g = 9,5 ms-2), à une vitesse de
mesure v = 28000 km.h-1 :
EC  15 123 500 J, EPg  1 900 000 J d’ où EM  17 023 500 J
Chapitre 2 :
ENERGIE, PUISSANCE ET TRAVAIL D’UNE FORCE
S4F
V) Loi de conservation de l’énergie :
1) Système transformateur d’énergie :
Exemple : le conducteur ohmique reçoit de l'énergie électrique (Wé > 0) et
fournit de l'énergie thermique (Wth < 0).
Exemple : le moteur d'un véhicule reçoit de l'énergie chimique (Wch > 0) et
fournit de l'énergie thermique (Wth < 0) et mécanique (Wmé < 0).
Chapitre 2 :
ENERGIE, PUISSANCE ET TRAVAIL D’UNE FORCE
S4F
V) Loi de conservation de l’énergie :
2) Définition :
Un système est dit "isolé" du point de vue de l'énergie, lorsque les
transferts énergétiques entre ce système et le milieu extérieur sont
toujours négligeables.
Remarque : Un système peut être isolé pour certaines formes de l'énergie
mais pas pour d'autres : système évoluant à volume constant
(isolé mécaniquement); système enfermé dans un vase
adiabatique (isolé thermiquement).
Chapitre 2 :
ENERGIE, PUISSANCE ET TRAVAIL D’UNE FORCE
S4F
V) Loi de conservation de l’énergie :
3) Principe de conservation de l’énergie :
a) Système isolé et système conservatif :
L'énergie totale d'un système énergétiquement isolé est constante.
Un système dont l'énergie mécanique est constante est dit conservatif.
Chapitre 2 :
ENERGIE, PUISSANCE ET TRAVAIL D’UNE FORCE
S4F
V) Loi de conservation de l’énergie :
3) Principe de conservation de l’énergie :
b) Système non isolé :
La variation d'énergie d'un système non isolé est égale à la somme
algébrique des quantités d'énergie qu'il échange avec le milieu
extérieur :
DE = W.
Chapitre 2 :
ENERGIE, PUISSANCE ET TRAVAIL D’UNE FORCE
S4F
V) Loi de conservation de l’énergie :
4) Rendement d’un système transformateur :
On s’intéresse à l’efficacité d'un convertisseur d'énergie; certaines formes
d'énergie sont alors considérées comme utiles et d'autres comme des pertes.
Exemple : Pour un radiateur, l’énergie thermique qu'il fournit au milieu
extérieur est utile; pour une lampe, l'énergie thermique est une
perte (d’où l’invention de la lampe froide).
On appelle rendement d'un convertisseur le quotient  (sans dimension)
de l'énergie utile qu'il fournit pendant une durée Dt, par l'énergie qu'il
reçoit pendant la même durée.
On a le même rapport avec les puissances :
=
énergie reçue
=
convertisseur
d’énergie
énergie utile
énergie perdue