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