Énergie : bilans, transferts thermiques, transferts électriques

Les formes de l’énergie et leurs sources

Il existe plusieurs formes d’énergie. En voici quelques exemples :

• Thermique : C’est l’énergie qui se manifeste sous forme de chaleur.
  Exemple de sources : les frottements, radiateur
• Électrique : C’est l’énergie qui se transfère par l’intermédiaire du courant électrique, c’est-à-dire par mouvement de charges électriques.
  Exemple de source : un alternateur
• Lumineuse : C’est l’énergie qui provient de la lumière.
  Exemple de sources : le Soleil, une lampe poche
• Chimique : C’est l’énergie contenue dans les molécules, reliant les atomes entre eux.
  Exemple de source : la combustion du butane dans un briquet

Conservation de l’énergie

Lorsque l’énergie change de forme, elle se conserve : la somme des énergies produites correspond à la quantité d’énergie disponible au départ.

Cependant, lors de la conversion de l’énergie, une partie de l’énergie est « perdue » dans le sens où elle devient difficilement exploitable. Dans un moteur thermique de voiture par exemple, seulement 30 % de l’énergie disponible dans le carburant est exploitée pour créer le mouvement des roues. Le reste est perdu sous forme de chaleur : on dit que la chaleur est la forme dégradée de l’énergie.

Un bilan énergétique permet d’identifier, par rapport à l’énergie disponible au départ, la part de l’énergie qui sera perdue lors de la conversion. On souhaite évidemment, lors d’une conversion d’énergie, obtenir le meilleur rendement possible.

Les transferts et les conversions de l’énergie

L’énergie peut se transférer d’un corps à l’autre sans changer de forme. Par exemple, la chaleur issue d’un feu de cheminée se transfère jusqu’à nous pour nous réchauffer.

L’énergie peut aussi changer de forme : c’est la conversion de l’énergie.

Par exemple, l’énergie chimique contenue dans le carburant se transforme, lors de la combustion, en énergie thermique, en énergie lumineuse, et en mouvement.

L’énergie n’est pas forcément convertie en passant d’un système à un autre. Elle peut également être simplement transférée sous la même forme.

C’est le cas des transferts thermiques qui peuvent être fait de 3 manières :

• Sous forme de conduction : un corps chaud en contact avec un corps froid lui transmet de l’énergie thermique (chaleur). C’est ce qui se passe quand on touche quelque chose de chaud.
• Sous forme de convection : un corps chaud transmet son énergie thermique à un fluide. C’est ce qui se passe quand un radiateur chauffe l’air ambiant.
• Sous forme de rayonnement : tous les corps chauds rayonnent dans l’infra-rouge. Ces rayons électromagnétiques vont transmettre de l’énergie thermique.

Les lois de l’électricité à connaître au collège sont :

Circuit en série

• Loi d’unicité des intensités : eIle est constante dans tout le circuit.
• Loi d’additivité des tensions : la somme des tensions des dipôles récepteurs est égale à la tension délivrée par le générateur.

Circuit en dérivation

• Loi d’additivité des intensités : en série, la somme des intensités des branches dérivées est égale à l’intensité de la branche principale.
• Loi d’ohm : U = R x I (U en V, I en A et R en Ω)

Dipôles en série
Dans une configuration en série, les éléments du circuit sont disposés les uns après les autres, formant une seule boucle, appelée maille.

Dans cet exemple, un générateur (pile) alimente deux lampes.

1. L’intensité I du courant est la même en tout point du circuit : c’est la loi d’unicité de l’intensité.
2. La somme des tensions aux bornes des lampes est égale à la tension fournie par le générateur : $U_1 + U_2 = U_G$ : c’est la loi d’additivité des tensions.

Dipôles en dérivation
Dans une configuration en dérivation, les éléments du circuit sont disposés en parallèle les uns aux autres, formant plusieurs boucles.

Dans cet exemple, un générateur (pile) alimente deux lampes.

Le courant d’intensité I issu du générateur bifurque dans la lampe L1 et dans la lampe L2 : I = I1 + I2
C’est la loi d’additivité des intensités.

Conducteurs Ohmique
Quand une résistance ou un conducteur ohmique idéal est branché sur un circuit, la relation entre la tension et l’intensité est donnée par la loi d’Ohm :
$U = R \times I$