Travail et énergie : formes et transformation

Travail d’une force constante

Le travail d'une force $ \rm \vec {F}$ constante dont le point d'application effectue un déplacement rectiligne $\rm AB = l$, faisant un angle $\alpha$ avec la direction de la force, est donné par la relation :
$\rm W = F \times l \times \cos(\alpha)$

Avec $\rm W$ le travail en joule (J), $\rm F$ la force en newton (N) et $\rm l$ la longueur de déplacement en mètres (m).

On distingue plusieurs cas

• Une force est motrice si son sens favorise le déplacement (le travail est positif)
  
• Une force est résistante si elle s’oppose au déplacement (le travail est négatif)
  
• Le travail est nul si le point d’application de la force ne se déplace pas, ou si la direction de la force est perpendiculaire au déplacement.
  

Différentes formes d’énergie et conversion dans les machines

L’énergie $\rm E$ se mesure en Joules. Nous la retrouvons sous plusieurs formes :

• Énergie rayonnante (Lumineuse)
  
• Énergie chimique (provenant des combustions ou tout autre réaction chimique)
  
• Énergie électrique
  
• Énergie nucléaire
  
• Énergie mécanique (provenant du mouvement d’un objet et de sa position en hauteur)
  
• Énergie thermique (sous forme de chaleur)
  

Les machines convertissent une forme d’énergie qui lui est fournie pour la restituer sous une autre forme.

Exemple d’un moteur thermique :

Puissance et Rendement

La puissance moyenne d’une force représente le travail d’une force par unité de temps, soit :
$\rm \displaystyle P_{moy}= \frac {(W(\vec F))}{\Delta t}$

Avec $\rm P$ la puissance en watt (W), $\rm W$ le travail en joule (J) et $\rm \Delta t$ le temps d’application en secondes (s).

Le rendement d’un système correspond à son efficacité. Il peut se calculer de la manière suivante :
$\rm \displaystyle η=\frac {P_{restituée}}{P_{consommée}}$

Variation quantité chaleur et changement de température, radiation juste $\rm E=hn$ (effet de serre, photosynthèse)

La quantité de chaleur d’un système peut varier soit par conversion soit par transfert d’énergie.

Sur Terre, la chaleur provient principalement de l’énergie lumineuse. La lumière blanche est décomposable en couleurs (grâce à un prisme notamment ou par la pluie pour les arcs en ciel).

Chaque « couleur » est définie par une longueur d’onde λ qui se mesure en mètres.

L’œil humain ne perçoit que les ondes de longueur d’onde comprise entre 400 et 800 nm. Les autres ondes électromagnétiques ne sont pas visibles à l’œil nu mais peuvent être captées autrement (radio, téléphone, télécommande infra rouge, rayons UV, rayons X, …)

Exemple : la photosynthèse

L’énergie rayonnante du soleil va être convertie en énergie chimique dans les plantes pour transformer le $\rm CO_2$ et l’eau en glucose et oxygène. Cette réaction absorbe l’énergie rayonnante pour pouvoir être initiée.

Il est possible de calculer l’énergie apportée par la lumière à condition de connaître sa longueur d’onde :
$\rm \displaystyle E=\frac {(h\times c)}{λ}$

Avec $\rm E$ l’énergie rayonnante en joule (J), $\rm h$ la constante de Planck (donnée), $\rm c$ la vitesse de la lumière en $\rm m.s^{-1}$ et $\lambda$ la longueur d’onde en mètre (m).

Cette relation peut également s’écrire $\rm E=h \times υ$ avec $\rm \displaystyle υ =\frac {(h\times c)}{λ}$, la fréquence en Herz (Hz).