L'énergie : conversions et transferts
Le domaine L'énergie : conversions et transferts porte sur le travail d'une force, le théorème de l'énergie cinétique, l'énergie potentielle et l'énergie mécanique, la puissance, le rendement, les transferts thermiques et l'énergie électrique (effet Joule). Le Bac attend des bilans énergétiques rigoureux : identifier le système, les transferts, les conversions, puis conclure sur l'efficacité d'une chaîne d'énergie.
Travail et énergie mécanique
- Travail d'une force constante : W = F·AB·cos α, soit le produit scalaire des vecteurs force et déplacement ; travail moteur si α < 90°, résistant si α > 90°, nul si α = 90°.
- Énergie cinétique E_c = ½mv² ; théorème : ΔE_c = ΣW, valable même avec des frottements.
- Énergie potentielle de pesanteur E_pp = mgz (référence choisie) ; W(P) = mg(z_A − z_B).
- Énergie mécanique E_m = E_c + E_pp, conservée uniquement si le système n'est soumis qu'à des forces conservatives (pas de frottement).
Puissance, rendement, transferts thermiques
- Puissance P = W/Δt = F·v ; énergie électrique E = U·I·Δt ; effet Joule P = R·I².
- Transfert thermique Q = m·c·ΔT (c en J·kg⁻¹·K⁻¹), sans changement d'état.
- Rendement η = énergie utile / énergie reçue, toujours inférieur à 1 pour un convertisseur réel.
- Bilan : la variation d'énergie du système est la somme algébrique des transferts reçus.
Exemple rédigé
Un bouilloire de puissance P = 2000 W chauffe m = 1,5 kg d'eau de 20 °C à 100 °C, avec c = 4,18 kJ·kg⁻¹·K⁻¹. Le transfert nécessaire vaut Q = 1,5 × 4180 × 80 = 5,02·10⁵ J. Si toute la puissance était transférée, la durée serait t = Q/P = 5,02·10⁵ / 2000 = 251 s. Avec un rendement de 0,80, l'énergie électrique consommée devient E = Q/0,80 = 6,28·10⁵ J, soit t = E/P = 314 s. Le rendement allonge donc la durée d'environ un quart.
Pièges qui coûtent des points
- Oublier le signe du travail (cos α) et confondre W avec ΔE_c.
- Utiliser la conservation de E_m alors que des frottements existent : l'énergie mécanique diminue et se transfère en énergie interne.
- Mélanger les unités (kJ et J, g et kg) ou écrire un rendement supérieur à 1.
- Confondre puissance (W) et énergie (J), ou oublier de préciser la durée du transfert.