ISLLg - 4TTA - E03
Énergie, puissance et rendement
Définitions générales
L’énergie
Avoir de l'énergie est la capacité de quelqu’un ou de quelque chose de pouvoir réaliser un certain travail.
Exemples :
l’énergie nécessaire pour pomper l'eau d'une piscine pour la vider,
l'énergie nécessaire pour faire fondre un bloc de glace de 2kg...
Les différentes formes d'énergie
Vous
verrez lors de ces dernières années de secondaire que l'énergie existe
sous différentes formes : l'énergie mécanique, l'énergie électrique,
l'énergie chimique, l'énergie thermique, l'énergie lumineuse, l'énergie
nucléaire...
Il existe diverses machines pour transformer une forme d'énergie en une autre avec plus ou moins d'efficacité.
Exemples :
lampe (énergie électrique => lumineuse), moteur (énergie
électrique=> mécanique), chaudière (énergie chimique=>thermique),
panneau photovoltaïque (énergie lumineuse=>électrique), dynamo
(énergie mécanique=>électrique), pile (énergie
chimique=>électrique), turbine à vapeur (énergie
thermique=>mécanique)...
La puissance
Avoir de la
puissance veut dire, pouvoir réaliser un certain travail en un certain
temps. Plus un équipement est puissant, plus rapide sera l'exécution de
ce travail.
Exemples :
Vider la piscine avec une petite pompe vide-cave en 3 jours... ou en 1h
avec une grosse pompe de la protection civile (pompier). Faire fondre
un bloc de glace de 2kg avec des bougies en 5h ... ou en 10min sur une
cuisinière au gaz.
Unités
L'énergie (E) et le travail (W) s'expriment en Joules (J).
1J = 1C . 1V => le Volt exprime l'état énergétique d'une quantité d'électricité
Le
Joule est l’énergie correspondant au passage d’une charge de 1Coulomb
entre 2 points soumis à une différence de potentiel de 1Volt.
La puissance (P) s'exprime en Watts (W) ou encore en kilo-Watts (kW).
1W = 1J/s = 1A . 1V 1kW = 1000J/s
En électricité, l'énergie et le travail sont également exprimés en kWh :
1 kWh = 1000W . 3600s = 3,6MJ
Votre fournisseur d'électricité vous facture environ 0,20€ / kWh.
Dégradation de l’énergie
La transformation d’énergie d'une forme en une autre est généralement accompagnée d'un dégagement de chaleur.
Exemples :
Un
moteur électrique transforme de l’énergie électrique en énergie
mécanique, mais produit aussi de l’énergie calorifique (pertes par
effet Joule dans les bobinages).
Une lampe halogène transforme de l’énergie électrique en énergie lumineuse, mais produit aussi de l’énergie calorifique.
Cette
énergie calorifique est une énergie souvent considérée comme perdue
(sauf dans le cas d'un système de chauffage) car la transformation de
l’énergie ne vise pas cette forme de transformation.
Principe de la conservation de l’énergie
Regardons plus en détail ce qui se passe d'un point de vue énergétique dans une pompe vidant une piscine :
- une énergie électrique Ea a été absorbée pour vider la piscine
- un travail mécanique Wu a été réalisé en pompant l'eau de la piscine
- mais le moteur de la pompe s'est également échauffé à cause de ses pertes : Wp1
- ainsi que l'eau à cause de ses frottements avec la pompe et les tuyaux :Wp2 (faible élévation de température mais grande quantité d'eau)
Le
principe de conservation de l'énergie découle du fait que l'on observe
que la somme des travaux obtenus après transformation est égale à la
quantité d’énergie absorbée par le système de transformation.
Formule : Ea = Wp1 + Wp2 + Wu
Unité :
J
J
J J
où Ea : énergie absorbée Wp : énergie perdue Wu : énergie utilisée
Rendement d’une transformation d’énergie
Plus les pertes seront faibles, plus le travail utile sera élevé, meilleur sera le rendement.
Le rendement
Le rendement est le rapport entre l’énergie utilisée et l’énergie absorbée.
Formule : η = Wu / Ea
il est généralement multiplié par 100 pour l'exprimer en %
Unité : η sans unité
Ea et Wu en J
Le rendement d’une transformation d’énergie sera TOUJOURS inférieur à 1 (ou 100%).
Rendement d’une chaîne de transformation
Exemple
La
machine 1 à un rendement de 40 %. Si Wa vaut 100 J, Wu = 40
J. Cette énergie va entrer dans la machine 2. Donc Wu = Wa’
= 40 J. Cette machine à un rendement de 90 %.
Donc Wu’ = 40 J x 90 % = 36 J. Cela représente 36 % ou 0,36 de l’énergie de départ
En faisant le produit des rendement de la chaîne, on trouve :
ηt = 0,4 x 0,9 = 0,36.
Le rendement d’une chaîne de transformation est égal au produit des différents rendements de la chaîne.
Calculs énergétiques
Calcul de l’énergie stockée dans une batterie
L’énergie
électrique stockée (en kWh) dans une batterie d'une capacité Q (en Ah)
et de tension de sortie U (en kV), est calculable par la formule :
W = U x Q
Unité : kWh kV Ah
(ou
J
V C )
Calcul de l’énergie électrique absorbée dans un récepteur
L’énergie
électrique absorbée dans un récepteur qui, sous la tension U, est
traversé par un courant I pendant un temps t, est calculable par la
formule :
W = U x I x t
Unité :
J
V A s
La puissance
On appelle puissance P d’un dispositif de transformation le rapport W/t de la quantité d’énergie qu’il a absorbée/produite, à la durée de fonctionnement.
Formule :
P = W / t
Unité :
W
J s
La puissance s’exprime en Watt.
Cette formule peut se transformer après simplification comme suit :
P = W / t (1) or W = U x I x t (2)
Remplaçons dans la formule (1) W par sa valeur, cela donne:
P = U x I x t / t => en simplifiant par “t”, on obtient
P = U x I
Unité :
W
V A
Mesure d’une puissance.
La mesure d’une puissance électrique se fait à l’aide d’un wattmètre.
Elle peut également s'effectuer par calcul après mesure de la tension et du courant (P = U x I).
Calcul du rendement par la puissance.
NB
: s'il n'y a pas de stockage d'énergie dans l'équipement, le rendement
est égal au rapport entre la puissance utile et la puissance absorbée.
Formule : η = Pu/Pa
Unité :
η sans
unité (généralement multiplié
par 100%)
Auteur :
Marc PHILIPPOT - Version du 08/11/2011