Phys. N° 10

Conversions d'énergie.

Cours.

 

   

 

Mots clés :

 énergie, puissance, intensité, tension,

récepteur, générateur,

effet Joule, loi d'Ohm,

conducteur ohmique,

caractéristique d'un dipôle, caractéristique d'un recepteur, caractéristique d'un générateur, caractéristique d'un conducteur ohmique,

énergie et puissance transférés par un générateur,

générateur électrochimique, bilan des transferts d'énergie, chaîne énergétique, schématisation des transferts d'énergie,

notion de rendement de conversion,

QCM, distinguer puissance et énergie, exploiter une caractéristique, interpréter le fonctionnement d'un grille-pain, illustrer la conversion d'énergie, rendement de conversion d'une centrale hydraulique, le chauffe-eau solaire, ...

 

Moteur de recherche sur les différents sites
 
 
 

I- Énergie et puissance.

1)- Grandeurs électriques :

II- Étude énergétique d’un récepteur.

1)- Énergie et puissance électrique d’un récepteur.

III- Effet Joule et loi d’ohm.

1)- Les conducteurs ohmiques (C.O).

2)- L’effet Joule.

IV- Étude énergétique d’un générateur électrique.

1)- Définition.

2)- Caractéristique d’un générateur électrique.

TP physique N° 06.

3)- Énergie et puissance transférés par un générateur.

4)- Cas d’un générateur électrochimique.

V- Bilan des transferts d’énergie.

1)- Chaîne énergétique.

2)- Schématisation des transferts

d’énergie d’une chaîne énergétique.

3)- Notion de rendement de conversion.

VI- Applications.

1)- QCM :    QCM

2)- Exercices :    Exercices

 TP MPI : Graphe et caractéristique d'un conducteur ohmique.


QCM 01 Sous forme de tableau.

QCM 01 Questy  : pour s'auto-évaluer

QCM 02 Sous forme de tableau.

QCM 01 Questy  : pour s'auto-évaluer

QCM 03 révisions forme de tableau

QCM 03 révisions réalisé avec le logiciel Questy : pour s'auto-évaluer.



  

 Exercices : énoncé avec correction

a)-   Exercice 7 page 264. Distinguer puissance et énergie.

b)-  Exercice 9 page 264. Utiliser la relation liant puissance et énergie.

c)-   Exercice 12 page 264. Exploiter une caractéristique.

d)-  Exercice 13 page 264. Interpréter le fonctionnement d’un grille-pain.

e)-   Exercice 14 page 265. Illustrer la conservation de l’énergie dans une chaîne énergétique.

f)-   Exercice 19 page 265. Rendement de conversion d’une centrale hydraulique.

g)-  Exercice 24 page 267. Le chauffe-eau solaire.

 

I- Énergie et puissance.

1)- Grandeurs électriques :

a)-   Intensité du courant électrique.

-     Un courant électrique est un déplacement de porteurs de charge électrique, c’est un débit de porteur de charge.
-     Dans un métal, le courant électrique est dû à un mouvement d’ensemble et ordonné des électrons libres.
-     Dans un électrolyte le courant électrique est dû à la double migration des ions positifs et négatifs qui se déplacent en sens inverses.
-     Par convention, le courant électrique sort de la borne positive du générateur.
-     Définition de l’intensité d’un courant électrique :
-     L’intensité d’un courant électrique est le rapport de la quantité d’électricité Q ayant traversée une section s du circuit par la durée Δt.
-     On écrit :
-      

I intensité en ampère A

Q = n . e charge électrique en coulomb C  

Δt durée en seconde s

b)-  Tension électrique.

-     Il existe une tension électrique entre deux points A et B d’un circuit électrique, si ces deux points ne sont pas dans le même état électrique.
-   On dit qu’il existe une différence de potentiel entre ces deux points.
-     La tension électrique entre les deux points A et B d’un circuit électrique se note : UAB.
-     La tension électrique entre deux points d’un circuit se mesure à l’aide d’un voltmètre qui se branche en dérivation entre ces deux points.
-     La tension UAB s’exprime en volt de symbole V.
-     Remarque : l’état électrique du point A d’un circuit se note VA et s’exprime en volt (V).
-     On écrit : UAB = VA VB.  

    Représentation schématique de la tension UAB.

-     Sur un schéma, on représente la tension UAB par un segment fléché dont la pointe est du côté du point A.

 

-     Remarque : la tension est une grandeur algébrique : UAB = – UBA.
-     Avec : UAB = VA VB et UBA = VB VA  

c)-     Représentation tension-courant.

-     Un dipôle peut être étudié en convention récepteur ou en convention générateur.

    Convention générateur :

-     La flèche représentant la tension et la flèche indiquant le sens du courant sont de même sens.

 

    Convention récepteur :

-     La flèche représentant la tension et la flèche indiquant le sens du courant sont de sens contraires.

 

d)-  Caractéristique d’un dipôle. TP Physique N° 05.

-     En électricité, pour définir ou encore caractériser un composant électrique (ici un dipôle), on trace sa caractéristique c'est-à-dire :
-   la courbe représentant les variations de la tension UAB aux bornes du composant en fonction de l'intensité I du courant qui traverse ce composant.
-     Exemple de caractéristique : caractéristique intensité-tension d’une lampe à incandescence :
*      Montage :

 

-     Tableau de mesures :

UAB (V)

0,32

0,70

1,42

2,11

3,08

3,97

5,33

6,28

7,00

7,64

8,33

9,15

9,51

10,39

10,79

I (mA)

15,30

21,10

29,40

35,50

45,10

52,10

61,60

67,70

72,10

75,90

79,70

84,10

86,10

90,50

92,50

-     Caractéristique intensité-tension de la lampe, c'est-à-dire : UAB = f (I) à l’aide du tableur Excel.

 

-     La tension UAB aux bornes de la lampe n’est pas proportionnelle à l’intensité du courant I qui la traverse car les points ne sont pas alignés.
-   On n’obtient pas une droite moyenne passant par l’origine.

e)-   Relation entre puissance et énergie.

-     L’énergie E consommée ou produite par un appareil de puissance P est liée à sa durée de fonctionnement Δt par la relation :
-     E = P . Δt
-     Unités : l’énergie E s’exprime en joule (J) et la puissance P en watt (W).
-     Remarque :
-     Pour des raisons de commodité, la consommation électrique domestique est donnée en kilowatt-heure (kW.h)
-     1 kW.h = 3,6 x 106 J
-     En courant continu, la puissance électrique Pe d’un appareil électrique est égale au produit de la tension U à ses bornes par l’intensité I du courant qui le traverse :
-     Pe = U . I
-     L’énergie électrique consommée par cet appareil électrique pendant la durée Δt est donnée par la relation :
-     Ee = Pe . Δt
-     Ee = U . I . Δt

II- Étude énergétique d’un récepteur.

1)- Énergie et puissance électrique d’un récepteur.

a)-   Définition.

-     Un récepteur électrique est un appareil qui convertit l’énergie électrique qu’il consomme en d’autres formes d’énergie.
-     Il fournit de l’énergie au milieu extérieur.
-     Exemples :

Lampe

Énergie

électrique

Ee

Þ

Chaleur Q

Rayonnement ER

DIPÖLES

PASSIFS

Radiateur

Þ

Chaleur Q

Moteur

Þ

Énergie Mécanique Em

Chaleur Q

Dipôles

actifs

Électrolyseur

Þ

Énergie chimique Ech

Chaleur Q

b)-  Caractéristique d’un récepteur. Cas de l’électrolyseur. TP Physique N° 06

*      Montage :

 

-     Tableau de mesures :

I en mA

UEF en V

0,0

0,33

0,5

1,17

1,0

1,34

1,5

1,50

2,0

1,57

2,5

1,65

3,0

1,75

3,5

1,82

4,0

1,89

4,5

1,92

5,0

1,93

5,5

1,94

6,0

1,95

9,0

1,98

15,0

2,00

20,0

2,02

30,0

2,04

40,0

2,06

50,0

2,08

60,0

2,10

70,0

2,12

80,0

2,14

90,0

2,16

100

2,18

120

2,20

150

2,24

-     Graphe :

 

-     Au départ, aucun courant ne circule et aucun phénomène n’est visible au niveau des électrodes.
-     On augmente la valeur de la tension au niveau des électrodes.
-   Pour une certaine tension (tension de seuil ( U 0 1,4 V), on observe un dégagement gazeux au niveau des électrodes, le courant circule.
-   Puis l'intensité augmente rapidement et le phénomène s'amplifie.
-     Pour 20 mA ≤ ≤ 150 mA, les points sont sensiblement alignés.
-     A l'aide d'Excel, on peut faire une étude statistique :
-     On trace une courbe de tendance pour la partie ou les points sont sensiblement alignés et on demande l'équation de cette droite et le coefficient de détermination.
-     Type mathématique : UEF = a I + b
-     On tire que : 
-     UEF (V) 1,8 × 10 - 3 I (mA) + 2,0 pour 20 mA ≤  ≤ 150 mA
-     ou
-     UEF (V) 1,8 I (A) + 2,0 pour 20 mA ≤  ≤ 150 mA
-     a 1,8 Ω et b 2,0 V
-     La grandeur a est égale au coefficient directeur de la droite moyenne tracée. 
-     En physique, cette grandeur représente la résistance interne r' de l'électrolyseur :
-     r' = a
-     La grandeur b est l'ordonnée à l'origine de la droite moyenne tracée. 
-     En physique, c'est la force contre électromotrice E' = b.
-     On en déduit que : r' 1,8 Ω et E' 2,0 V
-     Récepteur électrique :
-   De manière générale, un récepteur électrique est caractérisé par une résistance interne r' et une force contre électromotrice E'
-     Représentation schématique :

récepteur électrique

-     Formule générale pour un récepteur : UAB = r'. I + E'
-     c)-   Énergie reçue par un récepteur électrique.
-     Un récepteur électrique parcouru par un courant I de A vers B, pendant la durée Δt, reçoit l’énergie électrique Ee telle que :
-     Ee = UAB . I . Δt
-     C’est l’énergie reçue par le récepteur : Ee > 0, UAB > 0. 

I intensité en ampère A

UAB tension en volt V  

Δt durée en seconde s

Pe énergie en joule J

-     Schéma :

 

d)-  Puissance électrique reçue par le récepteur électrique.

-     La puissance électrique reçue par le récepteur est donnée par la relation suivante :

 

I intensité en ampère A

UAB tension en volt V  

Pe puissance en watt W

-     La puissance électrique Pe permet d’évaluer la rapidité d’un transfert d’énergie.
-     La puissance est une caractéristique du récepteur.

      Pour le récepteur :

-     Pe = UAB . I = E' Ir' I 2

Pe = U PN . I

 Puissance totale reçue par le récepteur

Pconvertie = E’. I

Puissance utile : Puissance convertie par le récepteur

Pj =  r’. I 2

Puissance électrique dissipée par effet joule

 

III- Effet Joule et loi d’Ohm.

1)- Les conducteurs ohmiques (C.O).

a)-   Caractéristique intensité-tension d’un conducteur ohmique. TP Physique N° 05

*      Montage :

 

-     Tableau de mesures :

UAB (V)

0.11

0.17

0.25

0.42

0.69

1.10

1.60

2.00

2.40

2.80

3.10

I (mA)

10.5

15.8

23.8

32.0

40.5

47.5

55.6

63.8

72.3

83.4

91.8

-     Graphe :

 

-     Les points sont sensiblement alignés. La droite moyenne passe par l’origine.
-     Il existe une relation linéaire entre UAB et I.
-     La grandeur UAB est proportionnelle à la grandeur I
-     Il y une dépendance statistique entre les variables UAB et I car le coefficient de détermination R2 = 0,9995 ≈ 1
-     La grandeur a représente le coefficient de proportionnalité : UAB = a. I.
-   C’est la pente de la droite moyenne tracée.
-     En physique a = R qui est la résistance du conducteur ohmique (grandeur caractéristique). 
-     L’unité est l’ohm Ω :    
-     La caractéristique d’un conducteur ohmique de résistance R est une droite d’équation
-     UAB = R . I
-     C’est la loi d’Ohm.

b)-  Loi d’Ohm pour un conducteur ohmique.

-     La tension UAB aux bornes d’un conducteur est proportionnelle à l’intensité du courant qui le traverse de A vers B.
-     Schéma :

 

-     Le coefficient de proportionnalité se note R, c’est la résistance du conducteur ohmique.
-     On écrit : UAB = R . I

c)-   Énergie et puissance reçues par un conducteur ohmique.

-     Énergie électrique reçue par un C.O :
-     Ee = UAB . I . Δt     Þ    Ee = R . I 2. Δt
-     Puissance électrique reçue par C.O :
-     Pe = UAB . I     Þ     Pe = R . I 2
-     Remarque :
-     L’énergie électrique reçue par le C.O est cédée à l’extérieur sous forme de chaleur Q et de rayonnement E R :
-   C’est l’effet Joule.

    Conclusion :

-     Un conducteur ohmique, alimenté par un générateur, réalise un transfert thermique vers le milieu environnant :
-   C’est l’effet Joule.

 

2)- L’effet Joule.

a)-   Définition.

-     Le passage du courant électrique dans tout appareil s’accompagne d’un échauffement.
-     L’effet Joule est l’effet thermique qui accompagne le passage du courant électrique dans un conducteur.
-     L’effet Joule se manifeste sous forme de chaleur Q mais aussi de rayonnement ER.

b)-  Transfert d’énergie d’un conducteur ohmique.

-     Tout l’énergie reçue par un conducteur ohmique est dissipée par effet Joule, elle se note EJ ou QJ.
-     Cette énergie dissipée par effet Joule est égale à l’énergie électrique reçue par le conducteur ohmique :
-     EJ = QJ = Ee = R. I 2 . Δt
-     On en déduit la puissance PJ dissipée par effet Joule dans un conducteur ohmique :
-     PJ = Pe = R . I 2

c)-   Effet Joule recherché.

-     L’effet Joule est mis à profit :
-     Dans les appareils de chauffage : radiateurs, fer à repasser, fours électriques, chauffe-eau,…
-     Dans les lampes à incandescence : un filament de tungstène est porté par effet Joule à une température d’environ 2500 ° C.
-     Le filament émet de la lumière (énergie rayonnante ER).
-     Le filament est placé dans une ampoule qui contient un gaz inertie pour éviter qu’il brûle.

d)-  Effet Joule indésirable.

-     Dans tous les récepteurs actifs comme les moteurs électriques, les électrolyseurs, l’effet Joule provoque un échauffement inutile ce qui entraîne des pertes.
-     On essaie de minimiser les pertes par effet Joule dans les câbles qui transportent le courant en augmentant la tension du courant et en diminuant l’intensité du courant.
-     Pour éviter un échauffement excessif des circuits électriques, on utilise des ventilateurs.

 

IV- Étude énergétique d’un générateur électrique.

1)- Définition.

-     Un générateur électrique est un appareil qui est capable de convertir une forme d’énergie E en énergie électrique Ee.
-     Exemple :

Pile

Énergie chimique Ech

Þ

Énergie

électrique

Ee

Centrale

thermique

Chaleur Q

Centrale

Hydraulique

Énergie Mécanique Em

Photopile

Énergie rayonnante ER

 

2)- Caractéristique d’un générateur électrique.        TP physique N° 06.

-     Le générateur est une pile alcaline de 1,5 V.
*      Montage :

 

-     Tableau de mesures :

I en mA

U PN en V

0,0

1,59

2,6

1,31

3,0

1,27

4,0

1,16

5,0

1,05

6,0

0,95

7,0

0,84

8,0

0,74

9,0

0,63

10,0

0,52

11,0

0,41

12,0

0,32

-     Graphe :

 

-     Au départ, on mesure la valeur de la tension UPN aux bornes du générateur lorsque le circuit est ouvert.
-     On augmente ensuite la valeur de l'intensité dans le circuit à l'aide du rhéostat.
-     On remarque que la valeur de la tension aux bornes de la pile diminue.
-     Les points expérimentaux sont sensiblement alignés.
-     A l'aide d'Excel, on peut faire une étude statistique :
-     On trace une courbe de tendance, on choisit le modèle ''linéaire'' et on demande l'équation de cette droite et le coefficient de détermination.
-     Type mathématique : UPN = a I + b
-     On tire que : 
-     UPN (V) - 0,106 I (mA) + 1,59
-     Ou
-     UPN (V) - 106 I (A) + 1,59
-     a 106 Ω et b 1,59 V
-     La grandeur b représente la tension aux bornes du générateur en l’absence de courant électrique.
-     Remarque :
-  En fait, on utilise une pile alcaline de 1,5 V associée en série avec un conducteur ohmique de résistance R = 100 Ω.
-  Ceci pour ne pas user très rapidement la pile au cours de la manipulation.
-     a 106 Ω et b 1,59 V
-     La grandeur a est égale au coefficient directeur de la droite moyenne tracée. 
-     En physique, cette grandeur représente l'opposée de la résistance interne r de la pile ou générateur : 
-     r = – a.
-     La grandeur b est l'ordonnée à l'origine de la droite moyenne tracée. 
-     En physique, c'est la force électromotrice E = b.
-     On en déduit que : r 106 Ω et E  1,59 V
-   Générateur électrique :
-   De manière générale, un générateur électrique est caractérisé par une résistance interne r et une force électromotrice E.

générateur

Formule générale pour un générateur : UPN = E r . I 

3)- Énergie et puissance transférés par un générateur.

-     On considère un générateur G qui délivre un courant d’intensité I, dont la tension à ses bornes est égale à UPN.

 

-     L’énergie électrique transférée au circuit électrique pendant la durée Δt, par le générateur G, est donnée par la relation :
-     Ee = UPN . I . Δt
-     Puissance électrique transférée par le générateur G est donnée par la relation suivante :
-     Pe = UPN . I

I intensité en ampère A

UPN tension en volt V  

Δt durée en seconde s

Ee énergie en joule J

Pe puissance en watt W

 

4)- Cas d’un générateur électrochimique.

-     Un générateur électrochimique est caractérisé par sa force électromotrice E (en V) et sa résistance interne r (en Ω)
-     Schéma :

 

-     La tension UPN aux bornes d’un générateur, qui délivre un courant d’intensité I, qui le traverse de N vers P, est donnée par la relation suivante :
-     U PN = Er . I

    Énergie transférée et puissance de transfert :

-     Énergie fournie par le générateur, qui délivre un courant d’intensité I qui le traverse de N vers P, pendant la durée Dt :
-     Ee = U PN . I . Δt
-     Ee = (E  -  r . I) . I . Δt
-     En développant, on obtient :
-     Ee = E . I . Δt  -  r. I 2 . Δt   avec E convertie = E . I . Δt et E j = Q j = r. I 2. Δt
-     Récapitulatif :

Ee = UPN . I . Δt

Énergie électrique transférée du générateur au reste du circuit

C’est l’énergie disponible aux bornes du générateur

et pouvant être utilisée par les différents dipôles.

E convertie = E . I . Δt

Énergie convertie ou utilisée par le générateur.

E j = Q j  =  r. I 2. Δt

Énergie électrique dissipée par effet joule à l’intérieur du générateur

-     Principe de conservation de l’énergie :
-     Ee = Econvertie Ej  Þ   Econvertie = Ee + Ej
-     L’énergie convertie Econvertie par un générateur n’est qu’en partie fournie aux autres dipôles du circuit.
-     L’autre partie Ej est dégradée sous forme d’énergie thermique.
-     Un générateur fournit de l’énergie électrique aux récepteurs d’un circuit.
-   Les récepteurs eux convertissent cette énergie à leur tour.

 

V- Bilan des transferts d’énergie.

1)- Chaîne énergétique.

-     Une chaîne énergétique illustre le principe de conservation d’énergie.
-     La somme des énergies qui « entrent » dans le système est égale à la somme des énergies qui en « sortent ».

 

2)- Schématisation des transferts d’énergie d’une chaîne énergétique.

-     Exemple :
-     On considère la chaîne énergétique suivante : un générateur électrique qui alimente un moteur qui élève un objet de masse m d’une hauteur h.
-     Le générateur fournie l’énergie électrique Ee.
-     Le moteur électrique transforme une partie de cette énergie en énergie mécanique Em.
-     Inévitablement de l’énergie est dissipée par effet Joule et par les frottements.
-     Schéma du dispositif :

 

-     Schéma de la chaîne énergétique :

 

-     Principe de conservation de l’énergie :
-     Ee = Em + Ed

 

3)- Notion de rendement de conversion.

-     Le rendement de conversion d’une chaîne énergétique, noté ρ, est un nombre positif défini comme le rapport de l’énergie exploitable Eexploitable en sortie sur l’énergie utilisée en entrée Eentrée.
-      
-     Remarques : il faut exprimer les deux énergies dans la même unité.
-     Le rendement ρ est une grandeur sans dimension (elle s’exprime sans unité).
-     Comme il y a des pertes inévitables dans une chaîne énergétique, l’énergie utilisée en entrée est toujours supérieure à l’énergie recueillie en sortie.
-     Le rendement ρ est nécessairement inférieur à 1.

    Calcul d’un rendement :

-     La turbine d’une centrale thermique reçoit en une heure une énergie de 270 GJ et l’alternateur fournit au réseau électrique une énergie de 208 GJ.
-     Représenter la chaîne énergétique.
-     Calculer le rendement de conversion ρ de cette centrale.

 

-     Rendement de conversion ρ de cette centrale :
-      

VI- Applications.

1)- QCM : pour chaque question, indiquer la (ou les) bonne(s) réponse(s).

QCM 01 Sous forme de tableau.

QCM 01 Questy  : pour s'auto-évaluer

QCM 02 Sous forme de tableau.

QCM 01 Questy  : pour s'auto-évaluer

QCM 03 révisions forme de tableau

QCM 03 révisions réalisé avec le logiciel Questy : pour s'auto-évaluer.

 

2)- Exercices :   Exercices : énoncé avec correction

a)-   Exercice 7 page 264. Distinguer puissance et énergie.

b)-  Exercice 9 page 264. Utiliser la relation liant puissance et énergie.

c)-   Exercice 12 page 264. Exploiter une caractéristique.

d)-  Exercice 13 page 264. Interpréter le fonctionnement d’un grille-pain.

e)-   Exercice 14 page 265. Illustrer la conservation de l’énergie dans une chaîne énergétique.

f)-   Exercice 19 page 265. Rendement de conversion d’une centrale hydraulique.

g)-  Exercice 24 page 267. Le chauffe-eau solaire.