Chapitre 2: Les formes de l’énergie 1. Energie et puissance
1.1. Définitions
L’énergie E est la capacité d’un système à générer un travail de la chaleur de la lumière ou du mouvement.
Son unité est le joule (J)
Rq: 3600 J = 1 Wh 4,18 J = 1 cal
4000 kWh = 1 tep (tonne équivalent pétrole)
La puissance P en watt (w) correspond à l’énergie générée E en (J) dans un temps t en seconde (s).
P = E/t
1.2. Exemples de transferts d’énergie
1.3. Rendement
Le rendement r d’un système est de rapport entre son énergie produite Eproduite et l’énergie qu’il consomme Econsommée.
r = Eproduite /Econsommée
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2.Transfert d’énergie par chaleur 2.1. La chaleur
2.1.1. Définition
La chaleur Q est une forme d’énergie créée par l’agitation moléculaire d’un milieu. Elle s’exprime donc en (J).
La chaleur va toujours d’un corps chaud vers un corps froid.
2.1.2. Les 3 modes de propagation de la chaleur
Conduction: L’échange de chaleur se fait par contact de proche en proche sans mélange de matière. Exemple du transfert de chaleur d’une tasse de café chaud vers la main.
Convection: L’échange de chaleur se fait par déplacement des particules. Exemples du sèche cheveux ou de l’eau chaude dans l’eau froide.
Rayonnement: échange par des ondes. Exemple du transfert de chaleur du soleil sur la peau.
2.1.3. Transfert de chaleur et variation de température
La quantité de chaleur Q (J) transférée sur un corps qui ne change pas d’état de masse m (kg) de capacité thermique massique C (J/kg.°c) et dont la température varie de
θinitiale à θfinale (°C ou ° K) est:
Q = mxCx(θfinale – θinitiale) Exemple: chauffer de l’eau
RQ: Si Q est positif le corps reçoit de l’énergie TP capacité thermique de l’eau
2.1.4. Transfert de chaleur et changement d’état
La quantité de chaleur Q (J) transférée sur un corps qui change d’état de masse m (kg) de chaleur latente L (J/kg) et dont la température ne varie pas est:
Q = mxL
Exemple: Faire fondre de la glace à 0°C
Différentes formes de changements d’état:
• TP chaleur latente de fusion de la glace
2.2. Exemples de machines thermiques 2.2.1. Le réfrigérateur
Dans un réfrigérateur la source froide intérieure transfert sa chaleur artificiellement vers la source chaude air extérieur. Ce transfert se fait grâce à un fluide réfrigérant qui circule en circuit fermé. 4
éléments interviennent.
Evaporateur: liquide froid gaz froid (température constante) en absorbant la chaleur des aliments.
Compresseur: gaz froid gaz chaud.
Condensateur: gaz chaud liquide chaud (température constante) en cédant la chaleur à l’extérieur.
Détendeur: liquide chaud liquide froid
2.2.2. Les pompes à chaleur
Les pompes à chaleur servent à chauffer les maison.
Leur fonctionnement et identique à celui d’un
réfrigérateur mais cette fois on pompe artificiellement de la chaleur de la source froide (nappe phréatique) vers la source chaude intérieure de la maison.
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3.L’énergie électrique
3.1. Grandeurs électriques fondamentales 3.1.1. circuit électrique
Un circuit électrique doit comporter au minimum un générateur de courant électrique un récepteur et des fils de connections.
3.1.2. courant électrique
Le courant électrique est un déplacement d’électrons dans les métaux ou d’ions dans les liquides. Le sens du courant conventionnel va de la borne + du générateur vers la borne – du générateur.
3.1.3. intensité électrique
L’intensité électrique I est la charge électrique déplacée par unité de temps. On la mesure avec un
Ampèremètre et son unité est l’Ampère (A). Elle
correspond au flux de courant électrique (similitude au flux d’un courant d’eau d’une rivière)
3.1.4. Tension électrique
La tension électrique U est la différence de potentiel
électrique entre deux points du circuit (similitude avec la différence de hauteur d’une chute d’eau). On la mesure avec un voltmètre et son unité est le Volt (V).
3.1.4. Le circuit domestique
En France, le réseau électrique EDF délivre une tension alternative de fréquence 50 Hz. Dans les installations domestiques, cette tension a une moyenne de Ueff = 230 V .
Ueff = U max / √2 = 325 / √2 = 230 V
Le réseau électrique est constitué de 2 fils : un fil neutre en bleu et un fil de phase en rouge.
3.2. Puissance absorbée et énergie
La puissance absorbée P en (W) par un récepteur est le produit entre la tension U (V) aux bornes du
récepteur et l’intensité I (A) qui le traverse.
P = UxI Exemples:
Réfrigérateur 400 W Four 2500 W
Micro onde 800 W
Machine à laver 3000 W Lave vaisselle 1500 W Chauffe eau 2000 W
L’énergie absorbée E (J) par un récepteur est le
produit entre sa puissance P en (W) et le temps t (s) d’utilisation.
E = Pxt
Exemple: une machine à laver qui fonctionne pendant 1 heure et 30 minutes a consommée une énergie de:
E = 3000x1,5x3600 = 16,2x106 J Ou E = 3000x1,5 = 4500 Wh
3.3. Résistance électrique et loi d’ohm
La résistance électrique R (Ω) d’un conducteur est le facteur de proportionnalité entre la tension U (V) et l’intensité I (A). C’est la loi d’ohm:
U = RxI Activité TP loi d’ohm.
3.4. Effet joule et rendement
Lors du passage du courant dans le conducteur il y a un échauffement du aux frottements des électrons.
C’est l’effet joule. La puissance électrique transformée en chaleur par effet joule est:
Pjoule = RxI2
Le rendement r d’un appareil électrique est donc:
r = Putile/ Pjoule
3.5. Phénomène d’induction
Sous les plaques de cuisson en vitrocéramique, un
électroaimant génère un champ magnétique qui met en mouvement les électrons du conducteur électrique situé dans le fond de la casserole. Ce courant
électrique induit échauffe la casserole par effet joule.
Si il n’y a pas de conducteur électrique il n’y a pas de chauffage.
Attention! Même si la main ne subit pas
d’induction sur la plaque, on peut se bruler si la
plaque est déjà chaude.
3.6. Le consomètre
On peut mesurer la consommation électrique d’un équipement ménager à l’aide d’un consomètre.
Activité Pratique avec le consomètre.
3.7. Risques pour l’usager
Le passage de courant électrique dans le corps
humain peut entraîner la tétanisation des muscles et donc la fibrillation du cœur. Le corps humain est
résistant mais cette résistance diminue fortement en milieu humide, les risques sont alors plus grands ( cas des salles d’eau ) .
Il y a aussi des risques de départ de feu et de
détérioration d’appareils ou de lignes électriques en cas de court-circuit ou d’usage abusif de multiprise.
Il y a donc des normes de sécurité à respecter.
3.8. Systèmes de sécurité dans une installation électrique ( norme NFC 15-100 )
Disjoncteur ou interrupteur différentiel 30 mA : Il
interrompt le passage de courant dans toute l’installation lorsqu’il y a une différence d’intensité d’au moins 30 mA entre le fil neutre et le fil de phase , cette anomalie
pouvant se produire en cas de courant de fuite au niveau d’un appareil mal isolé d’où risque de contact indirect entre l’usager et l’appareil .
Mise à la terre : Il s’agit de relier tous les appareils
électriques non isolés, au sol grâce à un fil jaune/vert de même section que le neutre ou la phase. Ce fil est chargé de conduire les courants de fuite vers la terre et protège l’usager contre les risques d’électrisation ou
d’électrocution.
(Il existe cependant des appareils électriques isolés qui n’ont pas besoin de mise à la terre : appareil de classe II )
Coupe-circuit ou disjoncteur divisionnaire : Placé en début de ligne, il interrompt le passage du courant en cas de surintensité. Ceci peut se produire lorsqu’il y a
usage abusif de multiprise ( surcharge ) ou court-circuit ( neutre et phase qui se touchent ) ce qui entraînerait
l’endommagement de l’appareil mais aussi un
échauffement dans la ligne pouvant conduire à des
risques d’incendie Il protège l’appareil placé en aval mais aussi tout le logement et donc son occupant .
Liaison équipotentielle ( dans les salles d’eau ) : On relie les canalisations métalliques ( arrivée d’eau , etc ... ) à la terre pour évacuer les courants de fuite . Le but est de protéger l’usager. Mais dans les salles d’eau, il y a par
ailleurs des normes au niveau des volumes de protection à respecter.
Exercices 3 du chapitre 2 voir doc pdf
