Les différents types d'énergie
Les sources d'énergie peuvent être variées.
Les unités de l'énergie
Les unités les plus couramment utilisées en énergétique à notre niveau sont :
- Le watt-heure (Wh)
- Le Joule (J)
La puissance
La puissance s'exprime en watts. C'est le résultat de la multiplication de la grandeur d'effort par la grandeur de flux.
Les grandeurs de flux et d'effort
| Énergie | Grandeur de flux | Grandeur d'effort | Puissance |
|---|---|---|---|
| Électrique | Intensité I (A) | Tension U (V) | P = I × U |
| Mécanique de translation | Vitesse v (m/s) | Force F (N) | P = v × F |
| Mécanique de rotation | Vitesse angulaire ω (rad/s) | Couple C (N·m) | P = ω × C |
| Hydraulique | Débit Q (m³/s) | Pression P (Pa) | P = Q × P |
Exercice 1 : Calcul de puissance électrique
Une lampe consomme une intensité de 0,5 A sous une tension de 220 V. Quelle est sa puissance ?
La puissance se calcule avec la formule : P = I × U
P = 0,5 × 220 = 110 W
Le rendement
Le rendement est toujours inférieur à 1 (on ne crée pas de l'énergie) et s'exprime en pourcentage.
Calcul du rendement d'une chaîne d'énergie
Soit la chaîne d'énergie suivante où η₁, η₂, η₃ et η₄ sont les rendements intermédiaires.
Le rendement global du système est :
ηglobal = η₁ × η₂ × η₃ × η₄
Exercice 2 : Calcul de rendement
Une machine absorbe 500 J d'énergie et restitue 400 J sous forme utile. Quel est son rendement ?
Le rendement se calcule avec la formule : η = Energie utile Energie absorbée × 100%
η = 400 500 × 100% = 80%
Le stockage de l'énergie
Nous allons nous intéresser au stockage de l'énergie dans des batteries.
Les grandeurs caractéristiques d'une batterie
- Tension (en Volts)
- Capacité : Quantité de charges électriques stockées (en Coulombs (C) ou Ampères-heures (Ah))
- Densité énergétique : Quantité d'énergie stockée par unité de masse ou de volume (en Wh/kg ou Wh/L)
Association de batteries en série
Si on branche plusieurs batteries en série :
- Les tensions s'additionnent
- La capacité reste identique
Dans notre exemple ici, on aura donc une batterie équivalente de 24V - 100Ah
Association de batteries en parallèle
Si on branche plusieurs batteries en parallèle :
- Les tensions restent identiques
- Les capacités s'additionnent
Dans notre exemple ici, on aura donc une batterie équivalente de 12V - 200Ah
Exercice 3 : Calcul de batterie équivalente
Soit le branchement suivant : 2 batteries en série en parallèle avec 2 autres batteries. Calculez la batterie équivalente.
On a 2 batteries en série de chaque côté (les tensions s'additionnent) donc on obtient 2 × 12 = 24V de chaque côté.
Ces batteries sont branchées en parallèle (les capacités s'additionnent) donc on obtient 2 × 100 = 200Ah.
On obtient donc une batterie équivalente de 24V - 200Ah.
Synthèse
|
La capacité Q (ou quantité d'électricité) est le produit de l'intensité I du courant (en ampère)
par le temps t. Q = I × t Si t est en secondes, Q est en Coulombs (C). Si t est en heures, Q est en Ampère-heure (Ah). 1 Ah = 3600 C. |
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La puissance consommée P (en W) est le produit de la tension U (en V) de la batterie par le courant I (en A) qu'elle délivre. P = U × I
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L'énergie E est égale au produit de la puissance P absorbée par le temps de fonctionnement t. Si t est en secondes, E est en Joules. Si t est en heures, E est en Watt-heure (Wh). E est égale au produit de la tension U (en V) et de la capacité Q. E = P × t
E = U × Q |
Entraînement au bac
Exercice 1 : Performance énergétique d’un robot aspirateur
Vos parents ont acheté un robot aspirateur autonome de marque Scooba. Sur l’emballage, il est indiqué une autonomie de deux heures 30. Vous commencez par lire la documentation technique et vous repérez que les éléments suivants sont présents dans le système : un moteur électrique, un réducteur mécanique, une batterie, un variateur de vitesse et des roues.
1. Recopiez et indiquez sur la chaîne de puissance ci-dessous les différents éléments de l’aspirateur ainsi que les grandeurs de flux et d’effort.
A présent, vous avez besoin de données chiffrées. A partir de plusieurs mesures réalisées avec votre multimètre, et avec les données techniques, vous obtenez les données suivantes :
| Grandeur recherchée | Valeur trouvée |
|---|---|
| Puissance mécanique en sortie de la roue | 0.7 W |
| Tension de la batterie | 12 V |
| Capacité de la batterie | 0.25 A.h |
| Puissance électrique consommée | 1.4 W |
| Courant en fonctionnement nominal | 0.11 A |
| Rendement global du système | 50 % |
2. Calculez l’autonomie réelle de votre aspirateur en heure et en minutes.
3. Comment expliquer la différence ?
4. Calculez l’énergie consommée par votre aspirateur en 1 h.
1. Voici la chaîne d'énergie complétée :
2. Deux formules impliquent le temps :
- E = P × t
- Q = I × t
Cela nous donne t = Q I = 0,25 0,11 = 2,27h soit 2 heures et 16 minutes.
3. Une telle différence s'explique par le fait que des perturbations extérieures (frottements dus au sol, planéité de celui-ci) ne sont pas forcément prises en compte dans les tests effectués en laboratoire.
4. Nous avons une formule nous permettant de calculer l'énergie consommée en fonction du temps : E = P × t.
On obtient donc E = 1,4 × 1 = 1,4 Wh.
Exercice 2 : Comment évaluer le coût d’un trajet en voiture électrique ?
Voici le rendement de quelques procédés courants :
| Forme d'énergie absorbée | Machine | Forme d'énergie restituée | Rendement |
|---|---|---|---|
| Thermique | Moteur à explosion | Énergie mécanique | 40% |
| Turbine à vapeur | Mécanique | 45% | |
| Chaudière | Thermique | 80% | |
| Mécanique | Alternateur | Électrique | 95% |
| Dynamo | Électrique | 90% | |
| Chimique | Pile | Électrique | 50% |
| Accumulateur | Électrique | 70% | |
| Électrique | Moteur électrique | Mécanique | 90% |
| Radiateur | Thermique | 100% | |
| Lampe à filament | Lumineuse | 3% | |
| Cuve d'électrolyse | Chimique | 70% |
Une voiture électrique est constituée d’un accumulateur et d’un moteur électrique. On la recharge en la connectant à un réseau de distribution électrique.
1. Recopier et compléter le schéma bloc en faisant apparaître le type d’énergie en entrée et en sortie de chaque bloc.
Durant un trajet de deux heures sur autoroute, la voiture fournit une puissance mécanique constante de 50 ch.
3. Calculer l’énergie fournie par la voiture pour effectuer le trajet. (Rappel : 1 ch = 736 W)
4. Calculer l’énergie absorbée par l’accumulateur pour effectuer le trajet.
5. En effectuant le bilan énergétique, déterminer la quantité d’énergie perdue.
6. Sachant qu’un kWh est facturé 0,2516 €, calculer le coût du voyage.
Questions 1 et 2 :
3. La voiture fournit une puissance constante de 50 ch et 1 ch équivaut à 736 W. La puissance fournie est donc : 736 × 50 = 36 800 W.
Le trajet dure 2 h. On peut calculer l'énergie fournie avec la formule :
E = P × t = 36 800 × 2 = 73 600 Wh.
4. L'énergie absorbée par l'accumulateur se situe en amont de la chaîne d'énergie.
On a donc : Energieabsorbée =
Energiefournie
rendement global
=
73 600
(0,70×0,90×0,85)
= 137 441,6433 Wh.
5. Bilan énergétique :
Quantité d'énergie perdue = quantité d'énergie absorbée - quantité d'énergie fournie = 137 441,6433 - 73 600 = 63 481,64 Wh.
6. Sachant qu’1 kWh correspond à 0,2516 €,
L'énergie absorbée par la voiture est de 137 441,6433 Wh soit 137,441 kWh.
Le coût du trajet est de : 137,441 × 0,2516 = 34,58 €.
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