1- Différentes formes d'énergie

Les techniques conçues par l'homme ont pour but de remplir des fonctions précises. Leur réalisation se traduisent par des transformations d'énergies.

Exemples :

Remarques :

L'énergie peut être : chimique, thermique, électrique, électromagnétique (rayonnement), nucléaire, mécanique.

Notez que l'énergie mécanique peut être :

Cinétique (mouvement de rotation et de translation),
de pression (hydraulique ou pneumatique),
potentielle (de déformation [ressort] ou de pesanteur [gravité]).

2- Diagramme des flux d'énergies

Définition : Diagramme montrant les transformations successives d'énergie au sein d'un système.

Exemple : Considérons une voiture parfaite (sans frottement dans les liaisons entre autre). L'énergie initiale est chimique (air + essence) et l'énergie finale est cinétique (translation), d'où le diagramme :

Ce diagramme est le but à atteindre pour tout constructeur automobile car il montre que toute l'énergie chimique introduite est intégralement restituée sous forme d'énergie cinétique. Toutefois la réalité est toute autre : le moteur chauffe à cause des explosions successives du carburant et aussi à cause du frottement dû au mouvement des pièces.

Ces considérations donnent le diagramme suivant, plus réaliste que le premier :

Il est possible d'être encore plus réaliste en considérant que le véhicule cède de l'énergie à l'atmosphère dans laquelle il se déplace (ce qui est le cas sur terre) ; en effet, nous avons tous constaté que le déplacement d'un véhicule est la source du déplacement de masses d'air. Ces nouvelles considérations donnent le diagramme suivant, toujours plus réaliste :

On pourrait être encore plus complet en considérant que les roues chauffent la route (puisqu'elles s'échauffent) mais ceci est sans intérêt.

Toutefois, afin de compléter la compréhension de ces diagrammes de flux d'énergies, "entrons" dans le moteur et analysons de plus près les différentes transformations que subit l'énergie :

(1) on associe une énergie thermique à l'énergie cinétique à cause de l'échauffement engendré par les mouvements relatifs des pièces ; à ne pas confondre avec la chaleur dégagée par les explosions du mélange.

d'où le diagramme :

3- Conservation de l'énergie totale

"Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme."

Cette phrase, appliquée à l'énergie, traduit le principe dont il est question. Il s'agit d'un principe selon lequel l'énergie est une grandeur conservative : on ne peut créer ou détruire de l'énergie.

En conséquence, un système - pourvu qu'il ne stocke pas d'énergie - restitue à sa sortie toute l'énergie qu'il a reçu en entrée. Si de l'énergie est stockée par le système, alors celle qui est restituée en sortie s'en trouve diminué. En résumé,

Energie entrée = Energie sortie ; We = Ws (si pas de stock)
Energie entrée = Energie sortie + Stock ; We = Ws + Wstockée (si stock)

Exemple : Appliquons ce principe aux différentes voitures :

Parfaite : W chimique = W cinétique
Réelle : W chimique = W cinétique + W thermique
Réelle dans l'atmosphère : W chimique = Wcinétique voiture + W thermique + W cinétique air

Dans les trois cas, l'énergie entrante est de nature chimique. Quant à celle de sortie, on la retrouve toujours sous sa forme cinétique (heureusement!!) mais fractionnée par d'autres contributions (chaleur et/ou mouvement de l'air).

4- Travail d'une force constante

Exemple : Considérons un pied à coulisse. Pour actionner le bec mobile, l'utilisateur doit exercer sur la touche un effort : Pour un fonctionnement correct, l'effort doit avoir une composante Fx sur pour déplacer le bec mobile mais aussi une composante Fy sur pour déverrouiller le maintien de la coulisse sur le coulisseau. Donc,

Soumis à cet effort , le bec mobile se déplace sur une distance L ; mais rappelons-nous qu'un déplacement s'exprime vectoriellement : ici, il a lieu le long de l'axe ; donc , et :

Définition : Le travail WF de l'effort est le produit scalaire :

Conséquences :

si l'effort est parallèle au déplacement, alors = 0, cos = 1 et donc :

si l'effort est orthogonal au déplacement, alors = 90° et donc WF = 0.

Unités :

un travail est homogène à une énergie, il s'exprime donc en joule (J) (une force de 1N dont le point d'application se déplace de 1m dans la direction de la force génère un travail de 1J).

5- Travail d'un couple constant

Exemple : Considérons un moteur électrique. Lorsqu'il est alimenté en électricité, les forces électromagnétiques créées au sein du moteur se traduisent par un couple appliqué sur le rotor. Ce dernier étant en liaison pivot par rapport au stator, il a donc la liberté de tourner autour de son axe. L'angle parcouru par le rotor durant sa rotation est noté .

Définition : Comme on l'a vu précédemment (§1), l'énergie électique est transformée en énergie cinétique (mouvement de rotation) ; on dit alors que le couple travaille et, en notant Wm le travail de ce couple, on a :

L'énergie calculée sera en Joule (J) si le couple Cm est en N.m et l'angle en radian.

Remarque : Si le rotor est bloqué (à cause d'une charge à entraîner trop importante par exemple), alors l'angle est nul et le travail du couple est nul : Cm=0 N.m.

6- Rendement

Définition : Le rendement est une grandeur physique qui caractérise la capacité d'un système à restituer utilement à sa sortie l'énergie qui lui a été fournie en entrée. Par définition, on pose :

avec :

Wu l'énergie utile récupérée à la sortie du système.

Exemples :

Pour une voiture, Wu est l'énergie cinétique qu'elle possède.
Pour un radiateur, Wu est l'énergie thermique qu'il dégage.
Pour une pile, Wu est l'énergie électrique qu'elle peut fournir.

Wm l'énergie injectée à l'entrée du système :

Exemples :

pour une voiture, Wm est l'énergie chimique fournie par le carburant.
Pour un radiateur, Wm est l'énergie électrique qu'il reçoit de EDF.
Pour une pile, Wm est l'énergie chimique qu'elle contient dans sa structure.

Remarque : Il est clair que l'énergie récupérée à la sortie ne peut excéder celle injectée en entrée. Ceci implique donc forcément :