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 :
  1. une énergie électrique Ea a été absorbée pour vider la piscine
  2. un travail mécanique Wu a été réalisé en pompant l'eau de la piscine
  3. mais le moteur de la pompe s'est également échauffé à cause de ses pertes : Wp1
  4. 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