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Première · Physique-Chimie · Chapitre 5

L'énergie : conversions, transferts et circuits électriques

Ce que tu sauras faire

  • Distinguer énergie et puissance, appliquer la relation entre elles et convertir des joules en kilowattheures.
  • Appliquer la loi des nœuds et la loi des mailles à un circuit, en maîtrisant les conventions de fléchage et les signes.
  • Exploiter la caractéristique d'un dipôle, reconnaître un conducteur ohmique et appliquer la loi d'Ohm.
  • Modéliser un générateur réel par sa force électromotrice et sa résistance interne, déterminer ces deux grandeurs graphiquement et calculer un point de fonctionnement.
  • Établir le bilan de puissance d'un circuit, calculer la puissance dissipée par effet Joule et en tirer le rendement d'un générateur.
  • Calculer le rendement d'une conversion ou d'une chaîne de conversions, et interpréter ce que devient l'énergie perdue.
  • Établir le bilan énergétique d'un système en identifiant les modes de transfert, et exploiter la relation d'échauffement d'un corps.
  • Calculer l'énergie libérée par une combustion à partir de l'énergie molaire de réaction, en déduire un pouvoir calorifique et comparer des combustibles.

Au programme du chapitre

  1. Puissance et énergie : deux grandeurs, deux unités, deux questions
  2. Le circuit électrique : intensité, tension, et deux lois de conservation
  3. La caractéristique d'un dipôle : ce que la courbe dit du composant
  4. Le modèle du générateur réel : force électromotrice et résistance interne
  5. L'effet Joule et le bilan de puissance d'un circuit
  6. Le rendement d'une conversion
  7. Le bilan énergétique d'un système
  8. L'énergie chimique d'une combustion : énergie molaire et pouvoir calorifique

Exercices corrigés

Exercice 1

Un élève écrit sur sa copie : « cette ampoule consomme 9 watts par heure ». La phrase contient deux fautes distinctes. Lesquelles, et comment la réécrirait-on correctement ?
Un coup de pouce
Décompose l'unité watt en unités de base. Que contient-elle déjà ?
Voir la correction pas à pas
Première faute : l'unité. Le watt est déjà une énergie par seconde (1 W =1= 1 J·s−1^{-1}). Dire « watts par heure » revient à diviser une deuxième fois par un temps, ce qui donnerait une grandeur en J·s−1^{-1}·h−1^{-1}, sans aucun sens physique ici. On dit « une puissance de 9 W », un point.
Seconde faute : le verbe. On ne consomme pas une puissance, pas plus qu'on ne consomme une vitesse. Ce qui se compte et qui s'épuise, c'est l'énergie. La puissance dit seulement à quelle vitesse cette énergie est convertie.
Réécritures correctes. Soit « cette ampoule a une puissance de 9 W », soit, si l'on veut parler de ce qui est effectivement facturé : « allumée 3 h par jour, cette ampoule convertit 9×3=279 \times 3 = 27 Wh par jour, soit 0,0270{,}027 kWh ».
À retenir : puissance et énergie répondent à deux questions différentes. « Combien fort ? » et « combien en tout ? ».

Exercice 2

Une pile plate neuve affiche 4,54{,}5 V quand on mesure sa tension à vide avec un voltmètre. On y branche une lampe puissante : la tension mesurée entre ses bornes tombe à 4,04{,}0 V. Un élève en conclut que la pile est défectueuse. Que lui réponds-tu ?
Un coup de pouce
Demande-toi quelle est la différence entre la situation où l'on mesure 4,54{,}5 V et celle où l'on mesure 4,04{,}0 V. Qu'est-ce qui circule dans le second cas et pas dans le premier ?
Voir la correction pas à pas
La pile n'a rien de défectueux : c'est le modèle du générateur idéal qui est trop pauvre pour rendre compte de ce qu'on observe.
Ce qui se passe. Un générateur réel possède une résistance interne rr, celle de ses propres constituants. Dès qu'un courant II le traverse, une partie de l'énergie qu'il convertit est dissipée à l'intérieur de lui-même, et la tension disponible à ses bornes n'est plus EE mais U=E−r IU = E - r\,I.
Pourquoi le voltmètre seul ne le voyait pas. Un voltmètre a une résistance très grande : le courant qu'il fait circuler est quasi nul, donc r I≈0r\,I \approx 0 et il lit bien EE. La mesure à vide donne la force électromotrice, pas une tension de fonctionnement.
On peut même en déduire rr. Si la lampe appelle I=0,25I = 0{,}25 A, la chute vaut 0,50{,}5 V, donc r=0,5/0,25=2 Ωr = 0{,}5/0{,}25 = 2\ \Omega.
Le vrai signe d'une pile usée serait que cette chute augmente nettement pour le même courant : c'est la résistance interne qui grimpe en vieillissant, plus que la f.é.m. qui s'effondre.

Les pièges à éviter

  • Écrire « des watts par heure » ou « consommer une puissance ».
  • Appliquer E=P ΔtE = P\,\Delta t avec une durée en minutes ou en heures pour obtenir des joules.
  • Additionner les résistances de deux résistors montés en dérivation.
  • Confondre la loi des nœuds et la loi des mailles, ou appliquer l'une à la grandeur de l'autre.

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