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Seconde · Physique-Chimie · Chapitre 4

Conversions et transferts d'énergie

Ce que tu sauras faire

  • Identifier les formes d'énergie d'un système, les distinguer des modes de transfert, et convertir joules, kilowattheures et kilocalories.
  • Calculer une énergie cinétique par Ec=12mv2E_c = \frac{1}{2}mv^2 après conversion des unités, et exploiter sa dépendance au carré de la vitesse.
  • Calculer une énergie potentielle de pesanteur par Epp=mgzE_{pp} = mgz en annonçant l'origine des altitudes, et raisonner sur sa variation.
  • Écrire la conservation de l'énergie mécanique, en déduire une vitesse ou une hauteur, et justifier que la masse s'y simplifie.
  • Interpréter une diminution d'énergie mécanique comme une dissipation sous forme d'énergie interne, et en chiffrer la valeur.
  • Exploiter Q=mcΔTQ = mc\Delta T hors changement d'état et Q=mLQ = mL pendant un changement d'état, et lire une courbe de chauffage.
  • Relier énergie, puissance et durée par E=PΔtE = P\Delta t, appliquer P=UIP = UI et l'effet Joule P=RI2P = RI^2, et exploiter une facture d'électricité.
  • Construire une chaîne énergétique, calculer un rendement et vérifier le bilan « utile + dissipée = absorbée ».

Au programme du chapitre

  1. L'énergie : une grandeur, une unité, des formes
  2. L'énergie cinétique : l'énergie du mouvement
  3. L'énergie potentielle de pesanteur : l'énergie de la hauteur
  4. L'énergie mécanique et sa conservation
  5. Quand l'énergie mécanique ne se conserve pas
  6. Les transferts thermiques : chauffer, fondre, vaporiser
  7. L'énergie électrique : puissance, effet Joule, facture
  8. Chaînes énergétiques et rendement
  9. Le principe de conservation de l'énergie

Exercices corrigés

Exercice 1

En 2018, de nombreuses communes ont abaissé la vitesse en ville de 50 à 30 km/h. Un élève juge la mesure « symbolique, puisqu'on ne gagne que 20 km/h ». Évalue cette phrase par un calcul.
Un coup de pouce
Ne compare pas les vitesses par soustraction mais par quotient, puis élève ce quotient au carré.
Voir la correction pas à pas
Le raisonnement est faux parce qu'il raisonne sur une différence, alors que l'énergie dépend du carré de la vitesse.
Prenons une voiture de 1 2001\,200 kg. À 50 km/h, v=13,9v = 13{,}9 m/s et Ec=12×1 200×13,92=1,16×105E_c = \frac{1}{2} \times 1\,200 \times 13{,}9^2 = 1{,}16 \times 10^{5} J. À 30 km/h, v=8,33v = 8{,}33 m/s et Ec=12×1 200×8,332=4,17×104E_c = \frac{1}{2} \times 1\,200 \times 8{,}33^2 = 4{,}17 \times 10^{4} J.
Le rapport se calcule d'ailleurs sans la masse : (3050)2=0,36\left(\dfrac{30}{50}\right)^2 = 0{,}36. L'énergie à dissiper lors d'un choc est donc ramenée à 36 %36\ \% de sa valeur, c'est-à-dire divisée par près de trois.
S'y ajoute un effet indépendant : la distance de freinage, elle aussi proportionnelle à v2v^2, est divisée par trois également, et la distance parcourue pendant le temps de réaction est réduite dans le rapport des vitesses. La mesure n'a donc rien de symbolique.

Exercice 2

Un élève écrit : « La voiture freine, son énergie cinétique est perdue. » La phrase est comptée fausse. Pourquoi, et comment la réécrire ?
Un coup de pouce
Demande-toi ce qui, dans le dispositif, s'échauffe — et cherche l'énergie là.
Voir la correction pas à pas
Elle est fausse parce qu'elle contredit le principe de conservation de l'énergie : aucune énergie ne se perd, jamais.
Ce qui se passe réellement : les plaquettes frottent contre les disques, et ce frottement transfère l'énergie cinétique du véhicule aux pièces frottantes et à l'air environnant, sous forme d'énergie interne. C'est observable — les disques deviennent brûlants, au point de rougir sur un circuit.
La rédaction attendue : « L'énergie mécanique du véhicule diminue de 3,75×1053{,}75 \times 10^{5} J. Cette énergie est dissipée par frottement et transférée aux freins, aux pneus et au milieu extérieur sous forme d'énergie interne. »
Ce qui disparaît n'est pas la quantité d'énergie mais sa qualité : une énergie cinétique parfaitement organisée devient une agitation désordonnée de particules, qu'on ne sait plus reconvertir intégralement.

Les pièges à éviter

  • Oublier de convertir les km/h en m/s avant d'appliquer Ec=12mv2E_c = \frac{1}{2}mv^2.
  • Oublier le facteur 12\frac{1}{2} dans l'énergie cinétique.
  • Croire que la masse intervient dans la vitesse d'arrivée d'une chute libre.
  • Calculer EppE_{pp} sans jamais dire où est l'origine des altitudes.

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