Énergie

Une pile, un ressort tendu et de l'eau chaude stockent tous de l'énergie. L'énergie peut être transférée ou stockée, mais jamais créée ni détruite. Cette référence concerne AQA GCSE Physique 8463, sujet 4.1 Énergie.

• Chaque épreuve vaut 100 points et dure 1 h 45 min ; les idées énergétiques traversent les deux épreuves.
• AQA fournit actuellement une Fiche d'équations de physique. Vérifiez l'insert de votre série ; entraînez-vous à choisir, réarranger les équations et convertir les unités.
• Présentez l'équation, la substitution et la réponse avec les unités. Respectez les consignes de précision de la question ; les points dépendent de la question et du barème de correction.

Un système est un objet, ou un groupe d'objets, que vous choisissez d'étudier. Lorsqu'un système change, l'énergie se déplace entre des stocks d'énergie. Les stocks que vous devez nommer sont :

Utilisez le nom du stockage demandé, tel que thermique, potentiel gravitationnel ou potentiel élastique. Le barème de correction de juin 2024 accepte certains symboles dans des parties spécifiques ; ce n'est pas une règle selon laquelle chaque symbole est accepté dans toutes les questions de nommage.

Décrire un changement

L'énergie quitte un magasin pour en entrer dans un autre. Dites les deux parties. Entraînez-vous sur ces situations, que la spécification mentionne :

• Un objet projeté vers le haut : le stockage cinétique diminue et le stockage potentiel gravitationnel du système objet-Terre augmente. Pour un lancement vertical, la vitesse est nulle au point le plus haut.
• Un objet en mouvement heurtant un obstacle : le stockage cinétique s'épuise ; les stocks thermiques de l'objet et de l'obstacle augmentent ; le son peut emporter de l'énergie.
• Un objet accéléré par une force constante : un stockage source (par exemple, le stockage chimique d'une pile) diminue ; le travail transfère de l'énergie vers le stockage cinétique du véhicule. Le travail électrique est une voie de transfert, pas un stockage d'énergie électrique.
• Un véhicule qui ralentit : le magasin cinétique se vide ; le magasin thermique des freins se remplit.
• Porter de l'eau à ébullition dans une bouilloire électrique : l'énergie chimique du carburant de la centrale (ou d'une autre ressource) finit dans le magasin thermique de l'eau.

Cette section calcule les variations d'énergie provoquées par trois processus : par chauffage (une différence de température la provoque), par travail effectué par des forces (une force déplace quelque chose) et par travail effectué lors du passage d'un courant (un dispositif électrique transfère de l'énergie). L'électricité est traitée dans le sujet 4.2.

Diagrammes de Sankey

Un diagramme de Sankey représente l'énergie sur une échelle commune. La largeur de chaque flèche est proportionnelle à l'énergie qu'elle transporte. La flèche de gauche est l'entrée ; elle se divise en une sortie utile et des sorties gaspillées.

• La largeur totale de sortie est toujours égale à la largeur d'entrée. L'énergie est conservée.
• L'énergie « gaspillée » n'est pas détruite. Elle est stockée sous des formes moins utiles, généralement thermiques.

Pratique guidée : nommer les stocks et conserver l'énergie

Démarrage — rédigé par l'enseignant. Un moteur transfère 60 J en 3.0 s. Quelle est sa puissance ?

Raisonnement corrigé. La puissance est le taux de transfert d'énergie. L'équation est $P=E/t$. En substituant, on obtient $P=E/t=60\ \mathrm{J}/(3.0\ \mathrm{s})=20\ \mathrm{W}$. Cela signifie 20 joules par seconde ; cela n'établit pas l'efficacité ni la sortie utile.

Transfert d'examen — adapté de AQA juin 2024 Paper 1H Q01.1, Q01.2 et Q06.1. Nommer le stock croissant lorsque l'eau est chauffée, lorsque l'eau est relevée dans un réservoir, et lorsque les cordes de bungee sont étirées. Essayer avant de vérifier : thermique/interné, potentiel gravitationnel, potentiel élastique. Expliquer chaque nom en utilisant le changement de température, de hauteur ou d'allongement. Le travail électrique peut transférer de l'énergie vers ces systèmes, mais l'électricité n'est pas un stock d'énergie.

Équilibre moteur écrit par l'enseignant. L'entrée est 100 J et l'énergie cinétique utile est 80 J. Tout le reste atteint les réservoirs thermiques. Calculez ce reste et tracez des flèches proportionnelles de Sankey avant de vérifier le diagramme.

Démonstration. La conservation donne $E_{\mathrm{dissipated}}=E_{\mathrm{input}}-E_{\mathrm{useful}}$. La substitution donne $E_{\mathrm{dissipated}}=E_{\mathrm{input}}-E_{\mathrm{useful}}=100\ \mathrm{J}-80\ \mathrm{J}=20\ \mathrm{J}$. Les largeurs de l'arbre d'entrée/utile/dissipée ont un rapport 100:80:20 = 5:4:1. L'énergie est conservée ; la partie dissipée est moins utile, mais pas détruite. La longueur des flèches et la taille des têtes ne représentent pas l'énergie.

Choisissez l'équation pour le réservoir qui change. Utilisez la masse en kg, la vitesse en m/s, l'allongement et le changement de hauteur en m, ainsi que la force gravitationnelle de la question $g$ en N/kg.

• $E_k$ énergie cinétique en J ; $m$ masse en kg ; $v$ vitesse en m/s.
• $E_e$ énergie potentielle élastique en J ; $k$ raideur du ressort en N/m ; $e$ allongement en m.
• $E_p$ énergie potentielle gravitationnelle en J ; $h$ augmentation de hauteur en m ; $g$ intensité du champ gravitationnel en N/kg.

Deux avertissements fréquents dans les examens :

• L'allongement est la variation de longueur : longueur étirée moins longueur initiale. Une « 7.5 m d'allongement » signifie déjà la longueur supplémentaire.
• $E_e = \tfrac{1}{2}ke^2$ nécessite que le limite de proportionnalité ne soit pas dépassé : en dessous, doubler l'allongement quadruple l'énergie emmagasinée.

Pratique écrite par l'enseignant — allongement et unités. Un ressort proportionnel a une longueur de 10 cm au repos et de 22 cm lorsqu'il est étiré, avec une constante élastique de $k=50$ N/m. Trouvez l'allongement et l'énergie stockée ; prévoyez l'effet d'un doublement de cet allongement tant que le ressort reste proportionnel.

Raisonnement détaillé. $e=L-L_0=22\ \mathrm{cm}-10\ \mathrm{cm}=12\ \mathrm{cm}=0.12\ \mathrm{m}$. Puis $E_e=\tfrac12ke^2=\tfrac12\times50\ \mathrm{N/m}\times(0.12\ \mathrm{m})^2=0.36\ \mathrm{J}$. Un doublement de l'allongement donne $E_{e,2}=\tfrac12k(2e)^2=4E_e=4\times0.36\ \mathrm{J}=1.44\ \mathrm{J}$.

Exemple résolu écrit par l'enseignant. Un avion jouet de 0.020 kg est lancé horizontalement par un ressort proportionnel de constante $k = 50$ N/m et d'allongement $e = 0.12$ m. Le ressort revient à sa longueur naturelle. Supposons qu'il n'y ait pas de changement de hauteur et que toute l'énergie élastique libérée se transforme en énergie cinétique de l'avion. Calculez la vitesse idéale de lancement.

• Données connues : caractéristiques du ressort et masse. Au moment du lancement, le stock élastique se vide entièrement vers le stock cinétique. Pour la vitesse maximale, supposons que tout y arrive.
  $$E_e = \tfrac{1}{2} k e^2 = \tfrac{1}{2} \times 50\ \text{N/m} \times (0.12\ \text{m})^2 = 0.36\ \text{J}$$
• Pourquoi $E_k = E_e$ : le modèle idéal indiqué exclut l'énergie transférée vers d'autres stocks. Lors d'un lancement réel, des transferts thermiques peuvent réduire l'énergie cinétique et donc la vitesse finale.
  $$E_k = \tfrac{1}{2} m v^2 \quad\Rightarrow\quad v = \sqrt{\frac{2 E_k}{m}} = \sqrt{\frac{2 \times 0.36\ \text{J}}{0.020\ \text{kg}}} = 6.0\ \text{m/s}$$
• Vérification : l'unité est m/s car $\sqrt{\text{J}/\text{kg}} = \sqrt{\text{m}^2/\text{s}^2}$.

Transfert d'examen : deux cordes et hauteur

Adapté de AQA juin 2024 Paper 1H Q06.2–06.3. Une capsule de 240 kg est projetée vers le haut par deux cordes agissant comme des ressorts, chacun ayant une constante de $k=735$ N/m et un allongement de 8.0 m. Calculez la hauteur gagnée idéale ($g=9.8$ N/kg), en supposant que toute l'énergie élastique initiale devient de l'énergie potentielle gravitationnelle. Expliquez pourquoi la hauteur réelle est inférieure.

• Données connues : deux cordes identiques, donc l'énergie emmagasinée double.
  $$E_{e,1}=\tfrac12 ke^2=\tfrac12\times735\ \mathrm{N/m}\times(8.0\ \mathrm{m})^2=23\,520\ \mathrm{J}$$
  $$E_{e,\mathrm{total}}=2E_{e,1}=2\times23\,520\ \mathrm{J}=47\,040\ \mathrm{J}$$
• Dans ce modèle idéal, toute l'énergie élastique initiale devient de l'énergie potentielle gravitationnelle au point le plus haut, où la vitesse verticale est nulle :
  $$E_p = m g h \quad\Rightarrow\quad h = \frac{E_p}{m g} = \frac{47\,040\ \mathrm{J}}{240\ \mathrm{kg}\times9.8\ \mathrm{N/kg}} = 20\ \text{m}$$
• La résistance de l'air s'oppose au mouvement ascendant. Une partie de l'énergie élastique initiale est transférée vers l'environnement au lieu d'augmenter l'énergie potentielle gravitationnelle, donc le gain de hauteur réel est plus faible. L'expression « L'énergie est gaspillée » seule n'explique pas le transfert ; l'énergie est conservée.

Conservez l'hypothèse physique et rendez chaque étape de calcul visible ; l'allocation des points dépend de la question particulière.

Chauffer un objet augmente son stock thermique. L'énergie requise dépend de la masse, du matériau et de l'élévation de température :

• $\Delta E$ variation d'énergie thermique en J ; $m$ masse en kg ; $\Delta\theta$ variation de température en °C.
• $c$ capacité thermique massique en J/kg °C : énergie nécessaire pour élever la température d'un kilogramme d'une substance de un degré Celsius.

Pour des masses égales recevant la même énergie thermique, un matériau ayant une $c$ plus élevée subit une élévation de température plus faible. L'eau a une $c$ d'environ 4200 J/kg °C ; le cuivre environ 385 J/kg °C. Le taux de chauffage d'une cuillère dépend également de sa masse et du transfert d'énergie par contact ; la chaleur massique seule ne détermine pas le taux.

Exemple résolu écrit par l'enseignant. Un bloc métallique de 2.0 kg reçoit 26 kJ (26 000 J) d'énergie thermique. Sa température passe de 22 °C à 50 °C. Calculez $c$.

• Données : énergie, masse et températures. La variation de température ΔT entre dans l'équation : $\Delta\theta = 50 - 22 = 28$ °C.
  $$c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta} = \frac{26\,000\ \text{J}}{2.0\ \text{kg} \times 28\ ^\circ\text{C}} = 464\ \text{J/kg °C} \approx 460\ \text{J/kg °C}$$
• Vérification : J divisé par (kg × °C) donne J/kg °C.

Gardez les unités cohérentes : 10.5 kJ doit devenir 10 500 J ; un temps en minutes doit être converti en secondes ; une masse en grammes doit être convertie en kg ; une puissance en kW doit être convertie en W. Écrivez la conversion sur une ligne séparée.

Transfert d'examen : réarrangement pour la variation de température

Adapté de AQA juin 2024 Paper 1H Q08.3. L'air reçoit 0.0130 J ; sa masse est de $2.60\times10^{-8}$ kg et sa $c=1.01$ est de kJ/kg °C. Calculez la variation de température avant vérification.

• Convertissez $c=1.01\ \mathrm{kJ/(kg\,{}^\circ C)}=1010\ \mathrm{J/(kg\,{}^\circ C)}$.
• Réarrangez $\Delta E=mc\Delta\theta$ pour obtenir $\Delta\theta=\Delta E/(mc)$.
  $$\Delta\theta=\frac{\Delta E}{mc}=\frac{0.0130\ \mathrm{J}}{2.60\times10^{-8}\ \mathrm{kg}\times1010\ \mathrm{J/(kg\,{}^\circ C)}}\approx495\,{}^\circ\mathrm{C}$$
• Il s'agit de l'élévation, pas de la lecture finale ; trouver la température finale nécessite aussi la température initiale.

Expérience requise 1 : capacité thermique massique

Vous devez connaître cette expérience par cœur — l'examen vous demande de la décrire ou de l'évaluer à votre bureau.

Méthode :

1. Mesurer la masse $m$ du bloc métallique à l'aide d'une balance.
2. Verser un peu d'eau dans le trou du thermomètre pour assurer un bon contact thermique, puis insérer le chauffeur et le thermomètre.
3. Enregistrer la température initiale. Allumer l'alimentation électrique.
4. Enregistrer le courant $I$ et la différence de potentiel $V$, ainsi que la durée $t$ pendant laquelle le chauffeur fonctionne. La puissance du chauffeur est $P = VI$ (donnée dans le chapitre 4.2 ; certaines questions ne fournissent que $P$).
5. L'énergie fournie est $\Delta E = P t$.
6. Enregistrer la température à intervalles réguliers et calculer l'énergie fournie pour chaque instant. Tracer la température en fonction de l'énergie fournie ; la partie initiale peut être courbe en raison d'un retard thermique.
7. Calculer $c = \dfrac{\Delta E}{m\Delta\theta}$.

Raisonnement sur les mesures :

• Isoler le bloc (isolant) pour réduire l'énergie transférée vers l'environnement. Si une partie de l'énergie fournie chauffe l'environnement, utiliser toute l'énergie fournie comme augmentation de l'énergie thermique du bloc surestime $c$.
• Attendre que le thermomètre se stabilise avant de lire la température initiale (le contact thermique prend du temps).
• Utiliser la zone linéaire de la courbe de la température en fonction de l'énergie fournie après le retard thermique initial. Dans le modèle idéal, sa pente est $1/(mc)$. Les répétitions aident à évaluer la variabilité mais ne suppriment pas les pertes de chaleur systématiques.
• Indiquer comment l'erreur modifie l'énergie mesurée, la masse ou l'élévation de température. Un mauvais contact du thermomètre seul ne permet pas de déterminer la direction de l'erreur ; une élévation de température sous-estimée conduit à une surestimation de $c$ si l'énergie et la masse restent inchangées.

Vérification RP1 : calculer avant de prédire

Exemple écrit par l'enseignant. Un bloc de 1.0 kg gagne 6000 J et se réchauffe de 12 °C. Calculer son $c$. Un élève n'enregistre qu'une élévation de 10 °C avec la même énergie et la même masse. Calculer l'estimation résultante et expliquer la direction de l'erreur.

La plus petite élévation enregistrée donne un dénominateur plus petit et une surestimation de $c$. Diagnostiquez la variation de température enregistrée ; n'attribuez pas une direction d'erreur uniquement sur la base du « mauvais contact ».

Deux moteurs peuvent soulever la même charge sur la même hauteur. Le plus rapide est plus puissant. La puissance est le taux de transfert d'énergie, ou le taux d'accomplissement du travail :

• $P$ puissance en W ; $E$ énergie transférée en J ; $W$ travail effectué en J ; $t$ temps en s.
• Un transfert d'énergie de 1 J par seconde correspond à une puissance de 1 watt, W.

Conversions à retenir : 1 kW = 1000 W, 1 MW = $10^6$ W, 1 GW = $10^9$ W, 1 kJ = 1000 J, 1 MJ = $10^6$ J.

Exemple résolu écrit par l'enseignant. Un athlète de 60.0 kg grimpe à une hauteur verticale de 175 cm en 1.40 s ($g$ = 9.8 N/kg). Trouver la puissance utile moyenne associée au gain d'énergie potentielle gravitationnelle.

• Données connues : masse, hauteur, temps. La hauteur doit être convertie : $175\ \text{cm} = 1.75\ \text{m}$.
• Son gain d'énergie potentielle gravitationnelle représente l'énergie utile transférée.
  $$E_p = m g h = 60.0\ \mathrm{kg} \times 9.8\ \mathrm{N/kg} \times 1.75\ \mathrm{m} = 1029\ \text{J}$$
• La puissance se calcule en divisant l'énergie par le temps en secondes.
  $$P = \frac{E_p}{t} = \frac{1029\ \text{J}}{1.40\ \text{s}} = 735\ \text{W}$$
• Vérification : il s'agit du taux de gain d'énergie potentielle gravitationnelle, et non du transfert total d'énergie chimique. Le chauffage et autres transferts impliquent que plus d'énergie chimique est transférée que le gain utile.

Un transfert d'énoncé par seconde est déjà une puissance : 0.343 J d'énergie potentielle gravitationnelle gagnés chaque seconde correspondent à 0.343 W de puissance utile. Une valeur par seconde n'est pas automatiquement une sortie utile ; lire quel transfert est décrit.

Comparaison des puissances et transfert aux examens

Pratique écrite par l'enseignant. Les moteurs A et B soulèvent chacun 20 kg sur une hauteur de 2.0 m ($g=10$ N/kg). A met 2.0 s ; B met 4.0 s. Trouver leurs puissances utiles avant vérification.

A transfère la même énergie utile en la moitié du temps : deux fois la puissance utile. L'efficacité ne peut pas être comparée sans données d'entrée.

Adapté de AQA juin 2024 Paper 1H Q02.2–02.3. Une centrale électrique a une sortie de 500 MW. Trouvez sa sortie d'énergie en 3600 s, en joules. Ici $P=500\ \mathrm{MW}=5.00\times10^8\ \mathrm{W}$, et $P=E/t$ se réarrange en $E=Pt$.

La vérification des unités donne watts multipliés par secondes égale joules. La seule puissance de sortie ne détermine pas le rendement.

L'énergie peut être transférée utilement, stockée ou dissipée, mais jamais créée ni détruite. L'énergie dissipée est stockée de manière moins utile. On l'appelle souvent « perdue », mais elle existe toujours — généralement répartie dans les stocks thermiques de l'environnement.

• Pour cet équilibre énergétique, un système fermé n'échange aucune énergie avec l'extérieur, donc son énergie totale reste constante. Nommez les objets inclus : l'énergie potentielle gravitationnelle appartient à l'interaction objet-Terre, pas uniquement à la balle. Une chute idéale avec une résistance négligeable transfère l'énergie potentielle gravitationnelle en énergie cinétique ; un vide seul ne définit pas la limite du système.

Suivez l'énergie au cours d'une chute et d'un impact

Modèle écrit par l'enseignant. Incluez une balle, la Terre, le sol et les environs proches. Supposez qu'aucune énergie ne traverse la limite de ce système et ignorez la résistance de l'air pendant la chute. La balle part au repos avec 20 J d'énergie potentielle gravitationnelle par rapport au sol. Quand ce réservoir est 5 J, quelle est l'énergie cinétique ? Après l'impact et le arrêt, où se trouve l'énergie ?

Chaque ligne totalise 20 J. Après l'impact, l'énergie est répartie dans les réservoirs thermiques dans ce modèle simplifié ; le son peut transporter de l'énergie dans les environs choisis avant de se dissiper. Compter uniquement la balle donne un système différent, qui peut échanger de l'énergie avec la Terre et le sol. L'énergie qui quitte un objet n'a pas disparu.

Expliquer une réponse « inférieure au calcul »

Les questions d'examen adoptent souvent cette formulation : « la hauteur/vitesse/température réelle est inférieure à votre résultat. Expliquez pourquoi. » La réponse attendue :

1. Identifier la cause : résistance de l'air, frottement entre pièces mobiles, ou transfert d'énergie vers l'environnement par échauffement.
2. Énoncer la conséquence : une partie de l'énergie du stock d'entrée est dissipée dans des stocks thermiques au lieu d'atteindre le stock cible.
3. Conclure : ainsi, moins d'énergie arrive dans le stock utile.

Réduire les transferts d'énergie indésirables

• La lubrification réduit les frottements entre pièces mobiles, diminuant ainsi l'énergie dissipée par échauffement.
• L'isolation thermique réduit le transfert d'énergie par chauffage. Des murs épais, des murs constitués d'un matériau à faible conductivité thermique ou l'isolation de vide sanitaire ralentissent tous le refroidissement d'un bâtiment.

Comparez un facteur à la fois. Avec une même surface murale, épaisseur et différence de température, une conductivité thermique plus élevée entraîne un transfert plus rapide par conduction. Avec le même matériau et autres conditions identiques, une épaisseur accrue réduit ce taux. Si l'épaisseur et la conductivité changent en sens opposés, leurs descriptions seules ne suffisent pas à établir le classement.

Pratique requise 2 (physique uniquement) : isolants thermiques

Investiguez l'efficacité de différents matériaux en tant qu'isolants thermiques :

1. Versez un volume fixe d'eau chaude dans un bécher muni d'un couvercle.
2. Enveloppez le bécher dans un seul matériau (bulle plastique, journal, aluminium, ouate de coton).
3. Enregistrez la température au fur et à mesure du refroidissement sur une durée fixe (ou le temps nécessaire pour que la température baisse d'une quantité fixe).
4. Répéter avec des épaisseurs mesurées égales et des surfaces recouvertes égales de matériaux différents ; le nombre égal de couches ne garantit pas des épaisseurs égales.
5. Partie 2 : répétez l'expérience pour différentes épaisseurs (couches) d'un seul matériau.

Contrôles : même volume d'eau, température initiale, bécher, couvercle, alentours, surface couverte et moments de mesure. Répétez pour juger de la variation. Une baisse de température plus faible sur une durée fixe indique moins de refroidissement dans ces conditions. Gardez le matériau constant lors de l'étude de l'épaisseur ; gardez l'épaisseur constante lors de la comparaison des matériaux.

RP2 : interpréter les relevés enregistrés

La figure utilise le manuel pratique AQA, PDF page 12. Les points sont des valeurs relevées reliées par des lignes, et non une loi de refroidissement ajustée. En 15 min, l'essai sans couche passe de 85 à 57 °C, celui à deux couches de 86 à 62 °C, et celui à six couches de 86 à 66 °C. Calculer les chutes avant de vérifier.

Six couches refroidissent de 4 °C de moins que deux couches sur la même durée, depuis la même température initiale. Cela confirme un moindre refroidissement avec une plus grande épaisseur de journal ici. L'essai sans couche commence à une température inférieure de 1 °C. Soustraire les températures initiales n'élimine pas tous les effets des conditions de départ inégales ; les uniformiser dans une nouvelle investigation. Ces essais comparent l'épaisseur, pas des matériaux différents.

Évaluation écrite par un enseignant. De l'eau dans un bécher recouvert de 20 mm de coton part de 90 °C et atteint 75 °C après 10 min. De l'eau dans un bécher recouvert de 2 mm de feuille d'aluminium part de 80 °C et atteint 70 °C. Quel matériau est le meilleur isolant ? Expliquez les limites et améliorez la méthode avant de vérifier.

Raisonnement. Le coton chute de $90-75=15$ °C ; l'aluminium chute de $80-70=10$ °C. Le matériau, l'épaisseur et la température initiale diffèrent tous deux, donc ni les lectures finales ni les chutes de température n'isolent l'effet du matériau. Utilisez une épaisseur mesurée égale et une surface couverte identiques, la même température de départ, le même volume d'eau, le même appareil et les mêmes conditions ambiantes ; enregistrez aux mêmes instants et répétez. Concluez pour les conditions testées, en tenant compte des variations.

La fraction de l'énergie d'entrée qui aboutit quelque part sous une forme utile est l'efficacité :

• L'efficacité peut être un décimal (0 à 1) ou un pourcentage (0 % à 100 %). L'examen peut demander l'une ou l'autre ; un décimal supérieur à 1 ou un pourcentage supérieur à 100 % est impossible — vérifiez votre réponse à l'aide de cette limite.
• Pourcentage gaspillé = $= 100\,\% -$ - pourcentage utile.

Exemple résolu rédigé par un enseignant. Une lampe consomme 4.0 W de puissance électrique et est 0.85 efficace pour le transfert utile de lumière. Trouvez sa puissance lumineuse utile et la puissance restante.

• Connu : entrée totale et efficacité sous forme de décimal. Réarrangez avant de substituer.
  $$\text{useful power} = \text{efficiency} \times \text{total input} = 0.85 \times 4.0\ \text{W} = 3.4\ \text{W}$$
• Le reste est $P_{\mathrm{other}}=P_{\mathrm{input}}-P_{\mathrm{useful}}=4.0\ \mathrm{W}-3.4\ \mathrm{W}=0.6\ \mathrm{W}$. Les sorties s'additionnent à l'entrée ; aucune énergie n'est détruite. L'efficacité est un rapport sans unité.

Exam transfer — adapted from AQA June 2024 Paper 1H Q01.3. Method A heats water by 80 °C, storing 33 600 kJ per 100 kg, and wastes 40%; installation is possible anywhere in the question. Method B pumps water uphill by 500 m, storing 490 kJ per 100 kg, wastes 25%, and requires high mountains. Compare useful fractions, useful energy and practical constraints before checking.

• Pourcentage utile $= 100 - 40 = 60\ \%$.
  $$E_{useful} = \frac{60}{100} \times 33\,600\ \text{kJ} = 20\,160\ \text{kJ}$$

Method B has useful fraction $f_B=1-0.25=0.75$ and useful energy $E_{\mathrm{useful,B}}=f_BE_B=0.75\times490\ \mathrm{kJ}=367.5\ \mathrm{kJ}$. It is more efficient than A (75% versus 60%), but A provides much more useful energy per 100 kg (20 160 kJ versus 367.5 kJ). Explain both quantities, the stated location restriction and the need to insulate heated water. Use numerical evidence alongside the stated constraints.

Efficacité : comparer un transfert utile clairement défini

Rédigé par un enseignant. Les dispositifs de levage A et B consomment chacun 2000 W d'énergie électrique. Leurs puissances mécaniques utiles sont respectivement 1700 W et 1500 W. Calculez les deux rendements ainsi que leur différence en points de pourcentage.

L'écart est de $85\%-75\%=10$ points de pourcentage. L'appareil A transfère une plus grande fraction vers la levée utile ; les unités du rapport s'annulent. Ne pas confondre une différence en points de pourcentage avec une variation relative en pourcentage.

Raisonnement niveau supérieur. La lubrification réduit les pertes par frottement dans un moteur de levage ; l'isolation diminue les transferts thermiques indésirables depuis un réservoir d'eau chaude. À puissance d'entrée fixe, la réduction des transferts indésirables peut laisser davantage de puissance utile et améliorer le rendement. À puissance utile fixée, $E_{\mathrm{input}}=E_{\mathrm{useful}}/\eta$, donc un rendement plus élevé signifie une puissance d'entrée moindre requise. « Utile » dépend de la tâche visée : le chauffage est utile pour réchauffer une pièce mais peut être indésirable dans un moteur de levage.

Les principales ressources énergétiques sont les combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz), le combustible nucléaire, les biocarburants, l'éolien, l'hydroélectricité, la géothermie, les marées, le Soleil et les vagues.

Une ressource renouvelable se reconstitue au fur et à mesure qu'elle est utilisée. Les combustibles fossiles et nucléaires sont non renouvelables à l'échelle humaine. La reconstitution, la disponibilité quand elle est nécessaire et l'impact environnemental sont des questions distinctes. Renouvelable ne signifie pas continu ou inoffensif. Comparez les usages dans les transports, la production d'électricité et le chauffage. Les descriptions des machines génératrices ne sont pas requises ici.

Ressources en carburant : usages et compromis

• Charbon, pétrole et gaz : électricité ou chauffage ; les carburants dérivés du pétrole sont largement utilisés dans les transports. La production dépend de l'approvisionnement en carburant et de l'entretien. La combustion libère du dioxyde de carbone ; le soufre présent dans le carburant peut produire du dioxyde de soufre, contribuant aux pluies acides.
• Combustible nucléaire : électricité, utilisant un combustible fini. L'entretien et les arrêts techniques affectent la disponibilité. Il n'y a pas de CO$_2$ lié à la combustion lors de la production, mais les déchets radioactifs nécessitent une gestion sécurisée.
• Biocarburant : transport, chauffage ou électricité. Sa source biologique est renouvelable, mais sa production consomme des terres et du temps. La combustion dégage du CO$_2$. La repoussage peut absorber du CO$_2$, mais l'équilibre global dépend aussi de la culture, du traitement et des changements d'affectation des sols ; la neutralité carbone n'est pas automatique.

Six autres ressources renouvelables

Les éoliennes peuvent affecter la faune et générer du bruit ; les installations solaires nécessitent de l'espace et des matériaux. Les réservoirs inondent des terres et modifient les habitats fluviaux. Le développement géothermique implique un forage local. Les installations marémotrices et houlomotrices impactent les habitats marins et sont coûteuses à construire et entretenir. Distuez les impacts environnementaux des contraintes techniques et des coûts économiques. L'absence d'émissions lors de la combustion de carburant en exploitation ne signifie pas une absence totale d'impact sur l'ensemble du cycle (fabrication, construction, mise au rebut).

Exemple résolu : durée réelle de fonctionnement

La physique AQA GCSE Session 2024 Paper 1H Q02.5 mentionne une centrale nucléaire fonctionnant pendant 92% d'une année de 365 jours. Avec $f$ comme fraction de production :

Environ 336 jours (ce barème de correction accepte 335 ou 336). La centrale n'a pas produit toute l'année ; ne généralisez pas ce pourcentage à toutes les centrales. Cette seule fraction temporelle ne donne ni la production d'énergie électrique ni le rendement.

Interpréter une tendance : essayer, puis vérifier

Données fictives écrites par l'enseignant, avec seulement deux catégories contribuant à chaque total :

Le TWh est une unité d'énergie. Calculez chaque total et la part fossile. La quantité d'énergie fossile a-t-elle diminué ?

Vérification :

La part a baissé de 20 points de pourcentage, mais l'énergie fossile a augmenté de 10 TWh. Une part décroissante seule ne peut prouver une baisse des émissions.

Prendre une décision avec des preuves

Tâche écrite par l'enseignant : une clinique nécessite de l'électricité toute la nuit. Les panneaux solaires ne produisent rien la nuit ; un groupe électrogène à gaz entretenu peut fonctionner si du carburant est fourni. La production solaire ne génère pas de CO$_2$ par combustion de carburant ; la combustion de gaz rejette du CO$_2$. Expliquez le compromis, proposez une source d'alimentation possible et identifiez les informations manquantes.

Vérification : le solaire seul ne satisfait pas l'exigence nocturne. Un système solaire avec stockage chargé ou une autre solution de secours pourrait fonctionner si la puissance et l'énergie stockée couvrent la demande. Le gaz peut fournir de l'électricité la nuit, avec carburant et entretien, mais rejette du CO$_2$. Vérifiez la demande, la capacité de stockage, les conditions de charge, l'approvisionnement en carburant, les coûts et le site avant de choisir. Le financement est une contrainte économique ; l'accès aux soins fiables est une préoccupation sociale. Les règles d'urbanisme sont des contraintes politiques, et la répartition équitable des coûts et avantages soulève des questions éthiques. La science identifie et mesure les problèmes ; les décisions dépendent aussi de ces contraintes. Une conclusion doit suivre les preuves et les priorités déclarées ; aucune phrase finale type ne garantit automatiquement des points.

Récupération 1 : relier les équations

Écrit par l'enseignant : un moteur absorbe 5.0 J en 2.0 s. Il met en mouvement un chariot de 0.50 kg depuis le repos sur une voie horizontale. Le chariot acquiert 4.0 J d'énergie cinétique ; le reste chauffe le système et ses alentours. Trouvez la vitesse finale, le rendement pour l'accélération du chariot, la puissance d'entrée moyenne et le transfert d'énergie restant. Essayez avant de vérifier.

Vérification : puisque la vitesse initiale est nulle, l'énergie cinétique finale est 4.0 J.

Ces 1.0 J sont transférés par chauffage. L'énergie est conservée.

Récupération 2 : diagnostiquer trois affirmations

1. RP1 : toute l'énergie fournie au chauffage est considérée comme le gain énergétique du bloc, bien que certains déperissent vers la pièce. Avec la masse et l'élévation de température mesurée fixes, que devient la capacité thermique massique calculée ?
2. RP2 : les deux couches d'isolation et le volume d'eau changent. Pourquoi la conclusion sur les couches est-elle peu fiable ? Énoncer les variables contrôlées.
3. Les panneaux solaires sont appelés une alimentation garantie de nuit car le solaire est renouvelable. Que contient cette affirmation et quelle provision supplémentaire est nécessaire ?

Vérification :

1. $c=E_{\rm gained}/(m\Delta\theta)$. Utiliser l'entrée plus élevée surestime $c$ dans le cas indiqué.
2. Deux variables changées confondent le résultat. Maintenir le volume, le récipient, la température initiale, le moment et l'environnement fixes ; répéter les mesures et comparer les chutes de température sur la même durée.
3. Le renouvellement ne garantit pas l'alimentation au moment souhaité. Un stockage chargé adéquat ou une autre source d'énergie est requis la nuit.

Utilisez les termes demandés, présentez les équations et les unités, et suivez la consigne de précision de la question. Une cause et sa conséquence physique sont plus utiles qu'une liste mémorisée.

Erreurs courantes

• Insérer la longueur étirée dans $E_e = \tfrac12 ke^2$. Utiliser l'allongement $e$ = longueur étirée − longueur initiale, en mètres.
• Oublier d'élever au carré la vitesse dans $E_k = \tfrac12 mv^2$. Doubler la vitesse rend l'énergie cinétique quatre fois plus grande.
• Utiliser des grammes dans $\Delta E = mc\Delta\theta$ ou des minutes dans $P = E/t$. Convertir en kg et en s d'abord.
• Attribuer un rendement supérieur à 100 % (ou 1). La sortie utile ne peut jamais dépasser l'entrée totale ; si c'est le cas, les deux valeurs sont inversées.
• Dire que l'énergie est « consommée » ou « perdue ». Elle est dissipée : transférée vers des réserves moins utiles, généralement la réserve thermique de l'environnement, et le total reste constant.
• Qualifier une ressource renouvelable de fiable. L'éolien et le solaire sont renouvelables, mais leur production dépend des conditions météorologiques et de l'heure de la journée.