Énergie : stockée, transférée, gaspillée
Rien ne consomme l'énergie — elle ne fait que se déplacer entre réservoirs et fuir en cours de route. Cette section nomme les réservoirs et les transferts, mesure l'efficacité avec des diagrammes de Sankey, suit la chaleur par conduction, convection et rayonnement, relie travail, énergie potentielle gravitationnelle et énergie cinétique, et (P) pèse les méthodes de production électrique.
Physique Edexcel International GCSE 4PH1, Section 4 (énoncés 4.1–4.19P). Unités : joule (J), watt (W), newton (N), et (P) J/kg °C.
Transferts d'énergie
Huit réservoirs : chimique, cinétique, gravitationnel, élastique, thermique, magnétique, électrostatique, nucléaire. Quatre voies de transfert : mécaniquement, électriquement, par chauffage, par rayonnement (lumière et son). L'énergie est conservée — le total reste inchangé ; les dispositifs redirigent simplement une partie de celle-ci depuis le réservoir souhaité vers ceux que nous ne voulons pas.
Exemple corrigé. La lampe ci-dessus : efficacité $= 10/100 \times 100 = 10\%$.
Transfert d'énergie thermique
La chaleur se déplace de trois manières, chacune ayant son propre mécanisme et chaque fois contrée par une défense différente.
Conduction : les vibrations des particules transmettent l'énergie au sein d'un solide — rapide dans les métaux (électrons libres). Convection : le fluide chauffe, se dilate, devient moins dense et monte ; le fluide plus froid descend pour le remplacer — brises marines, radiateurs chauffant les pièces. Rayonnement : les ondes infrarouges voyagent dans le vide ; les surfaces sombres et mates sont les meilleures émettrices et absorbeuses ; les surfaces claires et brillantes réfléchissent. Réduire les transfers indésirables : isolation (murs creux, combles, double vitrage réduisent conduction et convection ; foil brillant reflète le rayonnement).
Travail, puissance et équations énergétiques
Le travail effectué égale l'énergie transférée. En chute libre, l'énergie potentielle gravitationnelle (GPE) se convertit en énergie cinétique (KE) (moins le travail contre la traînée).
Vérification d'exemple. Un livre de 2 kg soulevé de 1.5 m à g = 10 N/kg : $GPE = 2 \times 10 \times 1.5 = 30$ J. Lâché, au sol $KE = 30$ J → $v = \sqrt{2 \times 30/2} = \sqrt{30} \approx 5.5$ m/s. Une lampe de 60 W allumée pendant 10 s : $W = 60 \times 10 = 600$ J.
Ressources énergétiques et production d'électricité (P)
Chaque centrale est une chaîne de transfert d'énergie depuis un stock vers l'électricité ; le tableau nomme les sept que la spécification exige.
| Méthode | Transfert d'énergie | Avantages | Inconvénients |
|---|---|---|---|
| éolien | cinétique → électrique | renouvelable, pas de coût de carburant | intermittente, impact visuel/acoustique |
| hydroélectrique | gravitationnelle → électrique | renouvelable, alimentation instantanée | inonde des vallées, peu de sites |
| géothermique | thermique → électrique | renouvelable, stable | peu de lieux appropriés |
| solaire thermique | thermique (eau chaude) | renouvelable, pas de frais de fonctionnement | dépend du jour/clouds |
| cellules solaires | lumière → électrique | renouvelable, silencieux | coûteux, faible intensité de sortie |
| combustibles fossiles | chimique → thermique → électrique | fiable, concentré | émissions de CO₂, non renouvelable |
| nucléaire | nucléaire → thermique → électrique | immense énergie par kg, pas de CO₂ | déchets radioactifs, démantèlement |
Vérifiez-vous
- Nommez quatre stocks d'énergie et deux voies de transfert.
- Un moteur utilise 500 J et fournit 350 J de travail utile. Calculez le rendement.
- Nommez les trois méthodes de transfert thermique et celle qui ne nécessite pas de milieu.
- Quelles surfaces émettent le mieux l'infrarouge ?
- Énoncez deux façons dont une maison réduit les pertes de chaleur indésirables.
- Calculez le travail effectué par une force de 40 N se déplaçant sur 3 m.
- Calculez l'EC d'une voiture de 800 kg à 20 m/s.
- Un chauffage transfère 12 000 J en 30 s. Calculez sa puissance.
- (P) Donnez un avantage et un inconvénient chacun pour l'éolien et le nucléaire.
- (P) Quelles sont les deux méthodes renouvelables qui extraient l'énergie déjà stockée sous forme de chaleur dans le sol ou dans l'eau tombante ?
Réponses : 1 chimique, cinétique, gravitationnelle, thermique (aussi élastique, magnétique, électrostatique, nucléaire) ; mécaniquement et électriquement (aussi chauffage, rayonnement) ; 2 $350/500 \times 100 = 70\%$ ; 3 conduction, convection, rayonnement — le rayonnement ne nécessite pas de support ; 4 surfaces sombres, mates (noir mat) ; 5 isolants de combles/murs creux et double vitrage (aussi film réfléchissant, joints d'étanchéité) ; 6 $W = 40 \times 3 = 120$ J ; 7 $KE = \frac{1}{2} \times 800 \times 400 = 160\,000$ J ; 8 $P = 12\,000/30 = 400$ W ; 9 (P) éolien — renouvelable sans coût de carburant, mais imprévisible et visuellement intrusif ; nucléaire — énergie énorme par kilogramme sans CO₂, mais les déchets radioactifs doivent être stockés en sécurité pendant des siècles ; 10 (P) géothermique (chaleur du sol) et hydroélectrique (réserve gravitationnelle de l'eau).