L'énergie : conversions et transferts

1) Energie électrique

a. Rappels
Dans le circuit ci-dessus, retrouver les valeurs manquantes.
  I U R
0 U0 = 5V
1 I1 = 200mA U1 = 2V R1
2 I2 = 50mA U2 R2
3 I3 U3 = 1V R3
4 I4 = 100mA U4 R4
5 I5 U5 R5
b. Puissance

La puissance est la vitesse à laquelle est transférée une énergie.
Elle s'exprime en watts et 1W = 1J.s-1.

On peut également écrire cette relation : ΔE = P×Δt
avec ΔE (J), P (W) et Δt (s)

L'énergie électrique fournie à un appareil électrique parcouru par un courant d'intensité I et aux bornes duquel est appliquée une tension U vaut :

P = U×I

Avec P (W), U (V) et I (A).

Application :
Cette bouilloire disponible sur un site de vente en ligne est annoncée comme ayant une puissance de 2200W.
1- Quelle intensité parcourt la résistance électrique lors de son fonctionnement nominal ?
2- Quelle est la valeur de la résistance chauffante présente dans cette bouilloire ?

c. Energie électrique
En combinant les 2 formules présentées au paragraphe précédent,P = U×I et ΔE = P×ΔT, on trouve que :

ΔE = U×I×Δt

Avec ΔE (J), U (V), I (A) et ΔT (s).

Application :
On verse dans la bouilloire précédente 1,3L d'eau à 17°C. Combien de temps faudra-t-il attendre pour que l'eau soit à température idéale pour un thé, soit environ 80°C ?
(il paraît qu'il ne faut pas faire bouillir l'eau dans laquelle le thé va infuser sous peine de perdre en arômes)

Remarque :
Il est possible de combiner la loi d'Ohm et l'expression de la puissance dans un appareil électrique : cela permet de calculer les pertes par effet joule.
U=R×I et P=U×I donnent :

P=R×I2=U2R

2) Energie mécanique

a. Energie cinétique

L'énergie cinétique est l'énergie nécessaire pour accélérer un objet de masse m immobile jusqu'à une vitesse v.

Ec=12×m×v2

Avec :
- Ec : Energie cinétique en J,
- m : Masse en kg,
- v : vitesse en m.s-1

Remarque :
Cette formule n'est valable que si la vitesse de l'objet est petite devant la vitesse de la lumière dans le vide (sinon la formule est plus compliquée).

Application :
Quicksilver est un personnage de l'Univers Marvel capable de se déplacer très vite. Quelle est son énergie cinétique lorsqu'il se déplace à 5 fois la vitesse du son, soit Mach 5 ?

b. Travail d'une force
Si une force F s'applique sur un objet tout au long d'un trajet allant de A à B, alors le travail de cette force vaut :
W=F·AB=F×AB×cos(F,AB)
Théorème de l'énergie cinétique :
Entre 2 positions successives d'un objet, la variation ΔEC d'énergie cinétique est égale au travail des forces s'exerçant sur cet objet entre ces 2 positions :
ΔEC=F·AB
Application :
Pierre pousse une chaise sur une distance AB=1,5m selon le schéma ci-dessus. Il exerce de façon continue une force de 100N.
Calculer le travail physique fourni par Pierre.
c. Energie de position

L'énergie de position est l'énergie nécessaire pour soulever un objet de masse m d'un point A à un point B :

Ep=m×g×Δh

Avec :
- Ep : Energie de position en J,
- m : Masse en kg,
- g : intensité de pesanteur en N.kg-1
- Δh : variation d'altitude en m.

Remarque :
Cette formule n'est valable que si l'on fait l'hypothèse d'un champ de gravitation uniforme (sinon la formule est plus compliquée).

Application :
Arnold soulève une haltère de 110kg en développé-couché. Quelle énergie fournit-il à l'haltère lorsqu'il la fait passer de son buste jusqu'à bout de bras ?

d. Energie mécanique

L'énergie mécanique d'un objet représente la somme de son énergie de position et de son énergie cinétique

Em=Ec+Ep

Conservation de l'énergie mécanique

Lorsque l'on jette un objet verticalement vers le haut, celui-ci quitte notre main avec une vitesse initiale donnée, qui diminue rapidement, s'annule au moment où l'objet atteint sont altitude maximale et réaugmente mais dans le sens inverse lorsqu'il retombe.
Cela signifie que son énergie cinétique varie au cours de sa trajectoire. Comme écrit dans l'introduction de ce chapitre, l'énergie ne disparaît pas, elle se transforme.
On en déduit donc que l'énergie cinétique de l'objet se transforme en un autre type d'énergie. Si l'on néglige les frottements de l'air, alors elle ne peut se convertir qu'en énergie de position.

L'objet quitte notre main avec une énergie Ec donnée, qui se transforme peu à peu en énergie de position Ep. Arrivé à sa hauteur maximale, toute l'énergie cinétique selon l'axe vertical s'est transformée en énergie de position. Lorsqu'il retombera, cette énergie de position se convertira de nouveau en énergie cinétique.

Lorsqu'un objet est lancé librement et sans frottement, entre 2 positions arbitraires A et B de sa trajectoire, on peut écrire :

EcA+EpA=EcB+EpB

Application :
Kermit est une petite grenouille de masse m=50g. Pour attraper Droso la mouche qui vole au-dessus d'elle, elle effectue un bond de 80cm de hauteur.
Quelle était sa vitesse initiale en début de saut ?

3) Conversion d'énergie au cours d'une combustion

a. Energie de liaison
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