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STAGE - BILAN ÉNERGÉTIQUE

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Bilan énergétique, rendement

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L’objectif est de déterminer comment l’énergie d’un système varie.

 

I. Schéma général

 

 

Il y a un rond avec la lettre Σ qui représente le système. On voit qu’il y a des interactions vis-à-vis de l’extérieur. Par convention, on remarque que toutes les flèches vont vers le système. On a noté 2 lettres : les « Q » et les « W ». Les « Q » correspondent à la quantité de chaleur (transferts thermiques) alors que les « W » sont pour des travaux mécaniques, électriques. Le système peut :

- Soit recevoir de l’énergie : sous forme d’une quantité de chaleur (Q > 0) dans le sens de la flèche, sous forme de travail mécanique ou électrique (W > 0) dans le sens de la flèche.

- Soit perdre ou délivrer de l’énergie : Q < 0, W < 0. L’énergie va dans le sens opposé à la flèche sur le schéma donc elle est négative et il y a perte/livraison d’énergie. De même pour le travail.

 

 

Par exemple, un moteur. On rajoute une petite subtilité car parfois on a des schémas avec des flèches qui ne sont pas toutes rentrantes. On a le système qui correspond au moteur. L’énergie de combustion arrive dans le système c’est pourquoi on met le plein d’essence dans la voiture. C’est cette énergie-là qui est fournie au moteur. Qu’en fait le moteur ?

Il crée de l’énergie mécanique qui permet de faire tourner les roues et il y a également une perte d’énergie. Est-ce que ce sont des travaux mécaniques ou des quantités de chaleur ?

L’énergie de combustion c’est une quantité de chaleur due à une réaction chimique. L’énergie mécanique c’est un travail mécanique (W). L’énergie perdue pourrait être discutée. Ici on décide de mettre la lettre Q. On dit, pour résumer, que l’énergie perdue est perdue sous forme de chaleur. Même si ce sont des frottements, c’est mécanique, mais les frottements induisent une perte thermique. Étant donné les flèches du schéma, Q1 est bien une quantité d’énergie qui rentre et donc Q1 est positif. L’énergie mécanique W sort et donc elle devrait être négative, mais non !

En fait, on a mis la flèche vers l’extérieur donc c’est déjà dans le bon sens et donc W > 0. Q2 est représenté avec une flèche vers l’extérieur donc Q2 est positif.

On peut aussi faire une représentation plus conventionnelle avec un système au milieu et des énergies qui rentrent. Q1 est l’énergie de combustion, elle rentre donc elle est positive. W est l’énergie mécanique, elle sort, or la flèche est rentrante donc on note W < 0. De même pour Q2.

 

II. Le rendement

 

C’est une quantité extrêmement utile. Si on achète une voiture, on préfère un rendement à 50 % du moteur plutôt qu’un rendement à 10 %. Idem pour un réfrigérateur par exemple. Plus le rendement s’approche de 100 %, meilleur est l’objet. Pourquoi ?

La définition du rendement est : $rendement = r = \dfrac{énergie \ utile}{énergie \ consommée}=\dfrac{puissance \ utile}{puissance \ consommée}$(en divisant en haut et en bas par $Δt.$)

C’est-à-dire que si on arrive à un rendement de 100 %, on a autant d’énergie utile que d’énergie consommée. Ce serait l’idéal mais en réalité, c’est quasiment impossible. Voici deux exemples :

 

A. Le moteur

Quelle est l’énergie utile dans le moteur ? C’est le travail fourni, l’énergie mécanique, l’énergie fournie aux roues pour qu’elles tournent. On l’a appelé précédemment W. Positif ou négatif en fonction de la convention adoptée sur le schéma. L’énergie consommée c’est l’énergie électrique pour une voiture électrique ou thermique pour les autres voitures (essence, GPL…). $r = \dfrac{W}{Q1}$ le tout en valeur absolue.

On met la valeur absolue pour éviter de devoir discuter de la convention adoptée. Que W soit négatif ou positif, il devient positif avec la valeur absolue. De même pour Q1.

 

B. Le réfrigérateur

Le réfrigérateur sert à refroidir les aliments. L’énergie utile c’est la chaleur prélevée aux aliments. L’énergie consommée c’est l’énergie électrique car on branche le réfrigérateur à une prise électrique. C’est l’énergie électrique qui va être prélevée par la prise électrique. On a donc la formule du rendement : $r = \dfrac{chaleur \ prélevée}{énergie \ électrique \ consommée}$.