L'énergie et ses conversions
Physique-chimie · 3e
L’essentiel
Ce thème est l'un des quatre du cycle 4 en physique-chimie ; l'ordre dans lequel ton collège l'aborde, et ce qui en est repris en 3e, dépend de l'établissement : il n'y a pas de découpage annuel officiel.
Sources et formes d'énergie. Une source d'énergie est ce que l'on exploite : Soleil, vent, eau des barrages, bois, charbon, pétrole, gaz, uranium. Une source est renouvelable si elle se reconstitue à l'échelle d'une vie humaine (solaire, éolien, hydraulique, biomasse, géothermie) ; les énergies fossiles (charbon, pétrole, gaz) et l'uranium ne le sont pas. Les formes d'énergie à connaître : cinétique (liée au mouvement), potentielle de position (liée à l'altitude), thermique, chimique (stockée dans les aliments, les carburants, les piles), électrique, lumineuse, nucléaire. L'énergie se mesure en joules (J) ; pour l'électricité on utilise aussi le kilowattheure (kWh) : 1 kWh = 3 600 000 J.
Conversions et conservation. L'énergie ne se crée pas et ne disparaît pas : elle se convertit d'une forme à une autre et se transfère d'un objet à un autre. Un convertisseur reçoit une forme d'énergie et en restitue une autre : une lampe convertit de l'énergie électrique en énergie lumineuse et thermique ; un moteur, de l'électrique en mécanique ; une pile, du chimique en électrique ; une éolienne, du mécanique (le vent) en électrique. Une partie de l'énergie est toujours dissipée sous forme thermique : ce sont les pertes, même si l'énergie totale, elle, se conserve. L'énergie cinétique d'un objet augmente avec sa masse et surtout avec sa vitesse : Ec = (1/2) × m × v² ; si la vitesse double, l'énergie cinétique est multipliée par quatre, ce qui explique l'allongement des distances de freinage.
Puissance et énergie électrique. La puissance, en watts (W), est l'énergie convertie par seconde : P = E / t, donc E = P × t. Avec P en watts et t en secondes, E est en joules ; avec P en kilowatts et t en heures, E est en kilowattheures, l'unité du compteur. Un radiateur de 2 000 W (2 kW) qui fonctionne 3 h consomme 6 kWh.
Circuits électriques. Un circuit fermé comprend au moins un générateur et un récepteur reliés par des conducteurs. En série, tous les éléments sont traversés par le même courant : si l'un est retiré, tout s'éteint. En dérivation, chaque branche fonctionne indépendamment. La tension U, en volts (V), se mesure avec un voltmètre branché en dérivation aux bornes du dipôle. L'intensité I, en ampères (A), se mesure avec un ampèremètre branché en série. Lois des circuits : dans un circuit série, la tension du générateur est égale à la somme des tensions aux bornes des récepteurs et l'intensité est la même partout ; en dérivation, la tension est la même sur chaque branche et l'intensité dans la branche principale est la somme des intensités des branches.
Loi d'Ohm. Pour une résistance (conducteur ohmique) : U = R × I, avec U en volts, I en ampères et R en ohms (Ω). Une résistance de 100 Ω parcourue par 0,05 A a une tension de 5 V à ses bornes. Sécurité : un court-circuit, un fil dénudé ou une surcharge font chauffer les conducteurs ; les fusibles et disjoncteurs coupent le courant quand l'intensité devient trop élevée.
Repères
| Date | Événement |
|---|---|
| Énergie | en joules (J) ; 1 kWh = 3 600 000 J |
| Puissance | P = E / t, en watts (W) ; donc E = P × t |
| Loi d'Ohm | U = R × I ; U en volts, I en ampères, R en ohms |
| Mesures | tension : voltmètre en dérivation ; intensité : ampèremètre en série |
| Circuit série | même intensité partout ; les tensions des récepteurs s'additionnent |
| Circuit en dérivation | même tension sur chaque branche ; les intensités des branches s'additionnent |
| Énergie cinétique | Ec = (1/2) × m × v² ; vitesse doublée, énergie quadruplée |
| Conservation | l'énergie se conserve ; une partie est toujours dissipée en chaleur |
Questions corrigées
1. Une résistance de 220 Ω est traversée par un courant de 0,02 A. Quelle tension lit-on à ses bornes ?
Réponse : 4,4 V
U = R × I = 220 × 0,02 = 4,4 V. Diviser au lieu de multiplier donne 11 000 V, valeur absurde pour une pile ou une prise.
2. Une lampe de 60 W reste allumée 2 h. Quelle énergie consomme-t-elle ?
Réponse : 0,12 kWh
E = P × t = 60 W × 2 h = 120 Wh = 0,12 kWh. Attention : 120 kWh serait mille fois trop, c'est la consommation d'un radiateur pendant des jours.
3. Quelle conversion d'énergie réalise une éolienne ?
Réponse : Mécanique (vent) en électrique
Le vent fait tourner les pales (énergie mécanique), l'alternateur produit de l'électricité. Le moteur fait l'inverse ; la pile convertit du chimique en électrique.
4. Comment branche-t-on un voltmètre pour mesurer la tension aux bornes d'une lampe ?
Réponse : En dérivation aux bornes de la lampe
Le voltmètre se branche en dérivation, c'est-à-dire en parallèle du dipôle étudié. C'est l'ampèremètre qui se branche en série.
5. Dans un circuit série, un générateur de 12 V alimente deux lampes. Aux bornes de la première, on mesure 7 V. Quelle tension y a-t-il aux bornes de la seconde ?
Réponse : 5 V
En série, les tensions s'additionnent : 7 + U2 = 12, donc U2 = 5 V. La tension n'est pas la même partout, c'est l'intensité qui l'est.
6. Dans un circuit en dérivation, la branche principale est parcourue par 0,8 A et une branche par 0,3 A. Quelle est l'intensité dans l'autre branche ?
Réponse : 0,5 A
L'intensité de la branche principale est la somme des intensités des branches : 0,3 + I2 = 0,8, donc I2 = 0,5 A.
7. La vitesse d'une voiture passe de 50 km/h à 100 km/h. Son énergie cinétique est…
Réponse : multipliée par 4
Ec dépend du carré de la vitesse : vitesse × 2, énergie × 4. C'est pour cela que la distance de freinage augmente bien plus vite que la vitesse.
8. Laquelle de ces sources d'énergie n'est pas renouvelable ?
Réponse : Le gaz naturel
Le gaz naturel est une énergie fossile, formée sur des millions d'années : il ne se renouvelle pas à l'échelle humaine. Les trois autres se reconstituent en permanence.
S’entraîner
Des exercices neufs à chaque séance, avec correction, sur l’application du 3e (elle fonctionne sans connexion).
Ouvrir cette notion dans le cahier de 3e