Défi énergétique/Puissance et énergie au quotidien

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Puissance et énergie : quel lien ?

Définition de la puissance

D'un puissant phare au xénon d'une voiture moderne ou d'une petite DEL signifiant la mise en veille d'un écran d'ordinateur, quel système consomme le plus d'énergie ? Le piège classique est de réponde : "le puissant phare" car il y a une différence entre puissance et énergie. En fait, on ne peut pas répondre à cette question car il nous manque une donnée : le temps. En effet, si le puissant phare n'est allumé qu'une demi-seconde, il se pourrait bien qu’il ait consommé moins d'énergie qu'une petite DEL restée allumée plusieurs jours. Pour comparer les deux systèmes, on indique dessus leur puissance P, c’est-à-dire la quantité d'énergie qu’ils consomment en une seconde.

Relation entre puissance et énergie

Pour trouver l'énergie E que consomme le système pendant un certain temps Δt, il suffit de multiplier la puissance par le temps : $E=P\times \Delta t$.
Comme toute relation de physique, il faut savoir quelles unités utiliser pour les différentes grandeurs :

• L'énergie s'exprime en joules (J)
• La puissance s'exprime en watts (W)
• Le temps doit s'exprimer en secondes (s)

Cette relation, contrairement à la plupart des autres dans le cadre du programme de 1ère L / ES, est à connaître par cœur !
Exemple : supposons que le phare au xénon ait une puissance de 900 W et qu'on le fasse fonctionner pendant deux heures (trajet sur autoroute par exemple), alors l'énergie consommée par celui-ci est : $E=P\times \Delta t=900\times 2\times 3600=6~480~000=6,48.10^{6}J$.
Les watts et les joules sont de petites unités d'énergie, il vient donc deux remarques importantes :

• Le tableau des multiples et sous-multiples des unités est à connaître, car très pratique pour exprimer par exemple le résultat précédent sous la forme $E=6,48MJ$
• D'autres unités d'énergies ont été inventées dans divers domaines, en fonction de l’ordre de grandeur des énergies rencontré dans ces domaines

Multiples et sous-multiples utiles en classe de 1ère L / ES

Préfixes du système international d'unités

	Préfixe	Symbole	Nombre décimal	Puissance	Energie	Nom
1012	téra	T	1 000 000 000 000	Térawatts (TW)	Térajoules (TJ)	Billions
109	giga	G	1 000 000 000	Gigawatts (GW)	Gigajoules (GJ)	Milliards
106	méga	M	1 000 000	Mégawatts (MW)	Mégajoules (MJ)	Millions
103	kilo	k	1 000	Kilowatts (kW)	Kilojoules (kJ)	Milliers
100	(aucun)	(aucun)	1	watts (W)	joules (J)
10−3	milli	m	0,001	milliwatts (mW)	millijoules (mJ)	Millième
10−6	micro	µ	0,000 000 1	microwatts (µW)	microjoules (µJ)	Millionième

Consommation énergétique

Les constructeurs, les industries, les fournisseurs d'électricité, etc. nous informent de la puissance des objets qui nous entourent, mais comme il a été précisé précédemment, ils utilisent des unités qui leur sont à chacun spécifiques, prenons quelques exemples pour savoir où trouver l'information et comment l’interpréter.

Facture énergétique et Kilowatt-heure

Exemple de facture d'électricité à Strasbourg

Sur une facture d'électricité par exemple, l'énergie consommée par le foyer est exprimée en kilowatt-heure (kWh) et non pas en joules, comme indiqué sur l'exemple ci-contre. Même si l’on entend le mot "watt" dans "kilowatt-heure", il s'agit d'une unité d'énergie !
Définition : un kilowatt-heure est l'énergie que consomme (ou produit) un dispositif ayant une puissance de mille watts (1 kW) pendant une heure (3600 s). On peut en déduire la correspondance en joules : 1 kWh = $1000~W\times 3600~s=3~600~000~J=3,6~MJ$.
Trois remarques :

• À la question : "Quelle est l'énergie consommée par un four à micro-ondes de puissance 1 kW pendant 15 minutes ?", La réponse est facile si on la donne en kWh : comme 15 minutes représentent un quart d'heure et que le micro-onde a une puissance de 1 kW, il a consommé 0,25 kWh
• Certaines personnes font l'erreur d'écrire kW/h à cause de notre habitude de voir des km/h sur nos compteurs de voiture : le kilowatt-heure est bien un kilowatt fois une heure et s'écrit donc kWh
• De la même façon que nous venons de définir le kWh, on peut imaginer définir le Wh, le MWh, etc.

Électroménager et moyens de locomotion

Energy label 2010

Sur les frigos, les grille-pains, les fours à micro-ondes, les voitures, etc, les fabricants nous informent grâce à une "étiquettes énergie" telle que celle présentée ci-contre. Pour l'électroménager, la consommation est donnée en kilowatt-heure par an. Notons que cette indication n'est qu'une estimation : il s'agit d'une consommation dans certaines conditions d'utilisation (nombre d'heures de fonctionnement par jour, puissance moyenne d'utilisation, etc). Il n’est pas dit que vous utiliserez exactement la même quantité d'énergie au bout d'un an.

A l'échelle mondiale

Réserves énergétiques mondiales

"tep" signifie : "tonne équivalent pétrole", c’est l'énergie que libère la combustion d'une tonne de pétrole, c’est-à-dire environ 42 GJ. On l'utilise pour comparer les énergies que consomment annuellement les états, l'efficacité des diverses sources d'énergie, les ressources énergétiques mondiales, etc.
Ci-contre la répartition des réserves énergétiques mondiales, en Gtep, c’est-à-dire en Gigatonne équivalent pétrole : en milliards de tep !

Diverses formes d'énergie

Depuis le début de ce chapitre, nous mesurons, nous comparons, nous calculons des énergies sans nous soucier de leur forme, de leur source. L'objet de cette partie est de les classer et d’en donner quelques caractéristiques. L'énergie est la capacité d'un système à "faire quelque chose", c’est une grandeur qui peut prendre diverses formes mais qui ne se crée pas et ne disparaît pas : l'énergie se conserve, c’est l'un des grands principes de la physique (sauf dans des conditions très particulières que nous détaillerons pour l'énergie nucléaire).

Les énergies mécaniques

La mécanique est l'étude du mouvement des corps et de leur cause. On distingue donc deux types d'énergies mécaniques :

• L'énergie cinétique qui est l'énergie de mouvement : un corps de masse m (en kg) et se déplaçant à une vitesse v (en m/s) a une énergie cinétique (en J) $E_{c}={\frac {1}{2}}mv^{2}$
• L'énergie potentielle qui est l'énergie liée à la position d'un corps dans un champ de forces. L'exemple le plus simple est l'énergie potentielle de pesanteur qui est liée à l'altitude z (en mètres) d'un corps de masse m (en kg) sur une planète de pesanteur g (en N/kg) : $E_{pp}=mgz$ (en J)
• D'une façon plus générale, lorsqu'une force s'exerce sur un corps pendant un certain temps, l'énergie qu'elle lui communique est appelée travail et se note W comme "work" en anglais (à ne pas confondre avec les watts !)

Lorsqu'on se frotte les mains parce qu'on a froid, on transforme le travail des forces de frottement en chaleur. C'est ici un premier exemple de transformation énergétique. Il est à noter que la transformation inverse est beaucoup plus complexe : ce n’est pas en chauffant ses mains que celles-ci vont se mettre à bouger ! Pour que de la chaleur puisse engendrer un mouvement (du travail), il faut avoir recourt à un moteur thermique comme dans les voitures par exemple. On dit que l'énergie thermique (la chaleur) n’est pas tout à fait équivalente aux autres formes d'énergie, que c’est une forme dégradée d'énergie. Derrière cette notion se cache un autre grand concept de la physique.

L'énergie chimique : biomasse, énergies fossiles, etc.

Lorsqu'on brûle un combustible, il se déroule une réaction chimique exothermique appelée combustion : $\mathrm {combustible} +O_{2}=CO_{2}+H_{2}O$. Le terme exothermique veut dire "qui libère de l'énergie". Chaque combustible est plus ou moins efficace ; pour les comparer, on a mesuré et répertorié leur pouvoir calorifique $\Delta H$, c’est-à-dire l'énergie que libère la combustion d'un kilogramme de ce combustible ; il s'exprime donc en joules par kilogramme (J/kg). lorsque le combustible est un liquide, on donne parfois le pouvoir calorifique en joules par litre (J/L), par exemple : quelle est l'énergie libérée par la combustion d'un volume $V=300mL$ de diesel (pouvoir calorifique $\Delta H=38MJ/L$) ?
$E=V\times \Delta H=0,300\times 38\approx 11MJ$
Lorsqu'on fait du sport, notre corps transforme de l'énergie chimique (celle des aliments que nous avons digérés) en énergie mécanique (cinétique pour un coureur, potentielle de pesanteur pour un grimpeur, etc.) : nos muscles sont le siège d'une combustion grâce au dioxygène que nous respirons, qui forme du dioxyde de carbone que nous expirons et de l'eau que nous évacuons par la peau.

L'énergie nucléaire

Reacteur eau pressurisee

L'énergie nucléaire est celle confinée dans les noyaux des atomes constituant la matière. C'est dans ce cas particulier qu’il n'y a pas conservation de l'énergie, du moins en apparence : lorsqu'un gros noyau se casse, ou lorsque deux petits noyaux fusionnent, il y a perte de masse (notons-la "m") et du coup production d'énergie (notons-la "E") : la masse s’est transformée en énergie selon la relation d'EINSTEIN $E=mc^{2}$ avec $c\approx 3.10^{8}m/s$ la célérité de la lumière dans le vide.
Cette source d'énergie phénoménale sera étudiée en détails dans le chapitre Zoom sur l'énergie nucléaire ; en attendant, contentons-nous de remarquer qu'une fois de plus l'énergie est transformée avant d’être utilisée : elle passe d'énergie nucléaire à chaleur dans le réacteur, puis elle est convertie en énergie cinétique pour faire tourner des turbines qui enfin la transforme en énergie électrique, comme le montre le schéma de fonctionnement ci-contre.

Notion de chaine énergétique et de rendement

Comme il a déjà été signalé dans le paragraphe précédent, l'énergie se conserve mais subit diverses transformations qu'on peut représenter par une chaine énergétique. Quelques exemples sont donnés dans le tableau ci-dessous.

Quelques exemples de chaines énergétiques

Forme d'origine	transformateur 1	Forme d'arrivée	transformateur 2	Forme finale
chimique	moteur de voiture	cinétique
nucléaire	réacteur	cinétique	turbine	électrique
chimique	centrale à charbon	cinétique	turbine	électrique
potentielle de pesanteur	chute libre	cinétique
électrique	grille pain	thermique (chaleur)
électrique	lampe UV	lumineuse	peau	chimique
électrique	aspirateur	cinétique

Au cours de ces transformations, il peut y avoir des pertes. Par exemple, lorsqu'on approche sa main près d'une lampe, on sent que celle-ci est chaude, elle est pourtant censée convertir l'énergie électrique en lumière, mais une partie de cette énergie est "perdue" sous forme de chaleur. On définit le rendement R (ou l'efficacité E) d'une chaine énergétique par le rapport de la quantité d'énergie utile (l'énergie lumineuse dans l'exemple précédent) sur la quantité d'énergie consommée (électrique dans l'exemple précédent) : $R={\frac {E_{util}}{E_{conso}}}$
Par exemple, calculons le rendement d'un four à micro-ondes de puissance électrique P = 1 000 W fonctionnant pendant deux minutes pour réchauffer une tasse de café, sachant qu'on peut facilement montrer que l'énergie fournie au café est $E_{util}=84kJ$ : $R={\frac {E_{util}}{E_{conso}}}={\frac {84.10^{3}}{1000\times 2\times 60}}\approx 0,70=70\%$