La conservation de l énergie

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1 Sciences physiques La conservation de l énergie Principe fondamental en sciences C.F.A du bâtiment Ermont 1

2 Au-delà du fait que peut-être, dans l univers, toute la matière et ses échanges peuvent être reformulés en termes d énergie, de forme d énergie et d échanges d énergie, ce qui en soit mériterait que l on se penche un peu dessus, l énergie est aussi à l origine du terme qui désigne votre filière professionnelle : l énergétique. Alors, sans viser ni même espérer viser l expertise en matière d énergie, il s agit tout de même pour nous d avoir des connaissances suffisantes, robustes et opérationnelles de ce concept scientifique. L énergie est un concept fondamental en sciences, tellement fondamental qu on n arrive pas à en donner une véritable définition. Plus précisément, on en donne une définition à travers ses effets, et non une définition directe : L'énergie est, en science physique, une mesure de la capacité d'un système à : Soit modifier un état, Soit à produire un travail entraînant un mouvement, un rayonnement électromagnétique ou de la chaleur. En sciences, l'énergie s'exprime en joules (J). Mais vous savez que le joule est trop petit pour être pratique dans le bâtiment : à certaines occasions, on lui préfère le Wh ou le kwh. Qui s est amusé avec ma montre? 2

3 La conservation de l énergie La conservation de l énergie est un principe fondamental en sciences physiques. Ce principe est très simple à comprendre, vraiment très simple, mais il faut juste faire attention de ne pas lui faire dire n importe quoi. Tentons donc de l énoncer de façon claire, en prenant sa version courante : Dans un système isolé, l énergie totale de ce système reste invariante au cours du temps. Il s agit donc de bien comprendre ce que l on appelle système isolé. Un système isolé est un système qui n a aucun échange avec l extérieur : ni échange de chaleur, ni échange de travail, ni échange de rayonnement : rien, aucun échange. Ce que dit le principe de conservation de l énergie, c est que dans un tel système, même si le système se transforme, son énergie totale est conservée, elle est constante. Par exemple, de la chaleur pourra avoir donné du mouvement, ou de l électricité, ou toute autre forme d énergie, mais le total de toutes les énergies reste constant. Remarques : Des systèmes véritablement isolés n'existent pas dans la réalité. Cependant, un système réel peut se comporter comme un système isolé avec une bonne approximation. Si on considère l univers dans son ensemble, tout entier, c est un système isolé. Le principe de conservation d énergie permet donc aussi de penser que l énergie présente dans l univers aujourd hui était déjà présente au début de son histoire et n a depuis jamais varié. Certains inversent même les rôles dans leur modèle scientifique : l énergie est alors définie par sa conservation. 3

4 Problème 1 : étude d un mélange de 2 liquides Nous disposons de deux récipients qui contiennent tous deux de l eau. On note : V 1 le volume d eau contenue dans le récipient 1 et T 1 sa température, V 2 le volume d eau contenue dans le récipient 2 et T 2 sa température. On mélange ces deux volumes d eau, et l on obtient un volume V qui est V = V 1 + V 2. Jusque là, tout va bien. Maintenant, le but du problème : essayer de deviner quelle va être la température du mélange obtenu. On partira du principe que le mélange a été fait assez rapidement pour que rien n ait le temps de refroidir ou autrement dit, on considère le système comme isolé. Questions préalables : Qu est-ce qui est le plus énergétique (c'est-à-dire qui possède le plus d énergie)? De l eau froide De l eau chaude C est pareil De quels renseignements avons-nous besoin pour déterminer la température du mélange? Que se passerait-il si on ne faisait pas les mesures de températures rapidement? Savez-vous ce que signifie adiabatique? 4

5 Essai 1 : V 1 = V 2 = 10 L T 1 = 10 C T 2 = 70 C Essai 2 : Plus dur : cette fois, on a deux volumes différents V 1 = 15 L V 2 = 5 L T 1 = 10 C T 2 = 70 C 5

6 Problème 2 : étude de la chute d un corps Dans ce problème, nous allons étudier la chute libre d un corps dans une version simplifiée : nous négligerons les forces de frottement dans l air. Autrement dit, nous allons faire de la physique «dans le vide». Pour que nos calculs restent proches de la réalité, nous devrons donc considérer des objets denses, aux formes compactes, comme une bille d acier, tout le contraire d une feuille ou d une plume. L énergie potentielle E p d un objet est liée à son altitude : Si on note : h l altitude en m de l objet m la masse en kg de l objet g la constante de gravitation en N/kg alors on a : E p = m. g. h L énergie cinétique E c d un objet est liée à sa vitesse : Si on note : v la vitesse en m/s de l objet m la masse en kg de l objet alors on a : E c = 2. m. v² On définit ensuite l énergie totale E t de l objet : E t = E p + E c Dans le cas de la chute d un corps sans frottement dans l air, on peut considérer qu au cours de la chute, l énergie potentielle se transforme intégralement en énergie cinétique, si bien que l énergie totale reste constante. Remarque : pour une étude plus complète, voir le dossier dédié à l énergie mécanique. Ces principes étant fixés, nous pouvons désormais les appliquer à la résolution du problème de la chute des corps sans frottement. 6

7 Dans tout le problème, la constante g prendra la valeur g = 10 N/kg 1) Objet n 1 : Sa masse vaut m = 10g soit 0,01kg. Il est lâché sans vitesse initiale d une hauteur h. Il touche le sol avec une vitesse v. Calculer v dans le cas où : a) h = 3 m b) h = 10 m c) h = 30 m d) h = 100 m 2) Objet n 2 : Sa masse vaut m = 10g soit 0,01kg. Il est lâché sans vitesse initiale d une hauteur h. Il touche le sol avec une vitesse v. Calculer h dans le cas où : a) v = 2 m/s b) v= 20 m/s 7

8 3) Objet n 3 : Sa masse vaut m = 1kg. Il est lâché sans vitesse initiale d une hauteur h. Il touche le sol avec une vitesse v. Calculer v dans le cas où : a) h = 3 m b) h = 10 m c) h = 30 m d) h = 100 m 4) Comparez vos résultats obtenus pour les objets n 1 et n 3. En l absence de frottement dans l air, la vitesse v dépend-elle de la masse m de l objet? Pouvons-nous le démontrer? Remarque : nous découvrirons dans le dossier dédié à l énergie mécanique que nos calculs resteraient valables dans le cas du pendule, comme on dit en sciences, ou de la balançoire comme on dirait au quotidien. 8

9 Déperditions d énergie et isolation Nous venons de découvrir et d appliquer le principe de conservation au cours du temps de l énergie totale d un système isolé Mais nous savons bien que dans la réalité physique, et en particulier dans le bâtiment, un système n est jamais isolé au sens des sciences physiques, c'est-à-dire jamais isolé parfaitement. Un bâtiment laisse toujours s échapper de la chaleur, qui s en va dans l atmosphère. On retrouve un parallèle entre le vocabulaire scientifique et le vocabulaire du bâtiment. Il faut isoler les bâtiments quand on cherche à éviter au maximum les déperditions d énergie. Parfois, on emploie le mot dissipations au lieu de déperditions. 9

10 Transformation de l énergie, pertes et rendement L énergie est une grandeur qui peut prendre plusieurs formes, nous l avons vu, et il arrive souvent que pour l utiliser, nous souhaitions la transformer d une forme en une autre : Transformer de la chaleur en mouvement (moteur thermique) Transformer de l électricité en mouvement (moteur électrique) Transformer de la chaleur en électricité (turbines) Transformer de l énergie chimique en électricité (pile), de l énergie électrique en énergie chimique (batteries en charge), ou en énergie thermique (chauffage électrique, grille-pain, ), ou rayonnante (éclairage par LED), etc etc etc. Simplement, la conversion parfaite, intégrale, d une forme en une autre reste inaccessible. A chaque transformation, il y aura des pertes d énergie. Pour faire simple, on peur dire que vous en récupérez moins «à la sortie» que ce que vous avez mis «en entrée». Ce qu il s est passé, c est qu une partie de cette énergie est partie en chaleur. On parle alors de dissipation, de déperdition, de perte. Quand l énergie perdue est électrique, on appelle ce principe l effet Joule, ou perte par effet Joule pour être plus précis. Si on pense aux questions environnementales et aux questions financières, on se rend compte que nous perdons de l énergie à chaque transformation, et que c est un problème qu il faut prendre en compte. Ce qu il faut, c est faire diminuer les pertes d énergie, et donc augmenter le rendement de nos processus de transformation tout en limitant leur nombre. Remarques : Cette énergie perdue pour le système n est pas réellement disparue : elle est simplement dissipée dans l environnement. Le principe de conservation d énergie dans un système isolé est bien valable, mais aucun système n est réellement isolé dans nos expériences ou notre quotidien. L effet joule, qui consiste à chauffe un conducteur électrique, n est pas obligatoirement un souci : on sait l utiliser pour fabriquer des appareils chauffant. 10

11 Synthèse L énergie est ce qui permet à un système d effectuer un travail au sens physique : une action mécanique (mise en mouvement, déformation, ) un rayonnement électromagnétique (émission de lumière par exemple) un apport de chaleur L unité scientifique officielle de l énergie est le Joule (J). Le Joule étant une toute petite unité relativement à nos préoccupations, dans la pratique, il nous arrive souvent d utiliser le Wattheure (Wh), voire le kwh. Pour rappel : 1 Wh = 3600 J, et donc 1 kwh = J En sciences, il existe un principe fondamental: celui de la conservation de l énergie totale d un système isolé. Ce principe énonce que dans un système physique clos, l énergie contenue dans le système reste constante au cours du temps. Autrement dit, l énergie présente dans le système ne peut augmenter ni diminuer. Rien ne peut être perdu «nulle part» ni venir de «nulle part». Bien entendu, à l intérieur-même de ce système clos, on peut observer des variations d énergie, sous forme d échange. Remarque : le seul système parfaitement isolé est l Univers lui-même. Mais c est une autre histoire Transformer une forme d énergie en une autre forme d énergie fait toujours perdre un peu de cette énergie, sous forme de chaleur qui se dissipe (s échappe). On parle de pertes, de déperditions, de dissipations ou autres expressions suivant le contexte. 11

12 L exemple typique est une ampoule électrique allumée, et qui va chauffer, ce qui est une perte d énergie, puisqu on lui demande surtout d éclairer. Cet effet s appelle l effet Joule. Énergie thermique dissipée Énergie absorbée Énergie restituée Pour économiser de l énergie, on travaille donc à améliorer les rendements. Les débats portent sur le caractère polluant ou non de certaines énergies, sur leur caractère plus ou moins renouvelable, sur leur dangerosité, leur coût ainsi que sur leur exploitation et partage. Un point très important sur lequel tout le monde est d accord : il faut économiser l énergie. Pour cela, plusieurs axes d amélioration existent : Ne plus gaspiller d énergie pour quelque chose d inutile ou d évitable (veille des appareils électriques par exemple). Remplacer les sources d énergies non renouvelables ou polluantes par d autres sources qui améliorent la situation. Améliorer les rendements des systèmes qui utilisent de l énergie (chaudières, appareils, véhicules, ). Éviter les déperditions. Dans le bâtiment, c est devenu une préoccupation majeure, et ça le sera de plus en plus : nous apportons donc un soin particulier désormais à concevoir des bâtiments bien isolés. 12