Physique-Chimie — 3ème
Formes, transferts et conversions de l'énergie — Physique-Chimie Troisième (chapitre 11)
L'énergie en troisième : formes cinétique, de position, thermique, électrique, chimique et lumineuse, sources d'énergie, transferts et conversions, chaîne…
Par ProfBot
Formes, transferts et conversions de l'énergie
Chapitre 11 — L'énergie, ses transferts et ses conversions · Classe de troisième
Le mot « énergie » est partout : on en consomme, on en économise, on en manque. En physique, il désigne une grandeur précise, qui se mesure et se compte — et qui obéit à une règle remarquable : elle ne se perd jamais. Ce chapitre pose le vocabulaire ; les trois suivants l'appliqueront au mouvement, puis à l'électricité.
Au programme officiel. Identifier les différentes formes d'énergie (thermique, électrique, chimique, lumineuse, cinétique, potentielle). Identifier les sources, les transferts et les conversions d'énergie. Établir un bilan énergétique pour un système simple. Conservation de l'énergie. (Programme de physique-chimie du cycle 4, BO n° 31 du 30 juillet 2020 ; la conservation de l'énergie est placée au niveau 3e par la ressource Eduscol.)
1. Les formes de l'énergie
Définition. Un système possède de l'énergie lorsqu'il peut provoquer des changements : mettre en mouvement, chauffer, éclairer, déformer. L'énergie se mesure en joules ($\mathrm{J}$).
| Forme | Un système en possède quand… | Exemple |
|---|---|---|
| Cinétique | il est en mouvement | une voiture qui roule |
| De position (potentielle) | il est en hauteur | un livre sur une étagère |
| Thermique | il est chaud | de l'eau bouillante |
| Électrique | un courant le traverse | un fil branché |
| Chimique | il peut réagir | l'essence, le sucre, une pile |
| Lumineuse | il rayonne | le Soleil, une lampe |
Les ordres de grandeur, en joules. Le joule est une toute petite unité :
| Énergie | Valeur approximative |
|---|---|
| Soulever une pomme d'un mètre | $1\ \mathrm{J}$ |
| Une barre chocolatée de $45\ \mathrm{g}$ | $1\ \mathrm{MJ}$, soit $10^{6}\ \mathrm{J}$ |
| Une journée de nourriture pour un adulte | environ $10\ \mathrm{MJ}$ |
| Un plein d'essence de $50\ \mathrm{L}$ | environ $1{,}6\times10^{9}\ \mathrm{J}$ |
Le kilowattheure. Sur une facture d'électricité, l'énergie n'est pas comptée en joules mais en kilowattheures ($\mathrm{kWh}$), une unité plus commode :
$1\ \mathrm{kWh} = 1000 \times 3600 = 3{,}6\times10^{6}\ \mathrm{J}$
On y reviendra au chapitre 14.
2. Sources, transferts, conversions
Trois mots à distinguer.
— Une source d'énergie est un système qui en fournit : le Soleil, le vent, un combustible, un aliment, une pile.
— Un transfert fait passer l'énergie d'un système à un autre, sans changer de forme.
— Une conversion change la forme de l'énergie à l'intérieur d'un système.
La chaîne énergétique se lit de gauche à droite : la pile possède de l'énergie chimique, qu'elle convertit en énergie électrique et transfère à l'ampoule ; l'ampoule la convertit en énergie lumineuse et thermique, qu'elle transfère à la pièce. Chaque case est un objet, chaque flèche un transfert, et le mot sous la case dit la forme que l'énergie y prend.
Méthode — construire une chaîne énergétique.
- Repérer la source (l'objet qui apporte l'énergie) et la placer à gauche.
- Suivre l'énergie d'objet en objet, une case par objet.
- Sous chaque case, écrire la ou les formes que l'énergie prend.
- Ne rien oublier à la sortie : il y a presque toujours de l'énergie thermique.
3. La conservation de l'énergie
Principe de conservation. L'énergie ne se crée pas et ne se détruit pas : elle se transfère et se convertit. Dans un système isolé, la quantité totale d'énergie reste constante.
Le pendule est l'exemple parfait. En haut, il est immobile : son énergie cinétique est nulle et son énergie de position maximale. En bas, c'est exactement l'inverse. Entre les deux, rien ne s'est perdu : l'énergie a changé de forme. Et s'il finit par s'arrêter, ce n'est pas parce que l'énergie a disparu — c'est que les frottements l'ont convertie en énergie thermique, dispersée dans l'air.
Attention au vocabulaire courant. « Consommer de l'énergie » et « perdre de l'énergie » sont des raccourcis : rien ne se consomme au sens propre. Ce qui se perd, c'est la possibilité de s'en servir — l'énergie devient thermique et se disperse.
4. Énergie utile, énergie perdue
Aucun appareil ne convertit la totalité de ce qu'il reçoit dans la forme qu'on souhaite.
Une ampoule à filament qui reçoit $100\ \mathrm{J}$ d'énergie électrique n'en restitue qu'environ $15\ \mathrm{J}$ sous forme de lumière : les $85\ \mathrm{J}$ restants partent en chaleur. Le bilan est pourtant exact — $15 + 85 = 100$ — car rien ne s'est perdu. Simplement, tout n'est pas utile.
Le rendement. C'est la part de l'énergie reçue qui est réellement utile :
$\text{rendement} = \frac{E_{\text{utile}}}{E_{\text{reçue}}}$
Pour l'ampoule à filament : $\dfrac{15}{100} = 0{,}15$, soit $15\ \%$. Une ampoule LED atteint environ $40\ \%$ — c'est pour cela qu'elle éclaire autant en consommant beaucoup moins, et qu'elle chauffe beaucoup moins.
5. Exercices corrigés
Exercice 1 — Nommer la forme. Quelle forme d'énergie possède : (a) un skieur en haut d'une piste ; (b) le même skieur lancé à pleine vitesse ; (c) un radiateur allumé ; (d) une pile neuve ?
(a) énergie de position ; (b) énergie cinétique ; (c) énergie thermique (et électrique en entrée) ; (d) énergie chimique.
Exercice 2 — Chaîne énergétique. Construire la chaîne énergétique d'un ventilateur branché sur le secteur.
Secteur (énergie électrique) → moteur du ventilateur (conversion en énergie cinétique, et un peu de thermique) → air (énergie cinétique). Le moteur chauffe : la chaîne se termine aussi par de l'énergie thermique.
Exercice 3 — Conservation. Une bille lâchée d'une hauteur possède $12\ \mathrm{J}$ d'énergie de position. Juste avant de toucher le sol, son énergie de position est nulle. Quelle est son énergie cinétique à cet instant, si l'on néglige les frottements ?
L'énergie se conserve : les $12\ \mathrm{J}$ d'énergie de position se sont entièrement convertis en énergie cinétique, qui vaut donc $12\ \mathrm{J}$.
Exercice 4 — Bilan d'un appareil. Un moteur électrique reçoit $500\ \mathrm{J}$ et fournit $350\ \mathrm{J}$ d'énergie cinétique. (a) Quelle énergie a été perdue, et sous quelle forme ? (b) Calculer son rendement.
(a) $500 - 350 = 150\ \mathrm{J}$, perdus essentiellement en énergie thermique (échauffement du moteur).
(b) $\frac{350}{500} = 0{,}70 = 70\ \%$
Exercice 5 — Comparer deux ampoules. Pour la même énergie reçue de $100\ \mathrm{J}$, une ampoule à filament donne $15\ \mathrm{J}$ de lumière, une LED $40\ \mathrm{J}$. Combien de fois la LED est-elle plus efficace ?
$\frac{40}{15} \approx 2{,}7$
La LED est environ 2,7 fois plus efficace.
Exercice 6 — Convertir. Une famille consomme $9\ \mathrm{kWh}$ dans la journée. Exprimer cette énergie en joules.
$E = 9 \times 3{,}6\times10^{6} = 3{,}24\times10^{7}\ \mathrm{J}$
Exercice 7 — Vrai ou faux. « Quand une voiture freine, son énergie cinétique disparaît. » Justifier.
Faux. Elle ne disparaît pas : elle est convertie en énergie thermique par les frottements des freins — qui chauffent, parfois beaucoup. Certaines voitures électriques en récupèrent d'ailleurs une partie sous forme d'énergie électrique.
L'essentiel du chapitre
- L'énergie se mesure en joules ($\mathrm{J}$) ; $1\ \mathrm{kWh} = 3{,}6\times10^{6}\ \mathrm{J}$.
- Six formes à connaître : cinétique, de position, thermique, électrique, chimique, lumineuse.
- Un transfert déplace l'énergie ; une conversion en change la forme.
- La chaîne énergétique : une case par objet, une flèche par transfert, la forme sous chaque case.
- L'énergie se conserve : elle ne se crée ni ne se détruit.
- Ce qu'on appelle « perte » est de l'énergie thermique dispersée ; le rendement est la part réellement utile.