Chapitre 1 — Énergie et puissance électrique
1ère STI2D • Sciences Physiques
Notions / contenus
- Gestion de l’énergie dans l’habitat
- Énergie, puissance, conservation, rendement
Capacités attendues
- Citer différentes formes d’énergie présentes dans l’habitat
- Exploiter la relation puissance–énergie
- Donner des ordres de grandeur des puissances utilisées
I) L’énergie \(E\)
I-1 Définition
L’énergie est la capacité d’un système à produire un travail (mouvement), de la lumière ou de la chaleur. C’est une grandeur physique qui caractérise l’état d’un système.
Unité légale : \(E\) et \(W\) en joule : \(J\)
Repère : \(1\,W \cdot s = 1\,J\)
Unités d’énergie (selon l’usage)
| Unité | Équivalence (en J) | Usage |
|---|---|---|
| kWh (kilowattheure) | \(1\,kWh = 3{,}6 \times 10^6\,J\) | Énergie domestique / facturation |
| tep (tonne équivalent pétrole) | \(1\,tep = 4{,}2 \times 10^{10}\,J\) | Économie / bilans énergétiques |
| eV (électronvolt) | \(1\,eV = 1{,}6 \times 10^{-19}\,J\) | Physique atomique |
| cal (calorie) | \(1\,cal = 4{,}18\,J\) | Diététique |
I-2 Différentes formes d’énergie (dans l’habitat)
- Énergie cinétique (augmente avec la vitesse et la masse)
- Énergie potentielle de pesanteur (augmente avec l’altitude et la masse)
- Énergie chimique (réactifs → chaleur, etc.)
- Énergie thermique (chauffage)
- Énergie électrique (appareils domestiques)
- Énergie lumineuse (lampes)
- Nucléaire → électrique (centrales)
II) La puissance \(P\)
II-1 Définition
La puissance échangée est le rapport de l’énergie échangée par la durée de l’échange :
\[ P = \frac{E}{\Delta t} \]
Unités : \(P\) en \(W\), \(E\) en \(J\), \(\Delta t\) en \(s\).
Relation équivalente : \[ E = P \cdot \Delta t \]
Dans l’habitat, l’énergie est souvent en kWh. Exemple : \(1\,kWh = 3{,}6 \times 10^6\,J\).
Deux haltérophiles fournissent la même énergie \(E = 2\,kJ\) en soulevant une masse \(m = 100\,kg\) sur \(2\,m\). Le premier met \(t_1=1\,s\), le second \(t_2=1{,}5\,s\). Calculer \(P_1\) et \(P_2\) puis comparer.
Conclusion : à énergie égale, plus la durée est faible, plus la puissance est grande.
Un lave-linge nécessite \(P = 3000\,W\) pendant \(t = 2\,h\). Calculer l’énergie consommée en \(kWh\) puis en joules. S’il est utilisé 100 fois/an et que le prix est 13 centimes par \(kWh\), calculer le coût annuel.
II-2 Ordres de grandeur (puissance des appareils)
| Appareil | Puissance typique |
|---|---|
| Frigo | 150–350 W |
| Lave-vaisselle | ≈ 1200 W |
| Cafetière | 500–1000 W |
| Hotte | 70–150 W |
| Four à micro-ondes | 1000–1500 W |
| Four électrique | 2000–2500 W |
| TV | 90–350 W |
| Éclairage | 10–25 W |
| Lampe halogène | ≈ 300 W |
| Console de jeux | 20–180 W |
| Sèche-linge | 2500–3000 W |
| Lave-linge | 2500–3000 W |
| Fer à repasser | 750–1100 W |
| Aspirateur | 650–800 W |
| PC de bureau | 70–120 W |
| Téléphone portable | 5–10 W |
| Radio-réveil | 5–10 W |
| Rasoir électrique | 8–12 W |
| Chauffage d’appoint | 1000–2000 W |
| Sèche-cheveux | 300–600 W |
Calculer l’énergie dépensée en \(kWh\) par an pour une console de puissance \(P = 180\,W\) utilisée 1 heure par jour.
III) Conservation de l’énergie et rendement
III-1 Conservation
Énergie absorbée = énergie utile + énergie perdue :
\[ E_a = E_u + E_p \]
On peut aussi écrire la conservation des puissances :
\[ P_a = P_u + P_p \]
En général, l’énergie perdue est souvent sous forme de chaleur.
Dessiner le schéma du bilan d’énergie pour : lampe électrique, lave-vaisselle, chaudière au fioul, ordinateur. Indiquer l’énergie reçue, l’énergie utile, l’énergie perdue et écrire l’équation de conservation.
III-2 Rendement d’un appareil
Le rendement est le rapport « utile / absorbé » :
\[ r = \frac{P_u}{P_a} = \frac{E_u}{E_a} \]
Le rendement est sans unité (rapport de grandeurs de même unité).
Une chaudière fournit \(P_u = 100\,kW\) mais reçoit \(P_a = 108\,kW\) (pertes). 1) Donner \(P_u\), \(P_a\), \(P_p\). 2) Calculer \(r\).
flowchart TB A["Energie recue
ELECTRIQUE"] --> B["CONVERTISSEUR
LAMPE"] B --> C["Energie utile
LUMINEUSE"] B --> D["Energie perdue
THERMIQUE"] E["Conservation : Ea = Eu + Ep"]:::eq B --- E