Lycée · 2ⁿᵈᵉ · Physique-Chimie (2nde)
Bilan énergétique d'un système
Conversions et transferts d'énergie : formes d'énergie, conservation et rendement (programme de 2nde, lycée général)
À propos de cette page
Ce cours de physique-chimie (2nde) en seconde sur « Bilan énergétique d'un système » suit le programme officiel de physique-chimie (2nde) de seconde. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : Notion de système et d'énergie, Les formes d'énergie, Transferts d'énergie : travail et transfert thermique, Conservation de l'énergie. Chaque notion est expliquée pas à pas, puis mise en pratique grâce à des exercices interactifs, un QCM et une évaluation corrigée. Idéal pour réviser à son rythme, combler ses lacunes et progresser, en autonomie ou avec un professeur. Cours rédigé par un professeur particulier à Marseille pour aider les élèves de seconde à réussir en physique-chimie (2nde).
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Notion de système et d'énergie
En physique, on appelle système l'objet ou l'ensemble d'objets que l'on étudie. Tout ce qui n'est pas le système constitue le milieu extérieur (ou environnement).
Définition. L'énergie est la capacité d'un système à produire un effet (mettre en mouvement, chauffer, éclairer...). Son unité dans le Système International (SI) est le joule (J).
D'autres unités d'énergie sont couramment utilisées :
| Unité | Valeur en joules | Contexte |
|---|---|---|
| Kilowatt-heure (kWh) | $1\text{ kWh} = 3{,}6 \times 10^6\text{ J}$ | Électricité domestique |
| Calorie (cal) | $1\text{ cal} \approx 4{,}18\text{ J}$ | Nutrition |
| Électron-volt (eV) | $1\text{ eV} \approx 1{,}6 \times 10^{-19}\text{ J}$ | Physique atomique |
Astuce. Pour convertir des kWh en joules : multiplier par $3{,}6 \times 10^6$. Exemple : $2\text{ kWh} = 2 \times 3{,}6 \times 10^6 = 7{,}2 \times 10^6\text{ J}$.
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Les formes d'énergie
Un système peut stocker ou échanger de l'énergie sous différentes formes. Au programme de 2nde, on distingue principalement :
| Forme d'énergie | Notation | Formule | Définition |
|---|---|---|---|
| Énergie cinétique | $E_c$ | $E_c = \frac{1}{2}mv^2$ | Énergie liée au mouvement ($m$ en kg, $v$ en m/s) |
| Énergie potentielle de pesanteur | $E_{pp}$ | $E_{pp} = mgh$ | Énergie liée à la hauteur ($g \approx 9{,}8\text{ N/kg}$, $h$ en m) |
| Énergie potentielle élastique | $E_{pe}$ | $E_{pe} = \frac{1}{2}k(\Delta l)^2$ | Énergie stockée dans un ressort ($k$ en N/m) |
| Énergie interne (thermique) | $U$ | Variation $\Delta U$ | Énergie liée à l'agitation des particules |
| Énergie chimique | $E_{chim}$ | — | Énergie stockée dans les liaisons chimiques |
| Énergie rayonnante | $E_{ray}$ | — | Énergie transportée par les ondes électromagnétiques |
Exemple. Un cycliste de masse $m = 70\text{ kg}$ roule à $v = 10\text{ m/s}$. Son énergie cinétique est : $E_c = \frac{1}{2} \times 70 \times 10^2 = 3500\text{ J} = 3{,}5\text{ kJ}$.
Attention ! La hauteur $h$ dans $E_{pp} = mgh$ doit toujours être mesurée par rapport à un référentiel choisi (niveau de référence). On choisit généralement le point le plus bas du trajet.
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Transferts d'énergie : travail et transfert thermique
Un système peut échanger de l'énergie avec son environnement par deux mécanismes :
Le travail $W$ est un transfert d'énergie associé à l'action d'une force. Unité : joule (J). Il peut être positif (force motrice), négatif (force résistante) ou nul.
Le transfert thermique $Q$ (chaleur) est un transfert d'énergie dû à une différence de température. L'énergie passe spontanément du corps le plus chaud vers le plus froid. Unité : joule (J).
Convention de signe :
- $W > 0$ : le milieu extérieur fournit du travail au système (le système reçoit de l'énergie).
- $W < 0$ : le système fournit du travail au milieu extérieur (le système cède de l'énergie).
- $Q > 0$ : le système reçoit de la chaleur (chauffe).
- $Q < 0$ : le système cède de la chaleur (refroidit).
Astuce. Pour un système, l'énergie reçue est positive (entrée), l'énergie cédée est négative (sortie). Penser à un compte bancaire : entrée = crédit, sortie = débit.
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Conservation de l'énergie
Le principe fondamental de la physique énergétique est la conservation de l'énergie.
Premier principe de la thermodynamique (version 2nde). Pour un système fermé, la variation d'énergie totale $\Delta E$ est égale à la somme des transferts d'énergie reçus :
$$\Delta E = W + Q$$
où $W$ est le travail reçu et $Q$ le transfert thermique reçu algébriquement.
$$\Delta E = W + Q$$
où $W$ est le travail reçu et $Q$ le transfert thermique reçu algébriquement.
Pour un système isolé (pas d'échange avec l'extérieur) : $\Delta E = 0$, donc $E = \text{constante}$.
Exemple. Un radiateur électrique reçoit $W = 1000\text{ J}$ d'énergie électrique et ne cède pas de chaleur à l'extérieur. Sa variation d'énergie interne est : $\Delta U = W + Q = 1000 + 0 = 1000\text{ J}$.
Attention ! Dans la réalité, aucun système n'est parfaitement isolé. Il y a toujours des pertes thermiques. L'énergie totale se conserve, mais une partie devient « dégradée » sous forme de chaleur inutilisable.
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Chaîne énergétique
Une chaîne énergétique représente schématiquement comment l'énergie se transforme et se transfère à travers un système ou une série de systèmes. Elle permet de visualiser :
- La source d'énergie (entrée)
- Les convertisseurs (transformateurs d'énergie)
- Les récepteurs (utilisation finale)
- Les pertes (énergie dissipée sous forme de chaleur)
Exemple — Ampoule à incandescence vs LED.
Pour une ampoule à incandescence de 100 W, environ 95 J/s sont perdus en chaleur, seulement 5 J/s deviennent lumière.
Pour une LED de 10 W équivalente, environ 7 J/s deviennent lumière, seulement 3 J/s sont perdus en chaleur.
Pour une ampoule à incandescence de 100 W, environ 95 J/s sont perdus en chaleur, seulement 5 J/s deviennent lumière.
Pour une LED de 10 W équivalente, environ 7 J/s deviennent lumière, seulement 3 J/s sont perdus en chaleur.
Astuce. Dans une chaîne énergétique, la somme de toutes les énergies en sortie est toujours égale à l'énergie en entrée (conservation). La chaleur dissipée est une forme d'énergie « perdue » pour l'usage voulu, mais pas détruite.
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Rendement d'un système
Le rendement (noté $\eta$, lettre grecque « êta ») mesure l'efficacité d'un système à convertir l'énergie reçue en énergie utile.
Définition du rendement.$$\eta = \frac{E_{\text{utile}}}{E_{\text{consommée}}} = \frac{P_{\text{utile}}}{P_{\text{consommée}}}$$
Le rendement est un nombre sans unité, compris entre 0 et 1 (ou entre 0 % et 100 %).
Le rendement est un nombre sans unité, compris entre 0 et 1 (ou entre 0 % et 100 %).
On peut aussi l'exprimer en pourcentage : $\eta_{\%} = \eta \times 100$.
Exemple. Un moteur électrique consomme $E_{\text{conso}} = 500\text{ J}$ et produit $E_{\text{utile}} = 350\text{ J}$ d'énergie mécanique. Son rendement est :
$\eta = \frac{350}{500} = 0{,}70 = 70\%$
Les $150\text{ J}$ restants sont dissipés sous forme de chaleur.
$\eta = \frac{350}{500} = 0{,}70 = 70\%$
Les $150\text{ J}$ restants sont dissipés sous forme de chaleur.
Attention ! Le rendement est toujours strictement inférieur à 1 (ou 100 %) dans la réalité, car il y a toujours des pertes. Un système avec $\eta = 1$ serait une machine parfaite impossible à construire.
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Bilan énergétique global
Le bilan énergétique d'un système consiste à :
- Identifier le système étudié et les échanges d'énergie avec l'extérieur.
- Lister toutes les formes d'énergie entrant et sortant.
- Appliquer la conservation de l'énergie.
- Calculer le rendement si nécessaire.
Bilan énergétique complet.$$E_{\text{entrée}} = E_{\text{utile}} + E_{\text{pertes}}$$soit : $E_{\text{pertes}} = E_{\text{entrée}} - E_{\text{utile}} = E_{\text{entrée}} \times (1 - \eta)$
Exemple — Chauffe-eau électrique.
Un chauffe-eau consomme $E_{\text{élec}} = 3\text{ kWh}$ et chauffe l'eau avec un rendement $\eta = 95\%$.
Énergie utile : $E_{\text{utile}} = 0{,}95 \times 3 = 2{,}85\text{ kWh}$
Pertes thermiques : $E_{\text{pertes}} = 3 - 2{,}85 = 0{,}15\text{ kWh}$
Un chauffe-eau consomme $E_{\text{élec}} = 3\text{ kWh}$ et chauffe l'eau avec un rendement $\eta = 95\%$.
Énergie utile : $E_{\text{utile}} = 0{,}95 \times 3 = 2{,}85\text{ kWh}$
Pertes thermiques : $E_{\text{pertes}} = 3 - 2{,}85 = 0{,}15\text{ kWh}$
Méthode pas-à-pas pour un bilan énergétique.
1. Définir le système et son environnement.
2. Identifier la forme d'énergie fournie (électrique, chimique, mécanique...).
3. Identifier l'énergie utile souhaitée.
4. Calculer les pertes = entrée − utile.
5. Calculer le rendement = utile / entrée.
1. Définir le système et son environnement.
2. Identifier la forme d'énergie fournie (électrique, chimique, mécanique...).
3. Identifier l'énergie utile souhaitée.
4. Calculer les pertes = entrée − utile.
5. Calculer le rendement = utile / entrée.
En bref
- L'énergie se mesure en joules (J) ; $1\text{ kWh} = 3{,}6 \times 10^6\text{ J}$.
- Formes principales : cinétique $E_c = \frac{1}{2}mv^2$, potentielle $E_{pp} = mgh$, interne, chimique, rayonnante.
- Transferts : travail $W$ (force) et chaleur $Q$ (différence de température).
- Conservation : $\Delta E = W + Q$ pour un système fermé.
- Rendement : $\eta = \frac{E_{\text{utile}}}{E_{\text{consommée}}} \leq 1$ (toujours inférieur à 1 en réalité).
- Bilan : $E_{\text{entrée}} = E_{\text{utile}} + E_{\text{pertes}}$.
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