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Énergie : formes, conversions et chaînes énergétiques
Rappels de 6e (formes d’énergie, énergies stockées ou de transfert, convertisseurs, chaîne énergétique) ; énergie cinétique et de position selon la masse ; réservoir, convertisseur, transfert et conversion ; énergie utile et énergie dissipée dans une chaîne énergétique ; le joule et ses multiples, ordres de grandeur ; conservation de l’énergie, bilan et rendement.
À propos de cette page
Les formes d’énergie
« Ce goûter me donne de l’énergie », « cette voiture consomme beaucoup d’énergie »… En physique, l’énergie est une grandeur précise : c’est ce qui permet de mettre un objet en mouvement, de le chauffer, d’éclairer ou de faire fonctionner un appareil.
• Elle existe sous sept formes : énergie cinétique (liée au mouvement), énergie de position (liée à l’altitude ; on l’appelait « énergie de pesanteur » en 6ᵉ, on dit aussi énergie potentielle), énergie chimique, thermique, électrique, lumineuse et nucléaire.
• L’énergie cinétique d’un objet dépend de sa vitesse et de sa masse ; son énergie de position dépend de son altitude et de sa masse.
• Rappel de 6ᵉ : les énergies cinétique, de position, chimique, thermique et nucléaire peuvent être stockées ; les énergies électrique et lumineuse sont des énergies de transfert : elles n’existent que pendant leur passage d’un objet à un autre.
Les sept formes d’énergie
| Forme d’énergie | On la repère… | Exemples |
|---|---|---|
| cinétique | à un mouvement | un kayak qui file sur la rivière, une balle de tennis frappée |
| de position | à une altitude : l’objet est en hauteur | l’eau d’un château d’eau, une luge arrêtée en haut d’une piste |
| chimique | à la matière qui peut brûler ou réagir | un plat de pâtes, le gazole d’un tracteur, le bois d’une cheminée |
| thermique | à un objet chaud | une casserole d’eau bouillante, la braise d’un feu |
| électrique | au courant électrique | le courant dans le cordon d’une imprimante |
| lumineuse | à la lumière | la lumière d’un lampadaire, celle d’une étoile |
| nucléaire | au noyau des atomes | le combustible d’un sous-marin nucléaire, le cœur des étoiles |
Ce qui fait varier l’énergie cinétique et l’énergie de position
Pour un même objet, plus il va vite, plus son énergie cinétique est grande ; plus il est haut, plus son énergie de position est grande (vu en 6ᵉ). Nouveau en 5ᵉ : la masse compte aussi. À la même vitesse, un objet plus lourd a plus d’énergie cinétique ; à la même altitude, un objet plus lourd a plus d’énergie de position. La formule qui calcule l’énergie cinétique se verra en 3ᵉ.
Quand un objet tombe, son altitude diminue et sa vitesse augmente : son énergie de position diminue tandis que son énergie cinétique augmente. L’énergie change de forme.
Je prévois, je teste, j’observe, je conclus. Je prévois : « à la même vitesse, la bille la plus lourde poussera plus loin une petite boîte ». Je teste avec deux billes de même taille, l’une en acier, l’autre en verre (plus légère), lâchées du même point d’une gouttière en pente : elles arrivent en bas à la même vitesse et heurtent une boîte en carton. J’observe : la bille en acier pousse la boîte plus loin. Je conclus : à vitesse égale, l’objet le plus lourd a le plus d’énergie cinétique.
Un ballon de rugby en plein vol au-dessus du terrain : il est en hauteur (énergie de position) et il avance (énergie cinétique).
Un pot de miel dans un placard : énergie chimique, stockée ; le corps la libérera en digérant le miel.
Un bus et un scooter côte à côte à 30 km/h : même vitesse, mais le bus a une masse bien plus grande ; c’est lui qui a le plus d’énergie cinétique.
Réflexe — pour nommer une forme d’énergie, je me demande : l’objet est-il en mouvement ? en hauteur ? chaud ? peut-il brûler ou réagir ? est-ce du courant, de la lumière, le noyau des atomes ? Pour comparer, je regarde la vitesse et la masse (cinétique), l’altitude et la masse (position).
Attention — « le plus rapide a le plus d’énergie cinétique » n’est vrai que pour des objets de même masse : un camion qui roule au pas peut avoir plus d’énergie cinétique qu’un cycliste lancé à pleine vitesse.
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Réservoirs, convertisseurs et transferts
Une énergie ne sert que si elle passe d’un objet à un autre ou si elle change de forme. Trois mots permettent de décrire ce qui se passe : réservoir, convertisseur et transfert.
• Rappel de 6ᵉ : un convertisseur reçoit de l’énergie sous une forme et la fournit sous une ou plusieurs autres formes : il réalise une conversion d’énergie.
• Un transfert d’énergie fait passer l’énergie d’un objet à un autre : par le courant électrique, par la lumière, par une action mécanique (une courroie, un axe qui tourne) ou par échauffement, toujours du plus chaud vers le plus froid.
• Dans un transfert, l’énergie change d’objet ; dans une conversion, elle change de forme. On le dit avec rigueur : « l’énergie chimique de la pile est convertie en énergie électrique, transférée à la lampe ».
Des convertisseurs à connaître
| Convertisseur | Énergie reçue | Énergie fournie (surtout) |
|---|---|---|
| moteur électrique | électrique | cinétique |
| alternateur (dans une centrale, une éolienne) | cinétique | électrique |
| lampe | électrique | lumineuse |
| panneau photovoltaïque | lumineuse | électrique |
| pile qui alimente un circuit | chimique (stockée dans la pile) | électrique |
| batterie qu’on recharge | électrique | chimique (stockée) |
| moteur à essence ou à gazole | chimique | cinétique |
| radiateur électrique | électrique | thermique |
| muscles | chimique (des aliments) | cinétique |
| plante verte (photosynthèse) | lumineuse | chimique |
Une pile est à la fois un réservoir (elle stocke de l’énergie chimique) et un convertisseur (quand le circuit est fermé, elle convertit cette énergie chimique en énergie électrique).
Transfert ou conversion ?
| Situation | Ce qui se passe |
|---|---|
| Le courant passe de la prise à un ordinateur. | transfert électrique : l’énergie change d’objet |
| L’axe d’une éolienne entraîne son alternateur. | transfert mécanique (énergie cinétique), puis conversion en énergie électrique dans l’alternateur |
| Un lézard se réchauffe sur une pierre chaude. | transfert thermique : de la pierre (plus chaude) au lézard (plus froid) |
| Le Soleil chauffe une terrasse. | transfert par la lumière, puis conversion de l’énergie lumineuse en énergie thermique dans la terrasse |
« Produire » et « consommer » de l’énergie ?
Dans la vie courante, on dit qu’une centrale « produit » de l’électricité et qu’un appareil « consomme » de l’énergie. En physique, une centrale convertit une énergie (nucléaire, chimique, cinétique…) en énergie électrique, et un appareil reçoit de l’énergie qu’il convertit : aucun des deux ne crée ni ne détruit d’énergie.
Je prévois, je teste, j’observe, je conclus. Je prévois : « si je fais tourner à la main l’axe d’un petit moteur relié à une DEL, la DEL va s’allumer ». Je teste en tournant l’axe de plus en plus vite, dans un sens puis dans l’autre. J’observe : la DEL s’allume quand l’axe tourne vite dans le bon sens. Je conclus : un moteur peut fonctionner « à l’envers » ; il convertit alors l’énergie cinétique en énergie électrique, comme un alternateur.
Une console portable. Sa batterie est le réservoir ; le courant dans les fils réalise le transfert électrique ; l’écran est un convertisseur : il convertit l’énergie électrique en énergie lumineuse.
Un barbecue. « L’énergie chimique du charbon de bois est convertie en énergie thermique (et un peu lumineuse : les braises rougeoient), transférée aux brochettes. »
Réflexe — je me demande si l’énergie change d’objet (transfert) ou de forme (conversion) ; puis si l’objet garde l’énergie (réservoir) ou change sa forme (convertisseur).
Attention — on ne dit pas « le moteur fabrique de l’énergie » : il la convertit. Et l’énergie électrique n’est pas stockée dans les fils : elle y est transférée.
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La chaîne énergétique : énergie utile et énergie dissipée
La chaîne énergétique résume, en un dessin, d’où vient l’énergie, qui la convertit et où elle va. En 5ᵉ, on y ajoute une idée importante : un convertisseur ne fournit jamais seulement l’énergie qu’on attend de lui.
• Un convertisseur fournit presque toujours plusieurs formes d’énergie : l’énergie utile, celle pour laquelle on l’utilise, et une énergie dissipée, qui ne sert pas, le plus souvent thermique (il chauffe), qui part dans l’environnement (l’air autour).
• On dessine les deux sorties : une flèche vers ce qui reçoit l’énergie utile, une flèche vers l’environnement pour l’énergie dissipée.
• Toutes les formes d’énergie ne se valent pas : l’énergie thermique dispersée dans l’air d’une pièce ne peut presque plus servir.
• Une chaîne peut compter plusieurs convertisseurs à la suite.
Un convertisseur, deux sorties
« L’énergie chimique stockée dans la batterie est convertie en énergie électrique, transférée au moteur, qui la convertit en énergie cinétique (utile : les hélices tournent) et en énergie thermique (dissipée : le moteur chauffe l’air autour de lui). »
Plusieurs convertisseurs à la suite
Les muscles du cycliste convertissent l’énergie chimique des aliments en énergie cinétique (le pédalier tourne) ; l’alternateur convertit cette énergie cinétique en énergie électrique, stockée par la batterie sous forme chimique. À chaque conversion, une partie de l’énergie est dissipée sous forme thermique : le cycliste a chaud, l’alternateur tiédit. Pour ne pas surcharger le dessin, on ne représente pas toujours toutes ces flèches.
Je prévois, je teste, j’observe, je conclus. Je prévois : « pour éclairer autant, une lampe à incandescence chauffe beaucoup plus qu’une lampe à DEL ». Je teste en plaçant, sans les toucher, le même thermomètre à 5 cm de chacune des deux lampes allumées pendant cinq minutes. J’observe : la température monte bien plus près de la lampe à incandescence. Je conclus : pour le même éclairage, elle dissipe beaucoup plus d’énergie thermique que la lampe à DEL.
Un four électrique. Énergie utile : thermique, à l’intérieur du four (le gâteau cuit). Énergie dissipée : thermique aussi, celle qui s’échappe par la porte et les parois et chauffe la cuisine.
Une scie électrique. Énergie utile : cinétique (la lame tourne). Énergie dissipée : thermique (le moteur chauffe, la lame frotte sur le bois).
Réflexe — pour chaque convertisseur, je me pose trois questions : quelle énergie reçoit-il ? Quelle énergie fournit-il pour l’usage voulu (utile) ? Laquelle part dans l’environnement sans servir (dissipée) ?
Attention — l’énergie utile dépend de l’usage : pour une lampe, l’énergie thermique est dissipée ; pour un radiateur, c’est elle qui est utile. Et dissipée ne veut pas dire détruite : elle existe toujours, dispersée dans l’environnement.
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Mesurer l’énergie : le joule
L’énergie est une grandeur : elle se mesure, avec une unité, comme une longueur ou une masse. Cela permet de comparer les énergies et de faire des bilans.
• Ses multiples : 1 kJ = 1 000 J (kilojoule) et 1 MJ = 1 000 kJ = 1 000 000 J (mégajoule).
• Pour passer à une unité plus petite, on multiplie par 1 000 ; pour passer à une unité plus grande, on divise par 1 000.
• Pour comparer ou additionner des énergies, on les écrit d’abord dans la même unité.
| Unité | Symbole | Valeur en joules |
|---|---|---|
| joule | J | 1 J |
| kilojoule | kJ | 1 000 J |
| mégajoule | MJ | 1 000 000 J |
Convertir
4,2 kJ = 4,2 × 1 000 J = 4 200 J ; 650 J = 650 ÷ 1 000 kJ = 0,65 kJ ; 2,5 MJ = 2 500 kJ = 2 500 000 J.
Ordres de grandeur
| Situation | Énergie |
|---|---|
| soulever un objet de 100 g d’un mètre | environ 1 J |
| manger 100 g de chocolat au lait | environ 2 300 kJ |
| apport de référence d’un adulte pour une journée (étiquettes alimentaires) | 8 400 kJ, soit 8,4 MJ |
| brûler 1 L d’essence | environ 32 MJ |
Le joule est donc une petite unité : c’est pourquoi on utilise souvent le kilojoule et le mégajoule. Sur les emballages alimentaires, la valeur énergétique est obligatoire, en kilojoules (kJ) et en kilocalories (kcal), pour 100 g ou 100 mL.
Une étiquette de jus d’orange indique 190 kJ pour 100 mL : 190 kJ = 190 × 1 000 J = 190 000 J.
Comparer 0,9 MJ et 850 kJ. Même unité d’abord : 0,9 MJ = 900 kJ, et 900 kJ > 850 kJ : la plus grande énergie est 0,9 MJ.
Un ordre de grandeur. 100 g de chocolat au lait (environ 2 300 kJ) apportent un peu plus du quart des 8 400 kJ de référence d’une journée.
Réflexe — avant de comparer ou d’additionner, je mets toutes les énergies dans la même unité ; kilo = 1 000 et méga = 1 000 000.
Attention — le symbole du joule est un J majuscule. Et le watt (W) n’est pas une unité d’énergie : c’est l’unité de la puissance, une autre grandeur, vue en 3ᵉ.
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La conservation de l’énergie et le rendement
Où passe l’énergie dissipée ? Nulle part ailleurs que dans l’environnement : l’énergie ne disparaît jamais. C’est l’un des principes les plus importants de toute la physique.
• Pour un convertisseur : énergie reçue = énergie utile + énergie dissipée.
• Si un objet reçoit plus d’énergie qu’il n’en fournit, la différence est stockée en lui (une batterie en charge) : énergie reçue = énergie fournie + énergie stockée.
• Le rendement d’un convertisseur est la part utile de l’énergie reçue, en pourcentage : rendement = énergie utile ÷ énergie reçue × 100. Il est toujours inférieur à 100 %.
Faire un bilan d’énergie
Le moteur reçoit 800 J d’énergie électrique et fournit 720 J d’énergie cinétique à la roue. Énergie dissipée : 800 − 720 = 80 J, sous forme thermique. Rendement : 720 ÷ 800 × 100 = 90 %. Vérification : 720 J + 80 J = 800 J, rien n’a disparu.
Quelques rendements
| Convertisseur | Rendement (ordre de grandeur) |
|---|---|
| lampe à incandescence (énergie lumineuse) | environ 5 % |
| panneau photovoltaïque | environ 20 % |
| moteur à essence d’une voiture | de 25 à 36 % |
| centrale nucléaire | environ 33 % |
| moteur électrique | de 85 à 95 % |
Une lampe à DEL éclaire autant qu’une lampe à incandescence en recevant plusieurs fois moins d’énergie électrique : son rendement est bien meilleur.
Un peu d’histoire
Dans les années 1840, James Prescott Joule fait tomber une masse qui, par une ficelle, fait tourner des palettes dans de l’eau placée dans un récipient isolé. L’eau s’échauffe un peu : l’énergie de position de la masse est convertie en énergie cinétique des palettes, puis en énergie thermique de l’eau. Ses mesures conduisent à l’idée de conservation de l’énergie.
Les mots de la vie courante
| On dit… | En physique |
|---|---|
| « produire » de l’énergie | convertir une forme d’énergie en une autre |
| « consommer » de l’énergie | recevoir de l’énergie et la convertir |
| « pertes » d’énergie | énergie dissipée, souvent thermique, qui existe toujours |
| « gaspillage » | énergie dissipée ou utilisée sans besoin : une lampe allumée dans une pièce vide |
| « chaleur » | énergie thermique, ou transfert thermique |
Une voiture électrique en charge reçoit 40 MJ d’énergie électrique ; 4 MJ sont dissipés sous forme thermique. Elle stocke 40 − 4 = 36 MJ.
Une publicité annonce un moteur au rendement de 105 %. C’est impossible : il fournirait plus d’énergie qu’il n’en reçoit, donc il en créerait.
Réflexe — je fais la liste : énergie reçue, énergie utile, énergie dissipée (ou stockée) ; la somme de ce qui sort et de ce qui est stocké est égale à ce qui entre.
Attention — un rendement est un pourcentage, sans unité d’énergie ; et parler de « pertes » ne veut pas dire que l’énergie a disparu.
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Pour aller plus loin
Puissance, énergie et durée. L’énergie reçue par un appareil dépend de sa puissance, en watts (W), et de sa durée de fonctionnement : E = P × t. La facture d’électricité compte l’énergie en kilowattheures (1 kWh = 3 600 000 J). Ces calculs se font en 3ᵉ : voir « Énergie électrique : E = P × t et kilowattheure ».
Calculer une énergie cinétique. La formule Ec = ½ × m × v², l’énergie de position et leur somme, l’énergie mécanique, se travaillent en 3ᵉ : voir « Énergie mécanique : cinétique, de position et conservation ».
D’où vient l’énergie ? Les ressources renouvelables ou non, la production d’électricité et ses conséquences sur l’environnement font l’objet du chapitre « Énergie : sources renouvelables et non renouvelables ».
Les transferts thermiques. Comment l’énergie thermique passe du chaud vers le froid (conduction, convection, rayonnement) et ce que mesure la température : voir « Énergie : transferts thermiques, chaleur et température ».
Revoir la 6ᵉ. Les formes d’énergie, les premières chaînes énergétiques et les ressources : « Énergie : formes, conversions et ressources ».
- Sept formes d’énergie : cinétique, de position, chimique, thermique, électrique, lumineuse, nucléaire. L’énergie cinétique dépend de la vitesse et de la masse ; l’énergie de position, de l’altitude et de la masse.
- Un réservoir stocke l’énergie ; un convertisseur change sa forme (conversion) ; un transfert la fait passer d’un objet à un autre.
- Chaîne énergétique : réservoir (ovale) → convertisseur (rectangle) → ce qui reçoit l’énergie (ovale), la forme d’énergie sur chaque flèche ; un convertisseur fournit une énergie utile et une énergie dissipée, souvent thermique.
- L’énergie se mesure en joules (J) : 1 kJ = 1 000 J ; 1 MJ = 1 000 000 J. On compare dans la même unité.
- L’énergie se conserve : énergie reçue = énergie utile + énergie dissipée. Rendement = énergie utile ÷ énergie reçue × 100, toujours inférieur à 100 %.
Questions fréquentes
Quelles sont les formes d’énergie à connaître en 5e ?
Sept formes : cinétique (mouvement), de position (altitude, appelée énergie de pesanteur en 6e), chimique, thermique, électrique, lumineuse et nucléaire. L’énergie cinétique dépend de la vitesse et de la masse de l’objet ; l’énergie de position dépend de son altitude et de sa masse.
Quelle est la différence entre un transfert et une conversion d’énergie ?
Dans un transfert, l’énergie passe d’un objet à un autre (par le courant électrique, la lumière, une action mécanique ou un échauffement). Dans une conversion, elle change de forme, dans un convertisseur : un moteur convertit l’énergie électrique en énergie cinétique.
Qu’est-ce que l’énergie dissipée dans une chaîne énergétique ?
C’est la partie de l’énergie reçue par un convertisseur qui ne sert pas à l’usage voulu, le plus souvent de l’énergie thermique qui chauffe l’air autour. On la dessine par une flèche vers l’environnement, à côté de la flèche de l’énergie utile.
Quelle est l’unité de l’énergie ?
Le joule (J). On utilise aussi le kilojoule (1 kJ = 1 000 J) et le mégajoule (1 MJ = 1 000 000 J). Soulever un objet de 100 g d’un mètre demande environ 1 J.
Que dit la conservation de l’énergie ?
L’énergie ne se crée pas et ne disparaît pas : elle se transfère et se convertit. Pour un convertisseur, énergie reçue = énergie utile + énergie dissipée ; le rendement, énergie utile ÷ énergie reçue × 100, est donc toujours inférieur à 100 %.
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