Énergie et transferts

Exercice 1 — Formes d'énergie et vocabulaire
Question 1 (1 pt) — Définition de l'énergie et unité :
L'énergie est la capacité d'un système à produire un effet : un mouvement, de la chaleur, de la lumière, du son…
L'unité internationale de l'énergie est le joule (symbole : J).

Question 2 (3 pts) — Trois formes d'énergie (1 pt chacune) :
Toute sélection de 3 formes parmi les suivantes, avec une explication et un exemple, est acceptée :

• Énergie cinétique : liée au mouvement d'un objet. Exemple : une voiture qui roule.
• Énergie potentielle de pesanteur : liée à l'altitude d'un objet par rapport à un niveau de référence. Exemple : l'eau retenue dans un barrage en hauteur.
• Énergie thermique : liée à l'agitation microscopique des particules d'un corps (chaleur). Exemple : une casserole d'eau chaude.
• Énergie lumineuse : transportée par la lumière. Exemple : la lumière du soleil.
• Énergie électrique : liée au déplacement de charges électriques. Exemple : le courant dans un fil électrique.
• Énergie chimique : stockée dans les liaisons chimiques. Exemple : une pile neuve, l'essence, les aliments.
• Énergie nucléaire : stockée dans le noyau des atomes. Exemple : l'uranium dans une centrale nucléaire.
• Énergie sonore : transportée par les ondes sonores. Exemple : un haut-parleur qui vibre.

Exercice 2 — Transferts thermiques
Question 1 (3 pts) — Les trois modes de transfert thermique :

• La conduction (1 pt) : transfert d'énergie thermique par contact direct entre corps solides (ou entre un solide et un fluide), sans déplacement de matière. Les particules transmettent leur agitation à celles qui les touchent. Exemple : le manche métallique d'une casserole qui chauffe lorsqu'on pose la casserole sur le feu.
• La convection (1 pt) : transfert thermique par déplacement de matière dans les fluides (liquides et gaz). L'air ou le liquide chaud, moins dense, monte et transporte l'énergie. Exemple : un radiateur à eau qui réchauffe une pièce par circulation d'air chaud.
• Le rayonnement (1 pt) : transfert thermique par émission d'ondes électromagnétiques, sans nécessiter de matière — il peut se propager dans le vide. Exemple : la chaleur du Soleil qui réchauffe la Terre à travers le vide spatial.

Question 2 (1 pt) — Sens du transfert thermique spontané :
Un transfert thermique spontané s'effectue toujours du corps le plus chaud vers le corps le plus froid.
Justification : c'est une loi fondamentale de la thermodynamique (second principe). L'énergie thermique passe spontanément du corps ayant la température la plus élevée vers celui ayant la température la plus basse, jusqu'à l'équilibre thermique. Le sens inverse ne se produit jamais spontanément.

Exercice 3 — Conservation de l'énergie et rendement
Question 1 (1 pt) — Principe de conservation de l'énergie :
L'énergie ne se crée pas et ne se détruit pas : elle se transforme ou se transfère d'un système à un autre. La quantité totale d'énergie reste toujours constante.
Formule bilan pour un convertisseur : E_reçue = E_utile + E_dissipée

Question 2 — Application au grille-pain :
a) Calcul de l'énergie dissipée (1 pt) :
On applique la conservation de l'énergie :
E_dissipée = E_reçue − E_utile
E_dissipée = 1 500 − 1 200 = 300 J

b) Calcul du rendement η (2 pts) :
η = E_utile / E_reçue
η = 1 200 / 1 500 = 0,80 soit 80 %
Le grille-pain convertit 80 % de l'énergie reçue en chaleur utile ; 20 % est dissipée (parois, rayonnement perdu…).

Question 3 (2 pts) — Chaîne énergétique du grille-pain :
La chaîne se représente avec des blocs rectangulaires et des flèches :

[Source électrique] —(1 500 J énergie électrique)→ [Grille-pain] —(1 200 J énergie thermique utile)→ [Pain grillé]
                                                            ↓
                                                            (300 J énergie thermique dissipée)

Éléments attendus : bloc convertisseur « Grille-pain », flèche entrante étiquetée « énergie électrique 1 500 J », flèche sortante principale « énergie thermique utile 1 200 J », flèche vers le bas « énergie thermique dissipée 300 J ».

Exercice 4 — Calcul d'énergie thermique
Données : m = 0,5 kg d'aluminium ; T_initiale = 20 °C ; T_finale = 120 °C ; c_Al = 900 J·kg^-1·K^-1 ; P = 300 W ; η = 100 %

a) Calcul de ΔT (1 pt) :
ΔT = T_finale − T_initiale
ΔT = 120 − 20 = 100 °C (soit 100 K)

b) Calcul de l'énergie thermique Q (2 pts) :
On utilise la formule : Q = m × c × ΔT
Q = 0,5 × 900 × 100
Q = 45 000 J
Il faut fournir 45 000 joules pour chauffer cet aluminium de 20 °C à 120 °C.

c) Calcul du temps de chauffe (1 pt) :
On part de E = P × t, donc t = E / P
t = 45 000 / 300
t = 150 s (soit 2 minutes 30 secondes)
Avec une résistance de 300 W à rendement 100 %, toute l'énergie électrique est convertie en chaleur.

Exercice 5 — Problème ouvert : systèmes en série
Données :

• Rendement de la centrale thermique : η₁ = 40 % = 0,40
• Rendement du transport (lignes haute tension) : η₂ = 95 % = 0,95
• Rendement du moteur : η₃ = 90 % = 0,90

Calcul du rendement global (2 pts) :
Pour des convertisseurs en série, le rendement global est le produit des rendements individuels :
η_global = η₁ × η₂ × η₃
η_global = 0,40 × 0,95 × 0,90
η_global = 0,342 soit 34,2 %

Conclusion :
Le rendement global de la chaîne énergétique est seulement 34,2 %, bien inférieur au rendement de chaque composant pris séparément (40 %, 95 %, 90 %). Cela signifie que sur 100 J d'énergie chimique brûlée dans la centrale, seulement 34,2 J parviennent effectivement à faire tourner le moteur ; 65,8 J sont dissipés en chaleur à chaque étape. Cela illustre l'importance d'améliorer le rendement à chaque maillon de la chaîne pour réduire le gaspillage énergétique.