Energie, travail et puissance
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L'énergie peut prendre toutes sortes de formes, parmi lesquelles :
- Mécanique lorsqu'elle est accumulée dans un ressort de montre, dans le poids d'une pendule ou dans un projectile en mouvement.
- Chimique, dans une pile ou un accumulateur....
- Thermique, dans un fer chauffé au rouge, de l'eau bouillante...
- Electrique lorsqu'elle est produite par un alternateur, transportée dans un câble et dissipée dans un appareil de chauffage (effet Joule)

Unité d'énergie

L'unité de travail, de quantité de chaleur et d'énergie est le joule, symbole J., du nom du physicien britannique James JOULE (1818-1889).
Le joule est le travail développé par une force de 1 newton se déplaçant de 1 mètre dans la direction de celle-ci.
On utilise également le kilojoule (1 kJ = 1000J) et le mégajoule (1 MJ = 1000000 J).
L'ancienne unité de quantité de chaleur, la calorie, a été remplacée par le joule :
1 cal = 4,18 J et réciproquementJ = 0,24 cal.

Energie mécanique

Le travail est une forme mécanique de l'énergie. Il est égal au produit d'une force par un déplacement :

avec :
- W énergie en joule (J)
- F force en newton (N)
- l longueur en mètre (m)

C'est la relation qui définit le joule (voir plus haut).
Un objet suspendu à une certaine hauteur contient une quantité d'énergie potentielle qui se transformera en énergie cinétique lorsque cet objet, lâché, tombera en chute libre.
En physique classique la loi de conservation de l'énergie s'applique : en l'absence de frottements l'énergie potentielle de l'objet suspendu se transformera intégralement en énergie cinétique dans l'objet en mouvement.

Puissance

La puissance d'un système est sa capacité à produire, à transformer ou à absorber de l'énergie.
L'unité de puissance est le watt, symbole W (de James WATT, physicien écossais 1736-1819). C'est la puissance d'un générateur produisant 1 joule par seconde.
On utilise aussi les multiples et sous-multiples suivants :
- le milliwatt : 1mW = 0,001 W.
- le kilowatt : 1 kW = 1000 W.
et dans les centrales électriques :
- le mégawatt : 1 MW = 1000000 W.
- le gigawatt : 1 GW = 1 milliard de watts.

Puissance électrique en courant continu

La puissance électrique absorbée par une charge purement résistive est proportionnelle à la tension U aux bornes de la résistance et au courant I traversant celle-ci. Ce qui peut se résumer par la formule :



avec :
P en watt, U en volts et I en ampères.

Formules qui en découlent :


D'après la loi d'Ohm on a :
U = R.I avec U en volts, R = résistance en ohm et I en ampères.
En remplaçant U par RI dans la précédente formule on obtient la formule suivante :
P = R.I.I d'où :


Formules qui en découlent :


En remplaçant I par sa valeur déduite de la loi d'Ohm : I = U/R on obtient la formule :
P = R.(U/R)² d'où :


Formules qui en découlent :


Energie électrique, effet Joule

L'énergie électrique délivrée par un générateur ou absorbée par une charge est proportionnelle à la puissance électrique en jeu et au temps écoulé selon la formule :


avec :
W : énergie en joules (J)
P : puissance en watts (W)
t : temps écoulé en secondes (s)

En remplaçant P à partir de la formule précédente P=U.I on peut écrire :



De même avec P=R.I² :



Cette énergie, dissipée dans la résistance et proportionnelle à la valeur de cette résistance, est présente partout où un courant circule. On parle alors de "pertes par effet Joule"
Pour mesurer la consommation électrique d'un appareil branché sur le réseau 220 V on utilise plus communément le kilowattheure (kWh) qui est l'énergie fournie (ou absorbée) par un système électrique d'une puissance de 1 kilowatt pendant 1 heure.
1kWh = 3600000 J = 3,6 MJ

Applications numériques

Exemple 1: une ampoule de 100 W est soumise à une tension de 220 volts, quelle est l'intensité du courant qui la traverse ?
Réponse :
P = U.I
I = P/U
I = 100/220
I = 0,45 ampère

Exemple 2 : quelle est l'énergie consommée en 30 mn par la même ampoule ?
Réponse :
W = P.t (avec P en watts et t en secondes)
W = 100 * 30 * 60 = 180000 J = 180 kJ
Autre solution, en wattheure :
W = P.t (P en watt, t en heure)
W = 100 * 0,5 = 50 Wh = 0,05 kWh

Exemple 3 : quelle est la résistance R d'une charge absorbant 500 J en 10 secondes sous 12 V ?
Réponse :
W = P.t (P en watts, t en seconde)
P = W/t
P = 500/10 = 50 W
R = U²/P ( R en ohm, U en volt, P en watt)
R = 12²/50 = 144/50 = 2,88 ohms.