G3.NOTIONS ÉNERGÉTIQUES

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-action

En Physique, l’action est une grandeur exprimant le produit  force x vitesse  (soulignant l'importance active de la masse quand elle est en mouvement).

C'est d'ailleurs aussi un moment d'impulsion, d'où le terme synonyme de "potentiel d'impulsion"

Equation de dimensions structurelles : L2.M.T -1      

Symboles de désignation : a (et h pour la valeur particulière dite "constante de Planck", utilisée surtout en physique des particules)        

Unité S.I.+ utilisée en mécanique: le Joule-seconde (J-s)

et en Physique particulaire h (qui vaut 6,626.10-34 J-s)

 

Nota: le mot action est aussi utilisé trivialement pour exprimer qu'il y a une notion active dans tel phénomène; par exemple :

-action et réaction d'une force

-action de masse en chimie

-action d'un champ - ce qui signifie "présence avec effet énergétique d'un champ"

-action de la température, ce qui signifie "effet de la température"....)

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-admittance

Admittance est un terme générique indiquant une facilité d’acquisition d'énergie

C’est une grandeur inverse d’une impédance (et d’une résistance)

-admittance électrique

Dimension L-2.M-1.T3.I2

C'est l’inverse de l’impédance électrique (cas du courant alternatif)

-admittance énergétique  (dimension L-2.M.T)

--d’une part en acoustique, c’est l’inverse de l’impédance acoustique, soit 1 / Za

--d’autre part en optique, où elle exprime une facilité d’expression de l’énergie lumineuse des photons

-admittance visqueuse (nommée en général fluidité)

Dimension  L.M-1.T)

 

L’admittance présente un cas particulier nommé conductance (même dimension)

–-en magnétisme (c’est la conductance magnétique, dimension L-2.M-1.T.I2), inverse de la résistance magnétique S*

–-en thermique (c’est la conductance thermique, dimension L-2.M-1.T3.Q), inverse de la résistance thermique Q*

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-analogique ou numérique ?

Un phénomène nous est traduit par une information, à travers un appareil de mesure.

Cette mesure peut être continue (il y a correspondance biunivoque- en général proportionnalité- entre la cause de l'info et sa mesure).

C'est alors une mesure analogique du phénomène, car il y a analogie entre cause et résultat

 

Dans une autre approche, si la mesure d'une grandeur est comparée à une valeur prédéterminée (par échantillonnage) de ladite grandeur, le nombre qui est retenu pour la classifier (chaque relevé au coup par coup) induit une mesure numérique.

L'information sur cette mesure, pour pouvoir être lue par une machine, est alors traduite en groupes de chiffres (en langage binaire) qui seront transformés en signaux électriques, puis éventuellement en versions acoustiques ou optiques (mieux perceptibles)

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-capteur

Un capteur est un appareil transducteur (il transforme un type d’énergie en un autre type) et les valeurs des grandeurs qu’il mesure sont données sous forme de variation de >>> capacité électrique, ou fréquence, ou résistance, ou voltage.

Les capteurs sont souvent des appareils de microélectronique comme :

-capteurs d’accélération : on mesure une accélération- le corps transducteur du capteur est une languette métallique- le phénomène transitoire est un pliage-

le capteur donne en lecture une variation de résistance électrique

-capteurs de débit : on mesure une vitesse d’écoulement- le corps transducteur du capteur est une lamelle de silicium- le phénomène transitoire est une baisse de température- le capteur donne en lecture une augmentation de résistance électrique

-capteurs de gaz : on mesure une pression (ou une concentration) de gaz- le corps transducteur du capteur est une membrane - le phénomène transitoire est une variation de température- le capteur donne en lecture une variation de conductivité(thermique)

-capteurs d'ondes : on reçoit des ondes dans un appareil (poste de radio, par exemple)

Cas d'un appareil hétérodyne : c'est le qualificatif d'un appareil produisant une onde entrant en interférence avec une autre onde (de fréquence proche) d'où création de battements par superposition des 2 ondes

-capteurs piézo-capacitifs : on mesure une pression - le corps transducteur du capteur est une membrane de Si, avec une couche métallique en regard-

le phénomène transitoire est une apparition d'un petit condensateur- le capteur donne en lecture une variation de capacité (électrique)

-capteurs piézo-résistifs : on mesure une pression- le corps transducteur du capteur est une membrane de silicium- le phénomène transitoire est une déformation de membrane- le capteur donne en lecture une variation de résistance (électrique)

-capteurs à quartz : on mesure une masse surfacique-le corps transducteur du capteur est un cristal de quartz- le phénomène transitoire est une variation de pression et de température- le capteur donne en lecture une variation de fréquence (de résonance)

-capteurs de rayonnement : on mesure un rayonnement- le corps transducteur du capteur est une lamelle de Si avec un absorbeur- le phénomène transitoire est une élévation de température- le capteur donne en lecture une variation de résistance électrique

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-conduction, conductance & conductivité

Le phénomène de conduction est l'expression d’une facilité de circulation d'énergie (acoustique, électrique, hydraulique, optique ou thermique)

Il est étudié à travers diverses notions de consonances proches

LA CONDUCTION PROPREMENT DITE

est l'énergie en cause (qu'elle soit électrique, mécanique, acoustique, thermique , etc) Equation aux dimensions  : L2.M.T-2      Symbole de désignation E     

Unité S.I.+ = Joule (J)

 

LA CONDUCTANCE

est une grandeur proportionnelle à la charge (conduite) et inversement proportionnelle à l'énergie (transportée).

-conductance électrique

Dimensions : L-2.M-1.T3.I2.A-1        Symbole  cé     Unité S.I.+ : le Siemens par stéradian (S/sr) --le Siemens étant réservé à l’admittance--

Définition cé = Q² / E.t    où Q(C) est la charge électrique, t(s) le temps et E(J) l'énergie

La conductance électrique est l’inverse de l’impédance de milieu (c’est l’admittance qui est l’inverse d’une résistance simple)

-conductance fluidique

dimensions (L-2.M.T.A-1)

Formule de définition : conductance énergétique (dont fluidique) = m²/ E.t.W   

où m(kg) est la masse , t(s) le temps, E(J) l'énergie et W l’angle solide

-conductance optique

Terme en général confondu avec celui dadmittance optique (dimension L-2.M.T)

-conductance thermique

Terme en général confondu avec celui d’admittance thermique

Elles expriment l’aptitude d’un matériau à homogénéiser la chaleur en son sein par inter-chocs entre ses molécules. Et par extension, c’est la transmission de chaleur par contact, à travers l’interface entre 2 matériaux.

Dimensions  : L-2.M-1.T3.Θ      Symbole A’     Unité S.I.+ = K / W

Définition A' = ♥².t / E  où ♥(K1/2) est le flux de charge thermique , t(s) le temps et E(J) l'énergie

 

CONDUCTIVITÉ

La conductivité est une admitttance linéique.Plus la conductivité d’un corps est élevée, plus c’est facile d’y faire circuler les charges et moins il faut d'énergie

Les diverses conductivités utilisées en Physique sont citées ci-dessous. Les dimensions ne sont pas les mêmes, car les charges en cause ne sont pas de même nature.

-conductivité fluidique (acoustique pour les gaz et hydraulique pour les liquides)

symbole a* et dimensions L-3.M.T (en kg-s/m3)

-conductivité thermique symbole d' et dimensions L-3.M-1.T3.Θ (en K/W-m)

-conductivité électrique dite aussi Conductance linéique (électrique)

Dimensions : L-3.M-1.T3.I2         Symbole σ'     Unité S.I.+ : (S / m)

-conductivité spatiale : c’est une conductivité ramenée à l’angle solide (utilisée seulement en électricité ; dimension L-3.M-1.T3.I2.A-1)

 

CONDUCTIBILITÉ

C'est un synonyme de la conductivité thermique

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-conservation de l'énergie d'un système

1 . Pour un système au sens thermodynamique

Dans la loi générale de continuité (conservation) de l'énergie interne globale d'un système, on a :

ΔU = ΔW + ΔEq  (U = énergie interne globale, Eq = énergie thermique, W = travail)

 

-s'il n’y a pas de travail échangé  par le système, la formule se réduit à  ΔU = ΔEq

C'est l'équation de continuité (ou conservation de la densité de chaleur)

Et si l'on en prend l'aspect volumique (gaz) on arrive à dpv/ dt = div.p*t

avec pv(J/m3)= densité volumique de chaleur (énergie volumique)

p*(W/m2)= densité surfacique de flux de chaleur

t(s)= temps

 

-mais si par contre il y a échange de travail

dpv / dt + div.p*t = d² W / dV.dt = dp / dt

avec W(J)= travail effectué (pression x volume)

dV(m3)= variation de volume

dp(Pa)= variation de pression

 

2.Pour un système au sens mécanique

Il y a conservation de l’énergie mécanique, s’il n’y a pas de frottements

SE = E de translation + E de rotation + énergies potentielles (de translation et de rotation)

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-conversion entre diverses énergies

Il y a 2 types (opposés) de conversions énergétiques:

LA CONVERSION d'une ENERGIE NOBLE (seule la chaleur n'est pas noble)

-cas général

Bilan >>>   Ena= (%Ena) + Enm,nc,né....+ Eq

où une énergie noble En d'un type a (symbolisée Ena) peut :

-d’une part, ne pas se transformer du tout : c'est %Ena c'est à dire ce qui reste en type Ena et qui est nommée anergie

-d’autre part se transformer en autres énergies nobles (mécanique, chimique, électrique...) c’est la partie (Enm,nc,né....)

-et enfin se transformer en énergie non noble (Eq), c'est à dire de la chaleur (énergie thermique)

-la somme (Enm,nc,né.....+ Eq) est nommée exergie

 

Ci-après, sont cités les cas particuliers de la conversion d’une certaine forme d’énergie noble en chaleur (cette conversion peut être totale, en conditions idéales, comme exprimé dans les formules) :

-cas de l'énergie mécanique transformée en chaleur

Δ(Ec+ Ep) = Eq

où Eq(J)= quantité de chaleur récoltée quand (Ec+Ep) la somme des énergies cinétique et potentielle varie de Δ pendant le même temps

-cas de l'énergie chimique transformée en chaleur  -c’est surtout l’énergie de combustion-

E= m.q’p

m(kg)= masse de substance

q’p(J/kg)= pouvoir calorifique massique

-cas de l'énergie électrique transformée en chaleur

E= U.i.t  = U².t / R

où Eq(J)= quantité de chaleur récoltée depuis un circuit conducteur

U(V)= tension du circuit

i(A)= intensité (courant) parcourant le circuit

t(s)= durée du phénomène

R(ohm)= résistance électrique du circuit

-cas de l'énergie de rayonnement transformée en chaleur

E= p*é.bt.S.t.cosθ

où Eq(J)= quantité de chaleur récoltée

p*é(W/m²)= puissance surfacique (dite parfois éclairement énergétique) reçue

S’il s’agit de l'énergie reçue du soleil, p*é est la constante solaire, valant 1361 W/m²

bt(nombre)= coefficient -ou taux- d’absorptivité

S(m²)= surface de réception

t(s)= temps de réception

 θ(rad)= angle plan entre le rayonnement et la normale à la surface de réception

 

LA CONVERSION de la CHALEUR en d'AUTRES FORMES d'ENERGIES

Elle est possible mais ne peut être complète --(selon le 2° principe de la thermodynamique).

Elle s’effectue donc partiellement à travers une machine thermique (principe de Carnot), en général transformée en une énergie mécanique

La perte d’énergie est signifiée par un rendement  r < 1

-loi de Zeuner

Pour une machine située sur un cheminement d’énergies, on peut en établir le bilan sous la forme : (H2+ Ec2+ Ep2) - (H1+ Ec1+ Ep1) = W + Eq

où H2et H1(J)= enthalpies en aval et en amont de la machine

Ec2 et Ec1(J)= énergies cinétiques en aval et en amont de la machine

Ep2 et Ep1(J)= énergies potentielles de pesanteur, en aval et en amont de la machine

W(J)= travail reçu par la machine (par le fluide qui la traverse)

Eq(J)= énergie thermique reçue par la machine (par le fluide qui la traverse)

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-densité linéique de courant

LA DENSITÉ LINÉIQUE de COURANT ELECTRIQUE

est une grandeur (électrique) similaire à l'aimantation par les effets qu'elle produit, c'est :

Dimensions  de l'aimantation: L-1.I       Symbole de désignation: M     

Unité S.I.+ = l’Ampère par mètre (A / m)

Ml = i / l

avec Ml(A/m)= densité linéique de courant d’un conducteur

l(m)= longueur du conducteur

i(A)= intensité du courant dans le conducteur

 

LA DENSITÉ LINÉIQUE de COURANT THERMIQUE

Synonymes : densité linéique de flux calorifique ou densité linéique de puissance thermique ou flux linéique

est une puissance thermique répartie sur (ou émise par) une certaine longueur

Equation de dimensions structurelles : L.M.T -3

Symbole : r*t       Unité S.I.+ : W/m

-définition

r*t = P / l = c*.ΔT

où r*t(W/m)= densité linéique de puissance P (ou de flux ) thermique d’un corps

l(m)= longueur de répartition

c* (W/m-K)= résistance linéique thermique pour une différence de température ΔT(K)

 

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-dissipation

Dissipation signifie perte d'énergie, liée à une perturbation du milieu dans lequel se meut un objet. Il y a donc dissipation (énergétique) à l'occasion de frottement, de viscosité importante, de choc, de résonance, de changement de milieu, etc...mais ceci ne concerne nullement d'éventuels apports (ou retraits) d'énergies externes

Un système dissipatif (ou à structure dissipative) est tel qu'une forme d'énergie qu'il porte, ne se conserve pas (elle est transformée)

Cas particulier : loin de l'équilibre, un système peut évoluer spontanément vers une entropie décroissante (où apparaissent des phénomènes à mouvements ordonnés)

 

DISSIPATION CONCERNANT les ONDES

Quand une onde traverse un milieu (ou émerge au-delà d’un corps traversé)une part de son énergie disparaît sous d’autres formes (rayonnements, chaleur...) et cetétat dissipatif évolue spontanément vers l’arrêt s’il n’y a pas d'énergie pour l'entretenir (dissipation = déperdition d’énergie progressive)

 

1.DISSIPATION POUR ONDES ACOUSTIQUES

On la mesure surtout à travers l'indice de dissipation

(sans dimension) qui est i*s = (p*dissipée) / (p* incidente) les p* étant les intensités acoustiques ou encore-ce qui revient au même, car l’intensité est proportionnelle à la puissance: i*s = (P dissipée) / (P incidente) les P étant les puissances acoustiques

 

2.DISSIPATION pour ONDES LUMINEUSES

La dissipation de lumière est étudiée à travers 3 notions :

-la dissipation lumineuse proprement dite   

qui est l'énergie lumineuse El subsistant après que la lumière ait traversé un corps.La partie manquante (dissipée) a été transformée en d'autres énergies(dont une grande part est de la chaleur)

Equation de dimensions  :  L2.M.T -2         Symbole E       Unité(d'usage) : lx-s-m²

-la dissipation spécifique

qui est l'énergie spatiale lumineuse (c'est à dire l'énergie ci-dessus répartie dans un angle solide)

Equation de dimensions  :  L².M.T -2.A-1         Symbole A*        Unité : lx/m-sr

C'est  A* = Dl.S.t  (symboles idem ci-dessus)

-la dissipance  qui est la puissance surfacique correspondant à l'énergie ci-dessus, et ramenée à l'angle solide    

Dimensions : M.T -3 .A-1        Symbole : Dl         Unité d’usage : lx/sr

Dl = Pl / S.Ω.cosθ 

Dl(lx-sr)= dissipance, S(m²) = surface en cause, Ω(sr) = angle solide 

Pl est le flux (en lx-m²) et  θ(rad) est l'angle entre le plan sortant du rayonnement lumineux et le rayonnement lui-même

 

3.DISSIPATION pour ONDES à EFFETS THERMIQUES

La dissipation d'onde à effets thermiques est étudiée à travers 3 notions :

-la dissipation d'onde stricto sensu qui est l'énergie (Equation de dimensions : L2.M.T -2) qui se transforme en autres énergies, à la sortie d’un phénomène (c’est la plupart du temps une transformation en chaleur -suite à des chocs inélastiques ou à des frottements ou à de la viscosité-)

-la dissipativité qui est le nom de la puissance surfacique (en cas de dissipation partielle d’un flux calorifique)

Equation de dimensions  : M.T -3        Symbole de désignation : p*        

Unité S.I.+ : Watt/m² (W/m²)

-le coefficient de dissipativité (ou de dissipation yu) qui est le rapport entre la puissance thermique dissipée et la puissance totale qui était disponible

 

DISSIPATION en ELECTRICITE

-théorème de la fluctuation-dissipation

A l'équilibre thermodynamique, on l'écrit  Ya =  i./ k.T

où Ya(Siemens)= admittance

k(J/K)= constante de Boltzmann

T(K)= température

i(A)= intensité électrique

Q(C)= charge électrique

-dissipation lors d'hystérésis

Pour un condensateur, la dissipation d’énergie sous forme calorifique (chaleur) quand il y a champ d'induction alternatif est E=  ε.V.Ω.E².tgφ

E(J)= énergie dissipée sous forme de chaleur

ε(F/m-sr)= constante diélectrique du diélectrique

V(m3)= élément de volume

E(V/m)= champ d’induction électrique alternatif

φ(rad)= angle de déphasage (angle de perte)

 

 

DISSIPATION en MILIEUX DIFFILES

-cas d'un milieu visqueux

L'énergie dissipative est Ed = h.∫∫∫(dv/dl)².dV

h(pl)= viscosité dynamique,v la vitesse et V le volume

La rapidité de dissipation est souvent exponentielle

-cas du frottement

La puissance dissipée est F.vF est la composante de la force de frottement et v la vitesse

 

DISSIPATION QUANTIQUE

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-élastances

Une élastance est l’inverse d’une capacité

ELASTANCE ELECTRIQUE

Equation aux dimensions structurelles : L2.M.T-4.I-2 

Symbole de désignation : Ξ (prononcer  xi)      

Unité S.I.+ : daraf (df)

 -définition

Ξ = / Q 

avec Ξ(df)= élastance d’un tube de forces

U(V)= différence de potentiel entre 2 surfaces du tube de forces

Q(C)= charge électrique 

 

-relation avec la permittance

Ξ = 1 / W.b’

Ξ(df)= élastance électrique, W(sr)= angle solide   et 

b’(F/sr)= permittance  (qui est une capacité spatiale)

 

-relation avec la perméance

Ξ = perméance / (fréquence)²

 

ELASTANCE de ROTATION (ou ROTATIONNELLE ou TORSIONNELLE)

c'est un moment de torsion dans l'espace (dimensions  L2.M.T-2.A-1)

 

ELASTANCE SPECIFIQUE

C'est une élastance coprise dans tout  l’angle solide où elle se perçoit 

En électricité, c'est la grandeur de dimensions  : L2.M.T-4.I-2.A  de symbole   t*     

L'unité S.I.+ est le daraf-stéradian (df-sr) et la formule de définition est t* = Q.W

où  U(V)= différence de potentiel entre 2 surfaces d’un tube de forces

et Q(C)= charge électrique dans le tube

-cette élastance spécifique   est l'inverse de la permittance

 

ELASTANCE MEDICALE

On trouve sous ce nom, une grandeur qui n’a cependant rien à voir avec la famille des élastances et qui a pour dimension L-4.M.T-2

C’est par définition une variation de pression (dans un un organe) comparée à sa variation de volume

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-émission

Emission signifie envoi d’énergie, surtout pour l'acoustique et les rayonnements ionisantslumineux ou thermiques

(la dimension de l'émission est toujours celle d'une énergie L².M.T -2).

 

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