G3.NOTIONS ÉNERGÉTIQUES

-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"

 

L'action (pour une particule) est l'intégrale  t1t2dt L

 

où t est le temps et L le Lagrangien

 

Equation de dimensions structurelles : L 2.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 :

-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 une notion indiquant une facilité de transfert d'énergie

-admittance électrique

C'est l’inverse de l’impédance électrique en courant alternatif

-admittance acoustique

C’est la notion inverse de l’impédance acoustique, soit 1 / Za

-admittance optique

C'est une facilité d’expression de l’énergie lumineuse des photons

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-capacitance

La capacitance est une composante de l'impédance (électrique ou acoustique)

- l'acoustique a pour dimension : L2.M-1.T-1     

Pour symbole de désignation : Zp       Pour unité S.I.+ : le m²/kg-s

-l'électrique a pour dimensions  : L2.M.T-3.I-2        Pour symbole : Zc         

Pour unité S.I.+ : l'Ohm(Ω) 

Dans les 2 cas >> Capacitance  = 1 / (fréquence x capacité) 

 

Relation entre les capacitances (acoustique et électrique)

Zp= Zc. γ

où Zp(m²/kg-s)= capacitance acoustique

Zc(Ohm)= capacitance électrique

γ'(C/kg)= rapport gyromagnétique  

 

 

 

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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 conductibilité(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

La conduction est l'énergie exprimant une facilité de circulation d'énergie (acoustique, électrique, hydraulique, optique ou thermique)

On l'étudie à travers diverses notions de consonances proches

CONDUCTION PROPREMENT DITE

C'est l'énergie (qu'elle soit électrique, mécanique, acoustique, thermique , etc)

Equation aux dimensions  : L2.M.T-2      Symbole de désignation E     

Unité S.I.+ = J

 

CONDUCTANCE

Grandeur proportionnelle à la charge (qui est conduite) et est inversement proportionnelle à l'énergie (qu'elle transporte).

C'est donc une notion inverse de conduction et inverse d'une résistance

-conductance électrique

Dimensions : L-2.M-1.T3.I2            Symbole Yd     Unité S.I.+ : le Siemens (S)

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

-conductance optique

C'est Y'o synonyme de ladmittance optique (dimension L-2.M.T)

-conductance fluidique

Similaire à la précédente (dimension L-2.M.T) avec entre autres, une version hydraulique

Définition Yf= m².t / E   où m(kg) est la masse , t(s) le temps et E(J) l'énergie

-conductance thermique

Elle exprime l’aptitude d’un matériau à homogénéiser la chaleur en son sein par inter-chocs entre ses molécules.

Par extension, transmission par contact, à travers une interface entre 2 matériaux.

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

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

 

CONDUCTIVITÉ

C'est une conductance linéique.Plus une conductivité est élevée, moins il faut d'énergie pour passer les mêmes charges

Les notions utilisées en Physique sont donc :

-conductivité acoustique   ayant pour symbole a* et pour dimension

L-3.M.T (en kg-s/m3)

-conductivité fluidique (y compris acoustique et hydraulique) idem

symbole a* et dimension L-3.M.T

-conductivité thermique ayant pour symbole Δ' et

pour dimension L-3.M-1.T3.Θ (K/W-m)

-conductivité électrique dite aussi Conductance linéique

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

 

CONDUCTIBILITÉ

C'est -malgré son nom- une résistance au passage de la chaleur en profondeur

Dimensions : L.M.T-3.Θ-1       Symbole c*      Unité S.I.+ = le (W/m-K)

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-constante de mouvement

Constante de mouvement est un terme qui s’applique à une grandeur ne variant pas pendant une évolution de son système (ce qui sous-entend qu'elle est constante par rapport au mouvement, impliquant le temps)

Exemples:

1.l’énergie interne d’un système, invariable

2.un HAMILTONIEN, indépendant du temps

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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)= conductibilité thermique pour une différence de température ΔT(K)

 

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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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-émittance

L'EMITTANCE est une notion valable pour toutes les émissions

C'est une puissance surfacique spatiale (puissance émise depuis une certaine grande surface et dans un certain angle solide).

Equation aux dimensions structurelles : M.T-3.A-1       Symbole de désignation : D      

Unité S.I.+ : W/m²-sr   (ou le nit si c'est de la lumière)

 

FORMULAIRE d'EMITTANCE

D = P / S.Ω

où D(W/m²-sr)= émittance

P(W)= puissance émise par une grande surface S(m²) en un angle solide Ω(sr)

D = φ'.E / t

L'émittance est aussi un débit de fluence d'énergie E(J)

φ'(m-2-sr-1)= fluence et t(s)= temps (qui justifie le terme "débit")

 

TERMINOLOGIE

En thermique cette puissance surfacique spatiale a pour nom émittance, sauf si l'émetteur est de petite surface >> elle est alors nommée exitance thermique

Pour les particules (faisceaux larges) et pour les  rayons ionisants, elle est nommée émittance.Mais pour la lumière, elle est nommée luminance ou éventuellement exitance lumineuse

 

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-énergie (en général)

L'énergie (en Physique) est la grandeur contenue dans un système,  permettant à celui-ci d'exprimer son évolution sous diverses formes, connues et mesurables sous les noms de INTERACTION, de TRAVAIL, de RAYONNEMENT, de CHALEUR , d'ENTROPIE, de CREATION de MATIERE ou de PRODUCTION ELECTRIQUE.

 

L'énergie est la grandeur basique de la Physique et elle est impliquée dans toutes les notions de force, de champ, de potentiel, d'interaction, etc.

 

Selon son utilisation, on la présente sous de nombreux noms et synonymes listés ci-après :

 

Domaine de l'Acoustique:

 

Energie acoustique--Energie de réflexion acoustique--

 

Domaine de la Chimie:

 

Potentiel chimique--Energie molaire--Explosion--

 

Domaine de la Cosmologique :

 

Energie de l'univers-

 

Domaine Electromagnétique :

 

Energie d'aimantation de cristaux--Energie d'une bobine--Energie d'un condensateur--Energie de conduction électrique--Energie de Coulomb--Energie d'un courant--Energie d'un feuillet, d'un dipôle--Energie électromagnétique--Energie magnétique--Extra-courant de rupture--

 

Domaine des Fluides :

 

Energie osmotique--

 

Domaine de la Mécanique:

 

Energie cinétique--Energie de cohésion--Energie de déformation--Energie de frottement--Energie d'interaction(Newton)--Energie potentielle--Energie de recul--Energie relativiste--Energie de torsion--Force vive--Travail--

 

 Domaine des Ondes rayonnées:

 

Absorption lumineuse--Diffraction--Eclairage (pour 1 lumière reçue)--Emission de rayonnements (ou énergie rayonnante)--Emission--Energie de dose--Energie d'ionisation--Energie de rayonnements thermiques--Opalescence (lumière émise)--Réflexion lumineuse--Transmission lumineuse--Travail de sortie--

 

Domaine des Particules :

 

Antisymétrie et Asymétrie--Barrière de potentiel--Energie d'activation--Energie de de Broglie--Energie de collision--Energie de Fermi--Energie de Landau--Energie de liaison--Energie du noyau--Energie nucléaire--Energie particulaire--Energie de Planck--Energie quantifiée--Energie de Rydberg--Energie de seuil--Hamiltonien--Lagrangien--

 

Domaine des Phénomènes périodiques :

 

Energies d'oscillation & vibration--

 

Domaine de la Thermique:

 

Chaleur--Chaleur latente--Combustion--Conduction (thermique)--Convection--Effet (ou perte) Joule--Energie calorifique ou thermique--Energie de Gibbs--Energie interne--Energie libre de Helmholtz--Energie solaire--Energie thermique reçue--Energie thermique réfléchie--Energie thermique transmise--Enthalpie--Potentiels thermodynamiques--Grand potentiel--Pouvoir calorifique--

 

et parallèlement Température

 

Domaine des Transformations et conversions:

 

Absorpsion-- Anergie--Atténuation--Diffusion--Dissipation--Energie fondamentale(ou minimale)--Energie stationnaire--Exergie--

 

Domaine de la Vie courante : Energies renouvelables--Energies épuisables--Energie métabolique (et alimentaire)--

 

 

 

Equation aux dimensions de toute forme d'énergie : L².M.T-2      

 

Symboles : E (et W pour le travail)      Unité S.I.+ = le Joule (J)

 

 

 

Relations entre unités d'énergie

 

1 pétatonne de T.N.T                           vaut # 4,2.1024 J.

 

1 million de barils de pétrole                 valent 6.1018 J.

 

1 mégatonne de T.N.T                          vaut # 4,2.1015 J.

 

1 tonne d’équivalent uranium (T.e.U)    vaut 5.1013 J. (+ ou - 20% selon type de production)

 

1 tonne de T.N.T                                    vaut # 4,2.10J.

 

1 tonne d’équivalent pétrole (T.e.p)       vaut # 4,2.1010 J.

 

1 tonne d’équivalent charbon (T.e.c)      vaut 2,8 .10J.

 

1 gigajoule                                              vaut 10J.

 

1 tonne d’équivalent gaz naturel              vaut 3,5.10 J.

 

1 thermie (th) ou kiloCalorie(kCal)          vaut 4,185.10J.

 

1 kilowatt-heure (kwh)                             vaut 3,600.10J.

 

1 cheval-heure(chh)                               vaut 2,648.10J.

 

1 mégajoule                                           vaut 10J.

 

1 Calorie(Cal)                                        vaut 4,185.10J.

 

1 frigorie (fg)--terme désuet--                 valait 4,185.10J.

 

1 British thermal unit(B.T.U)                  vaut 1,054.10J.

 

1 kilogrammètre(kgm)                            vaut 9,806 J.

 

1 petite calorie (cal)--terme désuet-      valait 4,185. J.

 

1 lumen-seconde(lm.s)                      vaut 1/ye   fois 10-2 J. (ye= efficacité lumineuse)

 

1 erg                                                   vaut 10-7J.

 

1 Gigaélectronvolt(GeV)                    vaut 1,602.10-10 J.

 

1 unité de masse élémentaire(mo)     équivaut à 1,492.10-10 J.

 

1 Mégaélectronvolt(MeV)                   vaut 1,602.10-13 J.

 

 1 électronvolt(eV)                              vaut 1,602.10-19 J. 

 

 

 

RELATIONS ENTRE L'ÉNERGIE et d'AUTRES GRANDEURS

 

Énergie = champ d’induction x moment d’entité-charge induite

 

Énergie = FLUX d’induction x entité-charge linéique induite

 

Énergie = fréquence d'action (action x fréquence)

 

Énergie = potentiel d’induction x entité-charge induite

 

Énergie = force x distance (du déplacement de la force)

 

Énergie = puissance x temps

 

Énergie massique = énergie / masse

 

Énergie molaire = énergie / quantité de matière

 

Énergie spatiale = énergie / angle solide

 

Énergie surfacique = énergie / surface (ou section)

 

on dit aussi densité superficielle d'énergie

 

Énergie volumique ou (synonyme) densité volumique d’énergie = énergie / volume

 

 

 

CONSERVATION DE L’ÉNERGIE

 

Dans tout processus physique, l’énergie totale est conservée (une énergie peut se transformer éventuellement en d’autres formes, mais leur somme est constante, donc invariable)

 

-un système conservatif est tel qu’une certaine forme d’énergie ne change pas pendant une certaine évolution (par exemple >> l'énergie mécanique sans amortissement - ou autre exemple : un système hamiltonien)

 

-un système dissipatif est tel qu’une forme d’énergie ne se conserve pas (elle est transformée en une autre forme)

 

 

 

CONVERSIONS ÉNERGÉTIQUES

 

voir  chapitre spécial 

 

Voir aussi chapitre voisin des puissances (énergétiques)

 

 

 

ORDRES DE GRANDEURS de TRÈS GROSSES ÉNERGIES

 

Exprimées approximativement, en tonnes de T.N.T (et entre parenthèses en Joules)

 

La + forte dose de TNT déjà utilisée # 4.500 t. de TNT (2.1013 J)

 

La bombe d'Hiroshima # 15.000 t.de TNT (6.1013 J)

 

La météorite sibérienne toungouse # 30.000 t.de TNT (1014 J)

 

La + grosse bombe atomique essayée (URSS) # 50.000 t.de TNT (2.1014 J)

 

L'annihilation d'un kilo d'antimatière # 50.000 t.de TNT (2.1014J)

 

La consommation de pétrole par jour (# 5.1017 J.)

 

Un tremblement de terre moyen # 10 milliards de t.de TNT (1020 J)

 

Une explosion de supernova #  1028 t.de TNT (1037 J)

 

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-énergie massique

Une énergie incluse, ou reçue, ou absorbée par une certaine masse d’un corps est dénommée énergie massique

Celà peut concerner les appareils électriques, le corps humain, les objets, etc

Equation aux dimensions : L2.T-2     Symbole de désignation : q'        Unité S.I.+ : le J/kg

Relation entre unités : 1Wh /kg vaut 3,6.103 J/kg

 

EQUATION GÉNÉRALE

q' = E / m

où q’(J/kg)= énergie massique d’un corps de masse m(kg) concerné par une énergie E(J)

 

DIVERS NOMS de l'ÉNERGIE MASSIQUE

-en gravitation >>> potentiel d’induction gravitationnel (q’g) pour une énergie produite par un corps, grâce à sa charge mésonique

-en thermique >>> pouvoir calorifique massique (q’p) pour une énergie produite sous forme calorifique

-en thermique >>> chaleur massique (q’c) pour une énergie produite sous forme calorifique et dépendant en outre des qualités thermiques du corps

-en thermique >>> enthalpie massique (q’H) si c'est une énergie d'un système servant à un changement d'état du système

-en dosimétrie >>> dose (q’d) si c'est une énergie ionisante, absorbée par un corps --avec son cas particulier: équivalent de dose (q’é)

-en mécanique >>> accélération aréolaire (q’a) qui est le Lagrangien (ou variation de) vitesse aréolaire par rapport au temps

-en physique des particules >>>  ou (vitesse de la lumière)² pour une énergie produite par une particule, ramenée à sa masse (relation d’Einstein  E= m.c²)

Attention: souvent, dans des formules établies par les " Initiés", ce terme (c²) est posé égal à 1 et il disparaît ainsi des formules !

-en physique des particules >>> énergie massique de Rydberg (q’R)

= (f.aé² / Jo.)² / 2     où Jo= NOMBRE d'onde,f(Hz) fréquence, aé(sr)= constante couplage

-cas d'une énergie stockée : s'il s'agit d'un appareil qui stocke une énergie, proportionnellement à sa masse constructive

q’ = Eé/ m   où q'(J/kg) = énergie massique stockée, Eé(J)= énergie stockée dans l’appareil et m(kg)= masse de l’appareil

>>> Exemples: une batterie d’accumulateurs usuelle stocke de 2 à 3.105 Joules par kilogramme de batterie, soit 70 à 100 Wh/kg

(certaines batteries au lithium ou manganèse peuvent atteindre 1500 Wh/kg)

Comparer avec l'énergie stockée dans un carburant liquide (qui a un pouvoir calorifique de 10.000 Wh/kg), donc 7 fois mieux que dans une batterie d'accus;  

Comparer aussi avec un condensateur ultra (le plus performant), qui stocke 2.104 Joules / kg de condensateur

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