FORMULES de PHYSIQUE
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G3.NOTIONS ÉNERGÉTIQUES
conductance-conduction-conductivité
Conduction exprime une facilité de circulation (ou de propagation) des charges (en acoustique, en électricité,en hydraulique, en lumière ou en thermique)
--conductivité, conductibilité, conductance, conducteurs ainsi que les admittances sont les grandeurs permettant d'étudier la conduction.
Rappelons qu'en thermique, la conduction est définie comme un échange de chaleur entre 2 zones d'un même corps ou entre 2 corps contigus stables
UNE CONDUCTIVITE
implique une facilité de mouvement des charges, au détriment de la puissance nécessaire pour qu'elles circulent vite
C'est donc la contrainte envers l'énergie mise en oeuvre pour déplacer des charges (électriques, mécaniques, acoustiques, thermiques , etc ) dans un milieu ou dans un corps.
>>> plus la conductivité d’un corps est élevée, plus il est facile d’y faire circuler les charges, mais il faudra plus d'énergie pour les pousser à y circuler
Exemple la conductivité mécanique a* = E/S.v3 où l'on remarque que plus la conductivité est élevée, plus cela consomme de l'énergie (S est la section et v la vitesse).
Les diverses conductivités utilisées en Physique sont citées ci-dessous (les dimensions sont différentes, car les charges en cause ne sont pas de même nature)
-en électricité, on utilise la conductivité électrique dite aussi Admittance linéique (ou même conductance linéique pour ceux qui s'amusent à confondre admittance et conductance en oubliant l'angle solide qui les différencie)
dimensions : L-3.M-1.T3.I2 symbole σ' unité S.I.+ : (S / m)
-en fluidique, on utilise la conductivité acoustique pour les gaz et la conductivité hydraulique pour les liquides
dimensions L-3.M.T symbole a* unité le kg-s/m3
-en thermique, on a pris l'habitude de dédoubler les noms:
---d'une part la facilité de faire circuler les charges (avec nécessité d'y insuffler de la puissance) est nommée conductibilité thermique dimensions L-3.M-1.T3.Θ symbole c* et unité K/W-m
---d'autre part la facilité de faire circuler facilement l'énergie (sans pour autant libérer facilement les charges) est nommée conductivité thermique, symbolisée l* de dimensions L.M.T-3.Θ-1 En fait cette grandeur l* est une notion conductive pour les charges thermiques, mais elle est parallèlement résistive pour l'énergie dépensée à les faire circuler et pour celà on la nomme aussi résistance thermique linéique (elle résiste en consommant de la puissance, mais cela facilite l'écoulement des charges)
UNE ADMITTANCE
est la circulation d'une conductivité et pareillement, elle indique une facilité de mouvement des charges, au détriment de la puissance nécessaire pour les faire vite circuler.
UNE CONDUCTANCE
est -stricto sensu- une admittance spatiale (c.à.d. admittance répartie dans un angle solide) Mais comme beaucoup de gens veulent ignorer la dimension de l'angle solide, ils disent qu'une conductance est la même chose qu'une admittance (sans se demander pourquoi il y a justement deux mots différents pour exprimer la même grandeur !) >>> donc on trouve très souvent:
-la conductance thermique (dimension L-2.M-1.T3.Θ.A-1) anormalement confondue avec l'admittance thermique (dim° L-2.M-1.T3.Θ)
-la conductance électrique (dimension L-2.M-1.T3.I2.A-1) anormalement confondue avec l'admittance électrique (dim° L-2.M-1.T3.I2 )
-la conductance énergétique (dimension L-2.M.T.A-1) anormalement confondue avec l'admittance énergétique (dim° L-2.M.T)
Les dimensions ci-dessus montrent bien les similarités entre les diverses conductances.
Toute conductance est proportionnelle au type de charge conduite et inversement proportionnelle à l'énergie -ou puissance- nécessaire pour les bouger.Donc conductance implique facilité de mouvement des charges, au détriment de l'énergie nécessaire pour leurs mouvements.
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.W où Q(C) est la charge électrique, t(s) le temps,W(sr) l'angle solide et E(J) l'énergie
La conductance électrique est l’inverse de l’impédance de milieu
Et l’admittance, de son côté, est l’inverse d’une impédance (résistance) simple
Quand un électron de la bande de valence change de niveau énergétique (par ex. sous influence de la température) il migre vers l'extérieur, vers la bande de conduction)- en laissant un trou derrière lui.
Si le gap est faible (< 2 eV) la conductance électrique -dite alors électronique- est forte. L'électron voyage encore plus loin avec facilité et le matériau est dit conducteur
Si le gap est moyen (3 à 9 eV) la conductance électronique est moyenne. L'électron voyage plus ou moins facilement et le matériau est dit semi-conducteur
Si le gap est fort (> 10 eV) la conductance électronique est faible. L'électron voyage très difficilement et le matériau est dit isolant
cas particulier de conductance énergétique Dimensions (L-2.M.T.A-1)
Définition conductance fluidique = m²/ E.t.W
où m(kg) est la masse (charge), t(s) le temps, E(J) l'énergie et W l’angle solide
est la terminologie de conductance électrique en cas d'une solution électrolytique
est un cas particulier de conductance énergétique, ce terme est en général confondu avec celui d’admittance optique (dimension L-2.M.T) car souvent la notion d'angle solide est occultée
la conductance thermique est -stricto sensu- une admittance thermique spatiale (c.à.d. admittance répartie dans un angle solide) Mais comme beaucoup de gens veulent ignorer la dimension de l'angle (solide ou plan !), ils disent qu'une conductance est la même chose qu'une admittance (ce qui est cependant faux !)
Ces notions expriment l’aptitude d’un matériau à conduire la chaleur en son sein grâce à des inter-chocs moléculaires (et par contact aux interfaces éventuels avec d'autres matériaux, dans un phénomène qu'on nomme conduction)
Dimensions de la conductance : L-2.M-1.T3.Θ.A-1 Symbole A’ Unité S.I.+ = K / W-sr
Définition A' = (cq)² / E.t.W où cq(s-K1/2) est la charge calorifique , t(s) le temps, W(sr) l'angle solide et E(J) l'énergie
AUTRES NOTIONS PROCHES de la CONDUCTION
voir les chapitres admittance thermique, coefficients de transferts,et à l'opposé:la résistance thermique
énergie superficielle
Une énergie arrivant sur une surface ou traversant la section d'un objet, reçoit le nom générique d'énergie superficielle ou énergie surfacique
De nombreux autres termes synonymes sont utilisés selon les cas d'espèces:
--en chimie: constante de force
--en cosmologie: facteur de force
--en dosimétrie: exposition énergétique
--en fluidique: tension superficielle
--en mécanique: charge linèique
--en résistance des matériaux: constante élastique, dureté, raideur, rigidité mécanique, résilience, tenacité
Equation aux dimensions : M.T-2 Symbole : W' Unité S.I.+ : J/m² ou N/m
équirépartition de l'énergie
Enoncé du théorème de l'équirépartition de l'énergie
L'énergie totale d'un système thermodynamique à l'équilibre est répartie en parties moyennes égales entre ses divers composants
H = [Σ(W'.l²) +Σ(Q'² /m)] = (1/2).n.KB.T
H est l'hamiltonien, W' l'énergie superficielle, l une coordonnée généralisée, Q' l'impulsion, m la masse, n le nombre de termes quadratiques composant H, KB la constante de Boltzmann et T la température absolue
le kilowattheure
Le kilowattheure (kwh) est une unité de mesure d'énergie.Et pas seulement en électricité: le kWh est une unité générale pour l''énergie, valant 3,6.106 Joules.
Le kiloWatt est -de son côté- une unité de puissance (c'est à dire une énergie dépensée en un instant)
1.Utilisation à travers l'électricité
-un kilowattheure est l'énergie de 1 m3 d'eau tombant sur une turbine électrique située en contrebas de 370 mètres.
>> (Eq = m.g.lh) soit (1000)x(9,81)x(370)
-un kilowattheure permet de chauffer 9 litres d'eau de 0 à 100 degrés C°
>> (Eq = c'.m.ΔT) soit (4185)x(9)x(100)
-un kilowattheure permet de chauffer sa maison l'hiver pendant 30 minutes avec une pompe à chaleur >> 2 kW installés pendant 1/2 heure (E = P.t) soit = (2)x(0,5)
-un kilowattheure est la consommation d'une lampe électrique incandescence halogénée de 40 W pendant 1 journée complète
>> (E = P.t) soit ~ (40)x(86400)
2.en dehors de l'électricité, le kilowattheure (kwh) valant 3,6.106 Joules, représente >>
- l'énergie de 2000 m3 d'air se déplaçant dans un très fort ouragan
>> (E = 1/2 mv²) soit (0,5)x(2000)x(60²)
- l'énergie nécessaire au réchauffage de 700 m3 d'air de (seulement) un degré
>> (Eq = c'.m.ΔT) soit (4185)x(700 fois 1,225)x(1)
- l'énergie d'un gros camion chargé, heurtant 1 obstacle à 80 km/h
<< (E = 1/2 mv²) soit (0,5)x(15000)x(22²)
-l'énergie (travail) de 1,2 tonne tombée du haut de la tour Eiffel
>> (Eq = m.g.lh) soit (1200)x(9,81)x(310)
-l'énergie pour faire fondre 10 kg de glace ou bien pour chauffer 9 litres d'eau
de 0 à 100 degrés C° >> (Eq = c'.m.ΔT) soit (4185)x(9)x(100)
--l'autonomie d'une voiture pour rouler pendant 4 km à vitesse normale -ou, ce qui équivaut à la combustion d'un petit verre de pétrole
>> (Eq = m. q’p) soit (0,085)x(pouvoir calor. q'p de 4,2.107 J/kg)
-l'énergie produite par un fort travail du corps humain (énergie métabolique) pendant 3 heures >> soit E = P.t donc (330 Watts)x(3 fois 3600 s)
source (en Science Physique)
En Physique, une source est un émetteur d'énergie
-une source de chaleur a des origines soit mécanique, soit chimique, soit électrique, soit
de rayonnement .
Ces diverses origines énergétiques produisent de la chaleur en se transformant
-source chaude et source froide dans un système thermodynamique sont les deux termes
exprimant que la chaleur s’écoule d’un point plus chaud qu’un autre.
-une source de courant (électrique)
est émettrice de courant. Si elle est relative à la tension (électrique), elle peut
-soit être indépendante (valeur identique quel que soit le circuit dans lequel elle existe)
-soit être liée (sa valeur est proportionnelle à la d.d.p. entre 2 points distincts du circuit)
-une source de lumière est un émetteur (ou réémetteur) de rayons lumineux
-une source sonore est un appareil émetteur d’ondes acoustiques
stockage d'énergie
Le stockage de l'énergie est résumable dans le diagramme de Ragone, montrant, sous forme d'abaques, l'énergie spécifique (énergie massique, q' en Wh/kg) comparée à la puissance spécifique (p' en W/kg) et ceci pour les divers types de corps stockeurs d'énergie
--les supercondensateurs ont une (q') entre 1 et 5 Wh/kg pour une (p') d'environ 1000 W/kg
--l'air comprimé a une (q') entre 5 et 10 Wh/kg pour une (p') d'environ 100 à 500 W/kg
--un volant d'inertie a une (q') entre 10 et 70 Wh/kg pour une (p') d'environ 100 à 500 W/kg
--une batterie d'accus a une (q') entre 50 et 300 Wh/kg pour une (p') de 500 à 1000 W/kg
--une pile à combustible a une (q') entre 100 & 1000 Wh/kg pour une (p') de 10 à 60 W/kg
--du carbutant liquide a une (q') entre 500 et 5000 Wh/kg pour une (p') de 100 à 600 W/kg