Conversion de l’Énergie et Rendement (5ème)
L'énergie ne se perd pas, elle se transforme !
Dans la vie de tous les jours, nous utilisons de l'énergie sous différentes formes : l'énergie électrique pour allumer une lampe, l'énergie chimique de la nourriture pour bouger, etc. Souvent, un appareil transforme une forme d'énergie en une autre forme que l'on souhaite utiliser. Par exemple, une lampe transforme l'énergie électrique en énergie lumineuse. Mais cette transformation est-elle parfaite ? Toute l'énergie consommée est-elle transformée en énergie utile ? C'est ce que nous allons découvrir avec le concept de rendement.
Énoncé de l'exercice : Comparaison de deux lampes
- Lampe A (Incandescence) :
- Énergie électrique consommée : \(E_{\text{consommée A}} = 60 \, \text{Joules (J)}\)
- Énergie lumineuse utile produite : \(E_{\text{utile A}} = 3 \, \text{J}\)
- Lampe B (LED) :
- Énergie électrique consommée : \(E_{\text{consommée B}} = 10 \, \text{J}\)
- Énergie lumineuse utile produite : \(E_{\text{utile B}} = 3 \, \text{J}\)
Schéma : Conversion d'énergie dans une lampe
Une lampe consomme de l'énergie électrique et la transforme en énergie lumineuse (utile) et en énergie thermique (perdue).
Questions à traiter
- Quelle est la forme d'énergie consommée par les deux lampes ?
- Quelle est la forme d'énergie utile produite par les deux lampes ?
- Pour la Lampe A (Incandescence), calcule l'énergie "perdue" sous forme de chaleur. (Rappel : Énergie consommée = Énergie utile + Énergie perdue)
- Pour la Lampe B (LED), calcule l'énergie "perdue" sous forme de chaleur.
- Le rendement d'un appareil est une mesure de son efficacité. Il se calcule par la formule : \(\text{Rendement} = \frac{\text{Énergie utile}}{\text{Énergie consommée}}\). Calcule le rendement de la Lampe A. Donne le résultat sous forme décimale, puis en pourcentage (multiplie par 100).
- Calcule le rendement de la Lampe B. Donne le résultat sous forme décimale, puis en pourcentage.
- Compare les rendements des deux lampes. Laquelle est la plus efficace ? Pourquoi est-ce important de choisir des appareils avec un bon rendement ?
Correction : Comparaison de deux lampes
Question 1 : Forme d'énergie consommée
Principe :
Les lampes sont des appareils électriques qui ont besoin d'une source d'énergie pour fonctionner.
Réponse :
Les deux lampes consomment de l'énergie électrique.
Question 2 : Forme d'énergie utile produite
Principe :
Le but principal d'une lampe est de produire une forme d'énergie spécifique qui nous est utile.
Réponse :
La forme d'énergie utile produite par les deux lampes est l'énergie lumineuse (la lumière).
Question 3 : Énergie perdue par la Lampe A (Incandescence)
Principe :
L'énergie ne disparaît jamais, elle se transforme. L'énergie électrique consommée par la lampe est transformée en énergie lumineuse (utile) et en énergie thermique (chaleur, considérée comme perdue pour l'éclairage). On a donc : Énergie consommée = Énergie utile + Énergie perdue. Pour trouver l'énergie perdue, on fait : Énergie perdue = Énergie consommée - Énergie utile.
Données spécifiques (Lampe A) :
- Énergie électrique consommée (\(E_{\text{consommée A}}\)) : \(60 \, \text{J}\)
- Énergie lumineuse utile (\(E_{\text{utile A}}\)) : \(3 \, \text{J}\)
Calcul :
Question 4 : Énergie perdue par la Lampe B (LED)
Principe :
On utilise la même logique que pour la Lampe A : Énergie perdue = Énergie consommée - Énergie utile.
Données spécifiques (Lampe B) :
- Énergie électrique consommée (\(E_{\text{consommée B}}\)) : \(10 \, \text{J}\)
- Énergie lumineuse utile (\(E_{\text{utile B}}\)) : \(3 \, \text{J}\)
Calcul :
Quiz Intermédiaire 1 : Si un appareil consomme \(100 \, \text{J}\) d'énergie et produit \(40 \, \text{J}\) d'énergie utile, combien d'énergie est perdue ?
Question 5 : Rendement de la Lampe A
Principe :
Le rendement mesure l'efficacité d'une conversion d'énergie. C'est le rapport entre l'énergie utile obtenue et l'énergie totale consommée. Un rendement plus élevé signifie que l'appareil gaspille moins d'énergie.
Pour l'exprimer en pourcentage, on multiplie le résultat décimal par 100.
Données spécifiques (Lampe A) :
- Énergie utile (\(E_{\text{utile A}}\)) : \(3 \, \text{J}\)
- Énergie consommée (\(E_{\text{consommée A}}\)) : \(60 \, \text{J}\)
Calcul :
En pourcentage :
Question 6 : Rendement de la Lampe B
Principe :
On utilise la même formule de rendement pour la Lampe B.
Données spécifiques (Lampe B) :
- Énergie utile (\(E_{\text{utile B}}\)) : \(3 \, \text{J}\)
- Énergie consommée (\(E_{\text{consommée B}}\)) : \(10 \, \text{J}\)
Calcul :
En pourcentage :
Question 7 : Comparaison et importance du rendement
Comparaison :
- Rendement Lampe A : \(5\%\)
- Rendement Lampe B : \(30\%\)
La Lampe B (LED) a un rendement de \(30\%\), ce qui est beaucoup plus élevé que le rendement de la Lampe A (Incandescence) qui est de \(5\%\). Cela signifie que la Lampe B transforme une plus grande partie de l'énergie électrique qu'elle consomme en lumière utile, et en gaspille moins sous forme de chaleur.
Donc, la Lampe B (LED) est la plus efficace.
Importance du rendement :
Il est important de choisir des appareils avec un bon rendement pour plusieurs raisons :
- Économies d'énergie : Un appareil plus efficace consomme moins d'énergie pour faire le même travail. Cela permet de réduire la facture d'électricité.
- Protection de l'environnement : Consommer moins d'énergie signifie qu'il faut en produire moins, ce qui peut aider à réduire la pollution et l'utilisation des ressources naturelles.
- Moins de gaspillage : L'énergie perdue (souvent en chaleur) ne sert à rien pour la fonction principale de l'appareil et peut même être gênante (par exemple, une lampe qui chauffe beaucoup une pièce en été).
Quiz Intermédiaire 2 : Un appareil avec un rendement de \(80\%\) signifie que :
Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)
1. Quelle est la principale forme d'énergie consommée par une télévision ?
2. Un moteur consomme \(200 \, \text{J}\) d'énergie électrique et produit \(150 \, \text{J}\) d'énergie mécanique (utile). Quelle est l'énergie perdue sous forme de chaleur ?
3. Un appareil a un rendement de \(0.25\). Quel est son rendement en pourcentage ?
Glossaire des termes importants
- Énergie
- Capacité à produire un travail ou à provoquer un changement. Elle existe sous différentes formes (électrique, lumineuse, thermique, chimique, mécanique, etc.). L'unité d'énergie est le Joule (J).
- Conversion d'énergie
- Transformation de l'énergie d'une forme à une autre (par exemple, une lampe transforme l'énergie électrique en énergie lumineuse et thermique).
- Énergie consommée (ou absorbée)
- L'énergie totale qu'un appareil utilise pour fonctionner.
- Énergie utile
- La forme d'énergie que l'on souhaite obtenir de l'appareil pour sa fonction principale (par exemple, la lumière pour une lampe).
- Énergie perdue (ou dissipée)
- L'énergie qui est transformée en formes non désirées lors d'une conversion (souvent de la chaleur).
- Rendement (\(\eta\))
- Mesure de l'efficacité d'une conversion d'énergie. C'est le rapport entre l'énergie utile produite et l'énergie consommée. Il est souvent exprimé en pourcentage. Un rendement de \(100\%\) signifierait qu'il n'y a aucune perte d'énergie, ce qui est idéal mais rarement atteint en pratique.
- Joule (J)
- L'unité de mesure de l'énergie dans le Système International.
- Lampe à incandescence
- Un type de lampe plus ancien qui produit de la lumière en chauffant un filament jusqu'à ce qu'il devienne lumineux. Elle a un rendement lumineux faible (beaucoup de chaleur perdue).
- Lampe LED (Diode Électroluminescente)
- Un type de lampe moderne qui produit de la lumière de manière plus efficace, avec moins de pertes de chaleur. Elle a un bon rendement lumineux.
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