Physique-chimie Troisième
Une bouilloire et une petite casserole sur un réchaud peuvent chauffer la même eau, mais la bouilloire va beaucoup plus vite : elle transfère plus d'énergie chaque seconde. On dit qu'elle est plus puissante.
La puissance nominale est écrite sur l'appareil ou sur sa notice : lampe 100 W, ordinateur 60 W, réfrigérateur 150 W, radiateur 1500 W, bouilloire 2000 W, lave-linge 3000 W…
Plus un appareil est puissant, et plus il fonctionne longtemps, plus il consomme d'énergie :
On peut transformer la relation avec le triangle de la proportionnalité : \(P = \dfrac{E}{t}\) et \(t = \dfrac{E}{P}\).
Une lampe de puissance 100 W reste allumée pendant une heure. 📄 ✏️ 🧮
\(t = 1\ \text{h} = 3600\ \text{s}\).
\(E = P \times t = 100 \times 3600 = 360\,000\ \text{J}\) : un nombre déjà très grand pour une simple lampe pendant une heure !
À la maison, on consomme des millions de joules chaque jour : les nombres deviennent vite énormes et peu pratiques. Les fournisseurs d'électricité utilisent donc une unité d'énergie beaucoup plus grande, adaptée à la vie quotidienne : le kilowattheure (kWh).
Le kilowattheure est l'énergie consommée par un appareil de 1 kW (1000 W) pendant 1 h (3600 s) :
Reprenons la lampe de 100 W allumée pendant une heure. 📄 ✏️ 🧮
\(P = 100\ \text{W} = 0{,}1\ \text{kW}\), donc \(E = P \times t = 0{,}1 \times 1 = 0{,}1\ \text{kWh}\). C'est la même énergie que 360 000 J, mais le nombre est bien plus simple !
\(P = 3000\ \text{W} = 3\ \text{kW}\), donc \(E = P \times t = 3 \times 2 = 6\ \text{kWh}\) (soit 21 600 000 J !).
Le compteur électrique de la maison mesure l'énergie consommée, en kWh. Voici une facture d'électricité simplifiée :
Observe la facture. 📄 ✏️ 🧮
En kilowattheures (kWh), l'unité d'énergie des factures d'électricité.
C'est l'énergie consommée pendant les deux mois, en kWh : la différence entre les deux relevés du compteur, \(12\,729 - 12\,450 = 279\ \text{kWh}\).
0,25 € le kWh. Montant : \(279 \times 0{,}25 = 69{,}75\ \text{€}\).
Lampe : \(E = 0{,}1\ \text{kWh}\), coût \(= 0{,}1 \times 0{,}25 = 0{,}025\ \text{€}\) (2,5 centimes). Lave-linge : \(E = 6\ \text{kWh}\), coût \(= 6 \times 0{,}25 = 1{,}50\ \text{€}\).
Une caméra thermique détecte le rayonnement infrarouge et le traduit en fausses couleurs : les zones les plus chaudes, qui émettent le plus, apparaissent en jaune ou en rouge. On l'utilise pour repérer les fuites de chaleur d'une maison, surveiller la température des êtres vivants, ou observer la Terre depuis les satellites.
Observe l'image thermique de la maison (en hiver). 📄 ✏️
Les fenêtres, la porte, les bords du toit et la cheminée : ce sont elles qui émettent le plus de rayonnement infrarouge.
Ces zones laissent fuir la chaleur de la maison : de l'énergie est perdue, et le chauffage consomme davantage. Il faudrait isoler le toit et poser des fenêtres à double vitrage.
La lumière du Soleil traverse l'atmosphère et est absorbée par le sol, qui s'échauffe. Le sol émet alors un rayonnement infrarouge vers l'espace. Les gaz à effet de serre de l'atmosphère (dioxyde de carbone, vapeur d'eau, méthane) absorbent une partie de ce rayonnement infrarouge et en renvoient une partie vers le sol, qui reste ainsi plus chaud.
L'essentiel à retenir du chapitre.
| Appareil | P (W) | t (h) | E (kWh) | Coût (€) |
|---|---|---|---|---|
| téléviseur | 100 | 3 | ||
| radiateur | 1500 | 4 | ||
| bouilloire | 2000 | 0,1 | ||
| réfrigérateur | 150 | 24 | ||
| four | 2500 | 1,5 |
Une box internet de puissance 10 W reste allumée jour et nuit, toute l'année (365 jours). Prix du kWh : 0,25 €.
\(t = 365 \times 24 = 8760\ \text{h}\).
\(P = 10\ \text{W} = 0{,}01\ \text{kW}\), donc \(E = P \times t = 0{,}01 \times 8760 = 87{,}6\ \text{kWh}\).
\(87{,}6 \times 0{,}25 \approx 21{,}90\ \text{€}\) par an, pour un seul appareil ! Éteindre les appareils la nuit ou pendant les vacances permet de faire des économies.
Une bouilloire de puissance 2000 W chauffe l'eau pour un thé en 3 minutes.
\(t = 3 \times 60 = 180\ \text{s}\), donc \(E = P \times t = 2000 \times 180 = 360\,000\ \text{J}\).
C'est la même énergie (360 000 J) : la bouilloire, 20 fois plus puissante, la consomme 20 fois plus vite (3 min au lieu de 60 min).
En été, l'intérieur d'une voiture garée au soleil peut dépasser 60 °C. On conseille de poser un pare-soleil réfléchissant derrière le pare-brise.
Les sièges et le tableau de bord absorbent le rayonnement du Soleil : ils reçoivent de l'énergie et s'échauffent.
Les objets chauds émettent à leur tour un rayonnement infrarouge, que les vitres laissent mal ressortir : l'énergie reste à l'intérieur.
Il renvoie le rayonnement du Soleil vers l'extérieur au lieu de l'absorber : moins d'énergie entre dans la voiture.