Sauter à un chapitre clé
Nous espérons que cet article te permettra de t'informer et de t'encourager, car nous ne faisons qu'effleurer les nombreux secrets de l'énergie. Tout au long de cet article, tu apprendras ce qu'est la dissipation d'énergie, plus communément appelée énergie perdue : sa formule et ses unités, et tu feras même quelques exemples de dissipation d'énergie. Mais ne commence pas encore à te sentir épuisé ; nous ne faisons que commencer.
Conservation de l'énergie
Pour comprendre la dissipation de l'énergie, nous devrons d'abord comprendre la loi de la conservation de l'énergie.
Laconservation de l 'énergie est le terme utilisé pour décrire le phénomène physique selon lequel l'énergie ne peut être ni créée ni détruite. Elle peut seulement être convertie d'une forme à une autre.
Si l'énergie ne peut être ni créée ni détruite, comment peut-elle se dissiper ? Nous répondrons à cette question plus en détail un peu plus loin, mais pour l'instant, rappelle-toi que si l'énergie ne peut être ni créée ni détruite, elle peut être convertie en diverses formes. C'est lors de la conversion de l'énergie d'une forme à une autre que l'énergie peut se dissiper.
Interactions physiques
La dissipation d'énergie nous aide à mieux comprendre les interactions physiques. En appliquant le concept de la dissipation d'énergie, nous pouvons mieux prédire comment les systèmes se déplacent et agissent. Mais pour bien comprendre cela, nous devons d'abord nous familiariser avec l'énergie et le travail.
Un système composé d'un seul objet ne peut avoir que de l'énergie cinétique, ce qui est parfaitement logique car l'énergie est généralement le résultat d'interactions entre les objets. Par exemple, l'énergie potentielle peut résulter de l'interaction entre un objet et la force gravitationnelle de la terre. En outre, le travail effectué sur un système est souvent le résultat de l'interaction entre le système et une force extérieure. L'énergie cinétique, en revanche, ne dépend que de la masse et de la vitesse d'un objet ou d'un système ; elle ne nécessite pas d'interaction entre deux ou plusieurs objets. Par conséquent, un système composé d'un seul objet n'aura toujours que de l'énergie cinétique.
Un système impliquant l'interaction entre des forces conservatrices peut avoir à la fois de l'énergie cinétique et de l' énergie potentielle. Comme indiqué dans l'exemple ci-dessus, l'énergie potentielle peut résulter de l'interaction entre un objet et la force gravitationnelle de la terre. La force de gravité est conservatrice ; elle peut donc être le catalyseur qui permet à l'énergie potentielle d'entrer dans un système.
L'énergie mécanique
L'énergie mécanique est l'énergie cinétique plus l'énergie potentielle, ce qui nous amène à sa définition.
L'énergie mécanique est l'énergie totale basée sur la position ou le mouvement d'un système.
Comme l'énergie mécanique est la somme de l'énergie cinétique et de l'énergie potentielle d'un objet, sa formule ressemblerait à ceci :
$$E_\text{mec} = KE + U\mathrm{.}$$$.
Travail
Letravail est l'énergie transférée à l'intérieur ou à l'extérieur d'un système sous l'effet d'une force extérieure. La conservation de l'énergie exige que toute modification d'un type d'énergie dans un système soit équilibrée par une modification équivalente d'autres types d'énergie dans le système ou par un transfert d'énergie entre le système et son environnement.
Fig. 2 - Lorsque l'athlète saisit et balance le marteau, un travail est effectué sur le système marteau-terre. Une fois que le marteau est relâché, tout ce travail a disparu. L'énergie cinétique doit équilibrer l'énergie potentielle jusqu'à ce que le marteau touche le sol.
Prenons par exemple le lancer du marteau. Pour l'instant, nous nous concentrerons uniquement sur le mouvement du marteau dans la direction verticale et nous ne tiendrons pas compte de la résistance de l'air. Tant que le marteau repose sur le sol, il n'a pas d'énergie. Cependant, si j'effectue un travail sur le système marteau-terre et que je le ramasse, je lui donne une énergie potentielle qu'il n'avait pas auparavant. Cette modification de l'énergie du système doit être équilibrée. En le tenant, l'énergie potentielle équilibre le travail que j'ai effectué sur lui lorsque je l'ai ramassé. Cependant, une fois que j'ai balancé puis lancé le marteau, tout le travail que je faisais disparaît.
C'est un problème. Le travail que je faisais sur le marteau n'équilibre plus l'énergie potentielle du marteau. À mesure qu'il tombe, la composante verticale de la vitesse du marteau augmente ; cela lui donne de l'énergie cinétique, avec une diminution correspondante de l'énergie potentielle à mesure qu'il s'approche de zéro. Maintenant, tout va bien parce que l'énergie cinétique a provoqué un changement équivalent de l'énergie potentielle. Ensuite, une fois que le marteau a touché le sol, tout revient à la situation initiale, car il n'y a plus de changement d'énergie dans le système marteau-terre.
Si nous avions inclus le mouvement du marteau dans la direction horizontale, ainsi que la résistance de l'air, nous devrions faire la distinction entre la composante horizontale de la vitesse du marteau et le fait que le marteau vole parce que la force de friction de la résistance de l'air ralentit le marteau. La résistance de l'air agit comme une force extérieure nette sur le système, l'énergie mécanique n'est donc pas conservée et une certaine énergie est dissipée. Cette dissipation d'énergie est directement due à la diminution de la composante horizontale de la vitesse du marteau, qui entraîne un changement de l'énergie cinétique du marteau. Ce changement d'énergie cinétique résulte directement de la résistance de l'air qui agit sur le système et lui dissipe de l'énergie.
Remarque que nous examinons le système marteau-Terre dans notre exemple. L'énergie mécanique totale est conservée lorsque le marteau frappe le sol car la Terre fait partie de notre système. L'énergie cinétique du marteau est transférée à la Terre, mais comme la Terre est beaucoup plus massive que le marteau, la modification du mouvement de la Terre est imperceptible. L'énergie mécanique n'est pas conservée uniquement lorsqu'une force extérieure nette agit sur le système. La Terre, cependant, fait partie de notre système, et l'énergie mécanique est donc conservée.
Définition de l'énergie dissipée
Cela fait maintenant longtemps que nous parlons de la conservation de l'énergie. D'accord, j'admets qu'il y a eu beaucoup de mise en place, mais il est maintenant temps d'aborder ce qui fait l'objet de cet article : la dissipation d'énergie.
Un exemple typique de dissipation d'énergie est l'énergie perdue à cause des forces de frottement.
Ladissipation d'énergie est l'énergie transférée hors d'un système en raison d'une force non conservatrice. Cette énergie peut être considérée comme gaspillée car elle n'est pas stockée sous forme d'énergie utile et le processus est irréversible.
Par exemple, disons que Sally s'apprête à descendre un toboggan. Au début, toute son énergie est potentielle. Puis, au fur et à mesure qu'elle descend le toboggan, son énergie est transférée de l'énergie potentielle à l'énergie cinétique. Cependant, le toboggan n'est pas sans frottement, ce qui signifie qu'une partie de son énergie potentielle se transforme en énergie thermique en raison du frottement. Sally ne récupérera jamais cette énergie thermique. Par conséquent, nous appelons cette énergie dissipée.
Nous pouvons calculer cette énergie "perdue" en soustrayant l'énergie cinétique finale de Sally de son énergie potentielle initiale :
$$\text{Energie dissipée}=PE-KE.$$
Le résultat de cette différence nous donnera la quantité d'énergie qui a été convertie en chaleur en raison de la force de frottement non conservatrice agissant sur Sally.
La dissipation d'énergie a les mêmes unités que toutes les autres formes d'énergie : les joules.
L'énergie dissipée est directement liée à la deuxième loi de la thermodynamique, qui stipule que l'entropie d'un système augmente toujours avec le temps en raison de l'incapacité de l'énergie thermique à se convertir en travail mécanique utile. Cela signifie essentiellement que l'énergie dissipée, par exemple l'énergie perdue par Sally à cause du frottement, ne peut jamais être reconvertie dans le système sous forme de travail mécanique. Une fois que l'énergie se transforme en quelque chose d'autre que de l'énergie cinétique ou potentielle, cette énergie est perdue.
Types de dissipateurs d'énergie
Comme nous l'avons vu ci-dessus, l'énergie dissipée résultante était directement due à une force non conservatrice agissant sur Sally.
Lorsqu'une force non conservatrice agit sur un système, l'énergie mécanique n'est pas conservée.
Tous les dissipateurs d'énergie fonctionnent en utilisant des forces non conservatrices pour agir sur le système. Le frottement est un exemple parfait de force non conservatrice et de dissipateur d'énergie. Le frottement du toboggan a fait travailler Sally, ce qui a entraîné le transfert d'une partie de son énergie mécanique (l'énergie potentielle et cinétique de Sally) en énergie thermique, ce qui signifie que l'énergie mécanique n'était pas parfaitement conservée. Par conséquent, pour augmenter l'énergie dissipée d'un système, nous pouvons augmenter le travail effectué par une force non conservatrice sur ce système.
D'autres exemples typiques de dissipateurs d'énergie comprennent :
- Les frottements des fluides tels que la résistance de l'air et la résistance de l'eau.
- Les forces d'amortissement dans les oscillateurs harmoniques simples.
- Les éléments de circuit (nous parlerons plus en détail des forces d'amortissement et des éléments de circuit plus tard) tels que les fils, les conducteurs, les condensateurs et les résistances.
La chaleur, la lumière et le son sont les formes les plus courantes d'énergie dissipée par des forces non conservatrices.
Un bon exemple de dissipateur d'énergie est un fil dans un circuit. Les fils ne sont pas des conducteurs parfaits ; par conséquent, le courant du circuit ne peut pas circuler parfaitement à travers eux. Comme l'énergie électrique est directement liée au flux d'électrons dans un circuit, la perte de certains de ces électrons par la moindre résistance d'un fil entraîne la dissipation de l'énergie du système. Cette énergie électrique "perdue" quitte le système sous forme d'énergie thermique.
Énergie dissipée par la force d'amortissement
Nous allons maintenant parler d'un autre type de dissipateur d'énergie : l'amortissement.
L'amortissement est une influence sur ou à l'intérieur d'un oscillateur harmonique simple qui réduit ou empêche son oscillation.
Tout comme l'effet de la friction sur un système, une force d'amortissement appliquée à un objet oscillant peut entraîner la dissipation de l'énergie. Par exemple, les ressorts amortis dans la suspension d'une voiture lui permettent d'absorber le choc des rebonds de la voiture lorsqu'elle roule. Normalement, l'énergie due à de simples oscillateurs harmoniques ressemble à la figure 4 ci-dessous, et en l'absence d'une force extérieure telle que le frottement, ce schéma se poursuivrait indéfiniment.
Fig. 3 - L'énergie totale d'un ressort oscille entre le stockage de la totalité de l'énergie cinétique et celui de la totalité de l'énergie potentielle.
Cependant, lorsque le ressort est amorti, le schéma ci-dessus ne se reproduira pas indéfiniment car à chaque nouvelle montée et descente, une partie de l'énergie du ressort sera dissipée en raison de la force d'amortissement. Au fil du temps, l'énergie totale du système diminuera et, finalement, toute l'énergie sera dissipée du système. Le mouvement d'un ressort affecté par l'amortissement ressemblerait donc à ceci.
Rappelle-toi que l'énergie ne peut être ni créée ni détruite : le terme d'énergie perdue fait référence à l'énergie qui s'est dissipée d'un système. Par conséquent, l'énergie perdue ou dissipée en raison de la force d'amortissement du ressort pourrait changer de forme et se transformer en énergie thermique.
Voici quelques exemples d'amortissement :
- Traînée visqueuse, comme la traînée de l'air sur un ressort ou la traînée due à un liquide dans lequel on place le ressort.
- Résistance dans les oscillateurs électroniques.
- La suspension, comme celle d'un vélo ou d'une voiture.
L'amortissement ne doit pas être confondu avec le frottement. Alors que le frottement peut être une cause d'amortissement, l'amortissement s'applique uniquement à l'effet d'une influence pour ralentir ou empêcher les oscillations d'un simple oscillateur harmonique. Par exemple, un ressort dont le côté latéral est en contact avec le sol subit une force de frottement lorsqu'il oscille d'avant en arrière. La figure 5 montre un ressort qui se déplace vers la gauche. Lorsque le ressort glisse sur le sol, il ressent la force de frottement qui s'oppose à son mouvement, dirigée vers la droite. Dans ce cas, la force \(F_\text{f}\) est à la fois une force de frottement et d'amortissement.
Fig. 4 - Dans certains cas, le frottement peut agir comme une force d'amortissement sur un ressort.
Il est donc possible d'avoir simultanément des forces de frottement et d'amortissement, mais cela n'implique pas toujours leur équivalence. La force d'amortissement ne s'applique que lorsqu'une force s'exerce pour s'opposer au mouvement oscillatoire d'un oscillateur harmonique simple. Si le ressort lui-même était vieux et ses composants durcis, cela entraînerait la réduction de son mouvement oscillatoire et ces vieux composants pourraient être considérés comme des causes d'amortissement, mais pas de frottement.
Énergie dissipée dans un condensateur
Il n'y a pas une seule formule générale pour la dissipation d'énergie parce que l'énergie peut être dissipée différemment selon la situation du système.
Dans le domaine de l'électricité, du magnétisme et des circuits, l'énergie est stockée et dissipée dans des condensateurs. Les condensateurs agissent comme des réserves d'énergie dans un circuit. Une fois qu'ils sont complètement chargés, ils agissent comme des résistances parce qu'ils ne veulent plus accepter de charges. La formule de dissipation de l'énergie dans un condensateur est la suivante :
$$Q=I^2X_\text{c} = \frac{V^2}{X_\text{c}}, \$$
où \(Q\) est la charge, \(I\) est le courant, \(X_\text{c}\) est la réactance, et \(V\) est la tension.
La réactance \(X_\text{c}\) est un terme qui quantifie la résistance d'un circuit à un changement dans son flux de courant. La réactance est due à la capacité et à l'inductance d'un circuit et fait en sorte que le courant du circuit soit déphasé par rapport à sa force électromotrice.
L'inductance d'un circuit est la propriété d'un circuit électrique qui génère une force électromotrice en raison de la variation du courant d'un circuit. Par conséquent, la réactance et l'inductance s'opposent l'une à l'autre. Bien qu'il ne soit pas nécessaire de le savoir pour l'AP Physics C, tu dois comprendre que les condensateurs peuvent dissiper l'énergie électrique d'un circuit ou d'un système.
Nous pouvons comprendre comment l'énergie se dissipe à l'intérieur d'un condensateur en analysant attentivement l'équation ci-dessus. Les condensateurs ne sont pas censés dissiper l'énergie ; leur but est de la stocker. Cependant, les condensateurs et les autres composants d'un circuit dans notre univers non idéal ne sont pas parfaits. Par exemple, l'équation ci-dessus montre que la charge perdue (Q) est égale à la tension du condensateur au carré (V^2) divisée par la réactance (X_text{c}). Ainsi, la réactance, ou la tendance d'un circuit à s'opposer à une variation du courant, entraîne l'évacuation d'une partie de la tension du circuit, ce qui se traduit par une dissipation d'énergie, généralement sous forme de chaleur.
Tu peux considérer la réactance comme la résistance d'un circuit. Note qu'en remplaçant le terme de réactance par celui de résistance, on obtient l'équation suivante
$$\text{Énergie dissipée} = \frac{V^2}{R}.$$
Cela équivaut à la formule de la puissance
$$P=\frac{V^2}{R}.$$
Le lien ci-dessus est éclairant car la puissance est égale à la vitesse à laquelle l'énergie change par rapport au temps. Ainsi, l'énergie dissipée dans un condensateur est due au changement d'énergie dans le condensateur sur un certain intervalle de temps.
Exemple de dissipation d'énergie
Faisons un calcul sur la dissipation d'énergie avec Sally sur la diapositive comme exemple.
Sally vient de fêter ses trois ans. Elle est très excitée à l'idée de descendre le toboggan du parc pour la première fois. Elle pèse un poids énorme de 20,0 kg. Le toboggan qu'elle s'apprête à descendre mesure \N(7,0\Nm) mètres de haut. Nerveuse mais excitée, elle glisse la tête la première en criant "WEEEEEE !". Lorsqu'elle atteint le sol, elle a une vitesse de \(10\,\mathrm{\rrac{m}{s}}}). Quelle quantité d'énergie a été dissipée à cause du frottement ?
Fig. 5 - Au fur et à mesure que Sally descend le toboggan, son énergie potentielle se transforme en énergie cinétique. La force de frottement du toboggan dissipe une partie de l'énergie cinétique du système.
Calcule d'abord son énergie potentielle en haut du toboggan à l'aide de l'équation :
$$U=mg\Delta h,$$
avec notre masse comme suit ,
$$m=20.0\,\mathrm{kg}\mathrm{,}$$
la constante gravitationnelle comme,
$$g=10.0\,\mathrm{\frac{m}{s^2}\\}\mathrm{,}$$
et notre changement de hauteur comme,
$$\Delta h = 7.0\,\mathrm{m}\mathrm{.}$$$
Après avoir branché toutes ces valeurs, nous obtenons ,
$mg\Delta h = 20,0\\Nmathrm{kg} \times 10.0\,\mathrm{\frac{m}{s^2}\\} \times 7.0\,\mathrm{m}\mathrm{,}$$
qui possède une énergie potentielle impressionnante de
$$U=1400\,\mathrm{J}\mathrm{.}$$
Rappelle-toi que la conservation de l'énergie stipule que l'énergie ne peut être ni créée ni détruite. Par conséquent, voyons si son énergie potentielle correspond à son énergie cinétique lorsqu'elle termine la diapositive commençant par l'équation :
$$KE=\frac{1}{2}\ mv^2,$$
où notre vitesse est,
$$v=10\ \mathrm{\frac{m}{s}\\}\mathrm{.}$$
En substituant ces valeurs, on obtient ,
$$\frac{1}{2}\Nmv^2=\frac{1}{2}\Nfrac{1}{2}\Nfrac{1}{2}\Nfrac{1}{2}\Nfrac{1}{2} fois 20,0\N,\Nmathrm{kg} \times 10^2\mathrm{\frac{m^2}{s^2}\\}\mathrm{,}$$
qui possède une énergie cinétique de ,
$$KE=1000\,\mathrm{J}\mathrm{.}$$
L'énergie potentielle initiale et l'énergie cinétique finale de Sally ne sont pas les mêmes. Selon la loi de la conservation de l'énergie, cela est impossible à moins qu'une partie de l'énergie ne soit transférée ou convertie ailleurs. Par conséquent, il doit y avoir une perte d'énergie due au frottement que Sally génère en glissant.
Cette différence entre l'énergie potentielle et l'énergie cinétique sera égale à l'énergie dissipée par Sally à cause du frottement :
$$U-KE=\mathrm{Énergie dissipée}\mathrm{.}$$.
Il ne s'agit pas d'une formule générale pour l'énergie dissipée d'un système ; c'est juste une formule qui fonctionne dans ce scénario particulier.
En utilisant la formule ci-dessus, nous obtenons ,
$$1400\,\mathrm{J}-1000\,\mathrm{J}=400\,\mathrm{J}\mathrm{,}$$
par conséquent, notre énergie dissipée est,
$$\mathrm{Énergie dissipée} = 400,\mathrm{J}\mathrm{.}$$
Dissipation de l'énergie - Points clés
Laconservation de l'énergie est le terme utilisé pour décrire le phénomène physique selon lequel l'énergie ne peut être ni créée ni détruite.
Un système composé d'un seul objet ne peut avoir que de l'énergie cinétique. Un système impliquant l'interaction entre des forces conservatrices peut avoir une énergie cinétique ou potentielle.
L'énergie mécanique est une énergie basée sur la position ou le mouvement d'un système. Il s'agit donc de l'énergie cinétique plus l'énergie potentielle : $$E_\text{mec}= KE + U\mathrm{.}$$.
Toute modification d'un type d'énergie au sein d'un système doit être équilibrée par une modification équivalente d'autres types d'énergie au sein du système ou par un transfert d'énergie entre le système et son environnement.
Ladissipation d'énergie est l'énergie transférée hors d'un système en raison d'une force non conservatrice. Cette énergie peut être considérée comme gaspillée parce qu'elle n'est pas stockée de façon à pouvoir être utilisée et qu'elle est irrécupérable.
Un exemple typique de dissipation d'énergie est l'énergie perdue à cause du frottement. L'énergie est également dissipée à l'intérieur d'un condensateur et en raison des forces d'amortissement agissant sur les oscillateurs harmoniques simples.
La dissipation d'énergie a les mêmes unités que toutes les autres formes d'énergie : Joules.
L'énergie dissipée est calculée en trouvant la différence entre l'énergie initiale et l'énergie finale d'un système. Tout écart entre ces énergies doit être de l'énergie dissipée, sinon la loi de conservation de l'énergie ne sera pas respectée.
Références
- Fig. 1 - Formes d'énergie, StudySmarter Originals
- Fig. 2 - Le lancer du marteau (https://www.flickr.com/photos/calliope/7361676082) par liz west (https://www.flickr.com/photos/calliope/) est sous licence CC BY 2.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/)
- Fig. 3 - Graphique de l'énergie en fonction du déplacement, StudySmarter Originals
- Fig. 4 - Frottement agissant sur un ressort, StudySmarter Originals
- Fig. 5 - Girl Sliding Down Slide (https://www.kitchentrials.com/2015/07/15/how-to-have-an-awesome-day-with-your-kids-for-free-seriously/) by Katrina (https://www.kitchentrials.com/about/about-me/) is licensed by CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)
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