Chapitre 5: ENERGIE ELECTRIQUE - Physique-Chimie Troisième | DigiClass
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ENERGIE ELECTRIQUE

I.  Notion d’énergie électrique

A.  Définition

L’énergie électrique consommée par un appareil est égale au produit de sa puissance par la durée de son fonctionnement

$E = P \cdot t$

B.  Unités d’énergie électrique

  • Unité légale

Dans le système international l’unité de l’énergie électrique est le joule (J)

On utilise également ses multiples comme le kilojoule (kJ), le mégajoule (MJ)

  • Unités pratiques

On exprime l’unité l’énergie électrique de la façon suivante :

$\underbrace{𝐄}_{𝐰𝐡}$ = $\underbrace{𝐏}_{𝐰} \cdot \underbrace{𝐭}_{𝐡}$ ou $\underbrace{𝐄}_{𝐤𝐰𝐡}$ = $\underbrace{𝐏}_{𝐤𝐰} \cdot \underbrace{𝐭}_{𝐡}$

$\textbf{Équivalence entre unité pratique et unité légale}$ : 1wh = 3600 J       1kwh = 3600 kJ
$\textbf{Énergie consommée dans une installation}$
Dans une installation comportant plusieurs appareils, l’énergie totale consommée est également à la somme des énergies consommées par chaque appareil.
$E = E_1 + E_2 + \cdots E_n$

II.  Mesure de l’énergie électrique consommée par un appareil thermique

La connaissance de la tension U et l’intensité I du courant qui traverse le thermoplongeur nous permet de calculer la puissance consommée par l’appareil :
$P = U \cdot I$

En mesurant le temps t de fonctionnement de l’appareil on peut calculer l’énergie électrique consommée par le thermoplongeur.
$E = P \cdot  t ==> E = U \cdot I \cdot t$

Exemple : un thermoplongeur branché au secteur U = 221V est traversé par un courant d’intensité I = 1,42A. il fonctionne pendant une durée t = 70s au cours duquel l’eau contenu dans le thermoplongeur de masse me = 250 g passe de la température ti = 25°C à la température finale $t_f = 45°C$
L’énergie électrique consommée par le thermoplongeur est :
$E = U \cdot I \cdot t$     $E = 221 \times 1,42 \times 70$   $E = 21967,4J$
De façon générale l’énergie électrique consommée par un appareil thermique peut s’écrire : $E = U \cdot I \cdot t$

III.  Transfromation de l'énergie électrique en chaleur

A.  Effet joule

On appelle effet joule la transformation de l’énergie électrique en chaleur lors du passage du courant électrique dans un conducteur électrique. Exemple : cuisinière électrique ; fer à repasser ; chauffe-eau ; $\cdots$

B.  Quantité de chaleur reçue par l’eau

$\textbf{Cas de l’expérience précédente :}$
Le thermoplongeur en consommant de l’énergie électrique transforme celle-ci en chaleur qui permet l’élévation de la température de l’eau.
La quantité de chaleur est une énergie et s’exprime en joule
L’expérience montre que l’échauffement de l’eau est proportionnelle à la variation de la température $∆t = t_f − t_i$ et de la masse m d’eau.

   $𝐐 = 𝐦 \cdot 𝐜(𝐭_𝐟 − 𝐭_𝐢)$

C : est le coefficient de proportionnalité.
Il représente la quantité de chaleur nécessaire pour élever de 1°C la température de 1kg d’eau. L’expérience montre que C = 4,186kJ pour l’eau.
Quantité de chaleur reçue par l’eau dans l’expérience précédente :
Q = 0,250x4,186(45-25) Q = 20,93 kJ

C.  Rendement d’un appareil thermique

En comparant l’énergie électrique consommée pour l’échauffement de l’eau et la quantité de chaleur reçue par l’eau on constate que Q < E.
On conclut qu’il y a perte d’énergie au cours de la transformation de l’énergie électrique en chaleur. Pour cela on définit un rendement r.
Le rendement est le rapport de l’énergie de sortie (quantité de chaleur)sur l’énergie d’entrée (énergie électrique)
$r = \frac{E_{sortie}}{E_{entrée}} = \frac{Q}{E}$  AN : $r = \frac{20930}{21967,4}$ $r = 0,95 $ ou $r =95%$

IV.  Le compteur d'énergie électrique

A.  Rôle et description du compteur

Le compteur électrique est un appareil qui sert à quantifier l’énergie électrique consommée dans une installation. Cette énergie est mesurée en kWh.
Un compteur possède un disque qui se met en rotation à chaque fois qu’un appareil fonctionne. Cette rotation du disque provoque l’avancement d’un totaliseur.
Le nombre lu sur le totaliseur représente l’énergie électrique consommée depuis la mise en service du compteur.

B.  Énergie consommée dans une installation

L’énergie électrique consommée dans une installation peut être connue à partir des relevés du compteur.
E = Nouveau index – Ancien index

C.  Facture d’électricité

La facture d’électricité comprend :
$\textbf{La contrepartie} de l’abonnement constituée de la prime fixe et la redevance,
$\textbf{La consommation} qui est proportionnelle à l’énergie consommée
$\textbf{Des taxes :}$

  • $\textbf{TDE :}$ Taxe de Développement de l’électrification,
  • $\textbf{TSDAAE :}$ Taxe de Soutien au Développement des Activités Audiovisuelles de l’Etat
  • $\textbf{TVA :}$ Taxe à la Valeur Ajoutée

V.  EXERCICES D’APPLICATION

Questions de cours
1) Définir : énergie électrique ; effet joule ;

Exercice 1 : Un appareil électrique fonctionne seul pendant 10 minutes, le disque compteur enregistrant la consommation de l’installation effectue alors 8 tours.
1) Le compteur porte l’indication 5 Wh/ tours. Que signifie-t-elle ?
2) En déduire la puissance électrique de cet appareil

EXERCICE 2 :
Un fer à repasser électrique dont la puissance est illisible est traversé par un courant de 2A il fonctionne sous une tension 220V.
1) Quelle est la puissance électrique de ce fer ?
2) Calculer sa résistance

3) Une résistance équivalente à celle de ce fer est utilisée dans un chauffe-eau contenant 50 litres d’eau. Sachant que l’intensité du courant qui alimente ce chauffe-eau est 5A. Pendant combien de temps doit-il être branché pour que la température de l’eau passe de 20°c à 40°C. On admettra qu’il faut 4,2kJ pour élever de 1°C la température de 1kg d’eau.

EXERCICE 3 : Un chauffe-eau électrique de puissance 2kw fonctionne pendant 1h30minutes.
1) Calculer l’énergie électrique qu’il consomme.
2) Sachant que 40% de cette énergie ont servi à chauffer 20 litres d’eau prise à 5°C. Calculer la quantité de chaleur absorbée par les 20 litres d’eau.
3) Calculer la température finale de l’eau.
On admettra qu’il faut 4,2kj pour élever de 1°c la température de 1kg d’eau.