Puissance et rendement

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Objectifs

  • Comprendre la notion de puissance dans les échanges thermiques,
  • Comprendre et utiliser les notions de pertes et de rendement dans les échanges de chaleur.

Divers appareils peuvent nous fournir de la chaleur. A titre d’exemple on peut mentionner une cuisinière électrique ou à gaz, un thermoplongeur, un four, ou simplement un feu de bois.

Puissance d’une source de chaleur

La puissance d’une source nous indique la quantité de chaleur qu’elle fournit à chaque seconde. L’unité standard pour indiquer la puissance est le watt (W). Une puissance d’un watt correspond à un joule de chaleur par seconde. Par exemple une plaque électrique de 500 W fournie 500 joules de chaleur à chaque seconde.

P=\frac{Q}{t}

P : puissance (W)
Q : chaleur fournie (J)
t : durée (s)

Il est ainsi assez simple de déterminer la quantité de chaleur fournit par une source si on connait sa puissance. Par exemple la quantité de chaleur fournit par une plaque électrique de 500 W en une minute (60 secondes) est de Q = 500 · 60 = 30’000 J.

Notez que dans le chapitre sur les échanges de chaleur la notion de puissance est la seule où apparait la durée (t).

Rendement et pertes

Il est inévitable qu’une partie de la chaleur fournit par une source se disperse dans l’environnement. On doit tenir compte de cette chaleur « perdu » dans les expériences et exercices de physique où apparait une source de ce type. L’information sur ces pertes peut être donnée sous deux formes : soit on indique le pourcentage de la puissance perdu soit le pourcentage de puissance pas perdu (ou puissance utile).

Par exemple si pour chauffer de l’eau on utilise une plaque électrique d’une puissance de 500 W (puissance fournie par la plaque) et que les pertes sont de 20% (c’est à dire que le rendement est de 80%) alors la puissance utile (la puissance qui sert effectivement à chauffer l’eau) est de 80% de 500 W : . Autrement dit l’eau reçoit 400 J de chaleur à chaque seconde et 100 J de chaleur sont dissipées dans l’environnement.

PUtile = PFournie • rendement

Dans l’exemple ci-dessus la chaleur perdue est dissipée dans l’environnement et n’est pas transmise à l’eau. Pour déterminer la quantité de chaleur fournie par une source à un corps il faut donc utiliser la puissance utile :

QReçue = QFournie • t

Même s’il est impossible de réduire les pertes à zéro (rendement de 100%), on peut les diminuer en isolant au maximum le système (mettre un couvercle sur le casserole pour chauffer l’eau, utiliser un calorimètre pour les expériences d’échange de chaleur etc.).