Efficacité en Physique

Formule et symbole de l'efficacité

Nous comprenons maintenant ce qu'est l'efficacité en physique. Mais nous avons besoin d'un moyen de la calculer, n'est-ce pas ? En général, nous pouvons exprimer l'efficacité comme suit :

L'efficacité peut également être représentée par le symbole . Il est facile de voir que l'efficacité n'a pas d'unités, puisqu'il s'agit du rapport de deux variables ayant les mêmes unités. Cette efficacité doit être, au maximum, égale à un et toujours supérieure ou égale à zéro. Dans un processus non idéal, il est inférieur à un. Si l'on veut exprimer ce rendement en pourcentage, il suffit de le multiplier par 100 :

Nous pouvons également exprimer le rendement en termes de puissance totale d' entrée et de puissance utile de sortie , ce qui correspond au taux de variation du transfert d'énergie et peut s'exprimer comme suit :

, ou en mots,

Par conséquent, si nous connaissons la puissance de revenu d'un système ou d'une machine et sa puissance de résultat, nous pouvons calculer l'efficacité de la manière suivante :

Dans un cas non idéal, le revenu de l'énergie doit être supérieur à l'énergie de résultat. Par conséquent, nous pouvons exprimer cette différence comme suit :

Oùfait référence à l'énergie qui est perdue dans le processus en d'autres types d'énergie. Il existe d'autres façons de calculer l'efficacité d'un système en fonction de l'énergie impliquée dans le processus, ce que nous verrons dans la prochaine rubrique avec quelques exemples.

Calcul de l'efficacité

Exemples d'efficacité en physique

Tout au long de l'article, nous avons discuté de la façon dont l'énergie peut prendre différentes formes et nous avons calculé l'efficacité pour ces différents types d'énergie. Voyons maintenant quelques exemples de ces énergies et voyons comment utiliser la formule du rendement pour calculer l'efficacité dans ces cas.

Rendement mécanique

Dans ce cas, une machine effectue un travail qui consiste à déplacer un objet sur une certaine distance. Par conséquent, l'énergie du revenu est utilisée pour effectuer ce travail, qui sera l'énergie du résultat. On utilise la formule précédente pour calculer le rendement.

La perte d'énergie est produite par la friction, qui est une force de résistance au mouvement, de sorte que l'énergie se dissipe sous forme de chaleur ou de son. Un exemple est une voiture, tout autre type de véhicule ou toute autre machine avec un moteur ou des pièces mobiles.

Rendement électrique

Pour calculer le rendement électrique, nous utilisons également la formule que nous avons vue précédemment de la division entre le revenu et la puissance de sortie. Nous utilisons ce rendement pour certains appareils électroménagers et certaines ampoules. Certaines techniques permettent d'augmenter le rendement électrique, comme nous le verrons plus loin.

Dans le cas décrit pour l'efficacité thermique où deux sources ont des températures différentes, l'efficacité peut être calculée comme suit :

Oùest la chaleur qui quitte la machine qui transforme la chaleur en travail, etest la chaleur qui entre.

Dans les machines thermiques, il y a une limite à l'efficacité.Cette limite est établie par le théorème deCarnot ( ). Ce théorème stipule que l'efficacité maximale d'une machine thermique est donnée par les températures des sources.

estla température de la source la plus chaude etest la température de la source la plus froide. Quels que soient les ajustements effectués pour éviter les pertes d'énergie telles que les frottements, le rendement ne sera pas supérieur à celui-ci.

Moteur thermique de Carnot, commons.wikimedia.org

Augmenter l'efficacité en physique

L'augmentation de l'efficacité est l'un des principaux objectifs lorsque nous utilisons de l'énergie et que nous la transférons. C'est pourquoi il est si important de trouver des moyens de minimiser les pertes d'énergie.

Par exemple, comme nous l'avons vu, lorsque nous transformons n'importe quel type d'énergie en énergie mécanique, un certain pourcentage de cette énergie est perdu en raison de la friction. Il existe des moyens de réduire cette perte d'énergie :

• La force de frottement, et donc la perte d'énergie, est directement proportionnelle au coefficient de frottement, qui est propre à chaque surface. L'utilisation de surfaces ayant un coefficient de frottement plus faible ou l'utilisation de lubrifiants peuvent contribuer à réduire la perte d'énergie.
• Lorsque l'objet est en mouvement, l'utilisation de roues peut aider à réduire les effets de la friction. De même, nous pouvons essayer de réduire la résistance produite par l'air en nous déplaçant plus lentement ou en utilisant des conceptions aérodynamiques, où l'effet de résistance de l'air est plus faible en raison de la façon dont il s'écoule.

De nos jours, il est également essentiel d'améliorer l'efficacité électrique. Lorsque nous transportons de l'électricité d'un point à un autre sur de longues distances, nous y parvenons principalement en réduisant le courant et en augmentant la tension pour une puissance donnée dans les lignes électriques. De cette façon, l'électricité peut voyager plus rapidement et les pertes énergétiques sont réduites à deux pour cent environ. Une fois que l'électricité est arrivée dans les zones peuplées, la puissance est réduite.

Les lignes électriques où la tension est augmentée afin de maximiser l'efficacité.

On pourrait aussi utiliser des supraconducteurs pour réduire les pertes d'énergie. Ces supraconducteurs sont constitués de matériaux qui permettent à l'électricité de les traverser sans être chauffée et avec une perte d'énergie à peu près nulle en raison de leur résistance électrique extrêmement faible. Le problème avec ce type de matériaux supraconducteurs, c'est qu'ils sont très coûteux à entretenir et que leur utilisation n'est donc pas viable économiquement à l'heure actuelle.