C'est ainsi que le terme efficacité est généralement utilisé, mais il existe une définition un peu plus technique qui est utilisée en physique.
Lorsque nous parlons d'efficacité en physique, nous faisons référence au rapport entre l'énergie utile produite par un système et l'énergie totale transférée à ce système.
Pourrappel, en physique, l'énergie est définie comme la propriété d'un système qui lui permet d'effectuer un travail et de provoquer un changement dans le mouvement d'un objet ou de le chauffer. Nous pouvons distinguer différents types d'énergie, tels que l'énergie mécanique (liée au mouvement), l'énergie thermique (liée à la température), l'énergie sonore, l'énergie cinétique, l'énergie électrique, etc.
L'indice d'efficacité d'un appareil électrique peut être un moyen utile et rapide de juger de son efficacité avec précision, adapté de l'image de Loominade CC BY-SA 4.0.
Pour comprendre le concept d'efficacité, il est important de comprendre la loi de conservation de l'énergie. Cette loi stipule que l'énergie n'est ni créée ni détruite. Au lieu de cela, elle est transférée d'une forme à une autre de différentes manières. Lorsque nous parlons d'efficacité, nous faisons référence à la différence entre l'énergie introduite dans le système et l'énergie utile obtenue à partir du système, qui sera toujours inférieure à l'énergie totale introduite. C'est cette différence qui explique la perte d'énergie. Mais comme le dit la loi de la conservation de l'énergie, cette énergie n'est pas détruite. Cette énergie est transformée en d'autres types d'énergie tels que l'énergie thermique, qui augmente la température du système, ou l'énergie sonore, qui produit un son que nous pouvons entendre.
Il est important de comprendre la différence entre l'efficience et l'efficacité. Être efficace, c'est obtenir le résultat souhaité en perdant le moins d'énergie possible par rapport à l'énergie totale utilisée. En revanche, l'efficacité est la probabilité d'obtenir le résultat souhaité, quelle que soit la quantité de ressources utilisées ou gaspillées au cours du processus. Par exemple, l'utilisation d'animaux pour labourer les champs peut être efficace, mais elle n'est pas très économe en énergie parce qu'il faut beaucoup d'énergie pour faire pousser les cultures qui servent à nourrir les animaux, et beaucoup d'énergie est gaspillée dans la digestion de la nourriture, la croissance et l'entretien de l'animal, la culture des parties non comestibles des cultures, etc.
Imagine que nous ayons une voiture que nous remplissons d'huile. Cette huile est transformée en énergie par le système grâce au moteur de la voiture. Mais, lorsque nous démarrons la voiture, nous constatons que le moteur augmente sa température, qu'il commence à faire du bruit, etc. Par conséquent, toute l'énergie que nous avons "introduite" sous forme d'huile (qui génère du travail utile en brûlant cette huile) ne serait pas complètement convertie en mouvement de la voiture.
Nous pouvons calculer l'efficacité de cette voiture pour voir quel pourcentage de l'énergie introduite est transformé en l'énergie mécanique que nous désirons. Cela nous indiquera l'efficacité de la voiture. N'oublie pas que cela n'a rien à voir avec l'efficacité de la voiture. Tant que la voiture atteint son objectif (transporter les gens d'un point à un autre), elle est efficace.
Les voitures de compétition essaient d'être aussi efficaces que possible car c'est une caractéristique importante pour être compétitif.
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
Faisons un exercice facile pour voir comment nous pourrions calculer l'efficacité d'une machine. Imagine un moteur qui prendminutes pour effectuer un processus (comme déplacer une voiture ou heurter de l'eau) qui nécessite une énergie de
. Ce moteur consomme (théoriquement)
. Quel est le rendement de cette machine ?
Tout d'abord, nous devons calculer la puissance impliquée dans le processus mentionné. Comme nous l'avons vu précédemment, pour calculer la puissance (rappelle-toi que nous exprimons le temps en secondes) :
Il ne nous reste plus qu'à calculer le rendement η à l'aide des formules que nous avons apprises. Rappelle-toi que la puissance impliquée dans le processus sera(résultat) et que la puissance théoriquement consommée par la machine sera
(revenu) :
La machine a donc un rendement de(pour calculer le pourcentage, il suffit de multiplier le rendement par
).
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, et
est 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.
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.
L'efficacité en physique - Principaux enseignements
- Lerendement est le rapport entre l'énergie utile produite par un système et l'énergie totale apportée.
- L'énergie peut être transformée de différents types en d'autres types, tels que l'énergie thermique, l'énergie mécanique, l'énergie lumineuse, etc.
- Laloi de la conservation de l'énergie stipule que l'énergie n'est ni créée ni détruite, mais qu'elle est transformée d'une forme à une autre. Par conséquent, il y a une perte d'énergie dans un processus qui se transforme en un autre type d'énergie. Normalement, cette perte d'énergie est produite par le frottement.
- Il existe une relation directe entre la perte d'énergie d'un processus et l'efficacité de la machine qui l'exécute.
- L'efficacité est le degré de réussite d'un résultat souhaité, quelles que soient les ressources utilisées. Une machine peut être efficace mais pas efficiente.
- Pour calculer l'efficacité, nous divisons l'énergie du résultat par l'énergie du revenu. Cela fonctionne de la même façon pour l'énergie.
- L'efficacité peut être augmentée de nombreuses façons. Pour l'efficacité mécanique, nous pouvons utiliser la lubrification et les roues. De même, l'efficacité électrique peut être augmentée grâce à des techniques concernant la modification de l'énergie ou les supraconducteurs.
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