Un ballon d’eau chaude garde sa chaleur toute la nuit, un accumulateur alimente un téléphone pendant des heures, un barrage sert de réserve d’énergie à un pays entier. Ce chapitre sur le stockage et les transferts d’énergie apprend à calculer l’énergie emmagasinée, la façon dont elle se déplace, et la vitesse à laquelle un système la perd.
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Stockage et transferts : où et comment stocker l’énergie ?
Stocker de l’énergie, c’est la conserver sous une forme qui pourra être convertie plus tard en énergie utile. Il existe plusieurs formes de stockage, choisies selon la quantité d’énergie, la durée et la rapidité de restitution recherchées.
| Moyen de stockage | Énergie massique approximative | Remarque |
|---|---|---|
| Eau retenue à 300 m de hauteur | 2,9 × 103 J/kg (0,8 Wh/kg) | Très grandes quantités, réponse rapide |
| Accumulateur au plomb | 1,3 × 105 J/kg (35 Wh/kg) | Peu coûteux, lourd |
| Accumulateur lithium-ion | 7 × 105 J/kg (200 Wh/kg) | Léger, rechargeable |
| Essence | 4,6 × 107 J/kg (12 800 Wh/kg) | Très dense, mais conversion à faible rendement |
Un transfert d’énergie est un échange d’énergie entre un système et son environnement, par travail, par transfert thermique ou par rayonnement. Un stockage est une augmentation de l’énergie d’un système, conservée pour un usage ultérieur.
Énergie interne et capacité thermique
Un corps est constitué d’un très grand nombre de particules en agitation permanente. Son énergie interne U est la somme des énergies microscopiques de ces particules (agitation thermique, interactions). Quand on chauffe un corps sans changement d’état, son énergie interne augmente et sa température monte.
ΔU = m × c × ΔT
ΔU (ou Q, l’énergie transférée) en joules (J), m en kilogrammes (kg), c capacité thermique massique en J·kg−1·K−1, ΔT en kelvins (K). Un écart de température est identique en kelvins et en degrés Celsius : 1 K = 1 °C pour un écart.
| Substance | c (J·kg−1·K−1) |
|---|---|
| Eau liquide | 4 180 |
| Glace | 2 100 |
| Aluminium | 900 |
| Cuivre | 385 |
On chauffe m = 2,0 kg d’eau de 15 °C à 65 °C. ΔT = 50 K. Q = 2,0 × 4 180 × 50 = 418 000 J ≈ 4,2 × 105 J, soit 116 Wh environ.
L’eau possède une capacité thermique massique exceptionnelle : elle stocke beaucoup d’énergie par kilogramme et par kelvin, ce qui explique son usage dans les ballons d’eau chaude et les circuits de chauffage.
Changement d’état et énergie échangée
Pendant un changement d’état d’un corps pur, la température reste constante alors que le système reçoit ou cède de l’énergie. L’énergie échangée est proportionnelle à la masse qui change d’état.
Q = m × L
Q en J, m en kg, L énergie massique de changement d’état en J/kg. Pour l’eau : Lfusion = 3,34 × 105 J/kg ; Lvaporisation = 2,26 × 106 J/kg.
Pour 0,100 kg de glace : réchauffer de −10 °C à 0 °C demande 0,100 × 2 100 × 10 = 2 100 J ; fondre demande 0,100 × 3,34 × 105 = 33 400 J ; chauffer l’eau de 0 °C à 20 °C demande 0,100 × 4 180 × 20 = 8 360 J. Total : 43 860 J ≈ 43,9 kJ.
Les trois modes de transfert thermique
Spontanément, l’énergie se transfère thermiquement du corps le plus chaud vers le corps le plus froid, jusqu’à l’égalité des températures. Trois mécanismes interviennent.
- Conduction : l’agitation se transmet de proche en proche dans un solide, sans déplacement de matière (cuillère dans une soupe chaude).
- Convection : dans un fluide, le déplacement de matière transporte l’énergie (l’eau chaude monte, l’eau froide descend).
- Rayonnement : l’énergie est transportée par des ondes électromagnétiques, même dans le vide (lumière du Soleil).
Flux thermique et résistance thermique
La rapidité du transfert se mesure par le flux thermique : l’énergie thermique transférée par unité de temps. À travers une paroi séparant deux milieux de températures différentes, le flux dépend de l’écart de température et de la capacité de la paroi à freiner le transfert, caractérisée par sa résistance thermique.
Φ = Q ÷ Δt et Φ = (θchaud − θfroid) ÷ Rth
Φ en watts (W), Q en J, Δt en s, Rth en K·W−1. Pour une paroi plane : Rth = e ÷ (λ × S), avec e l’épaisseur (m), λ la conductivité thermique (W·m−1·K−1) et S la surface (m2).
Un mur isolant de e = 0,20 m, de conductivité λ = 0,040 W·m−1·K−1 et de surface S = 12 m2 a pour résistance Rth = 0,20 ÷ (0,040 × 12) = 0,417 K·W−1. Pour θint = 20 °C et θext = 5 °C : Φ = (20 − 5) ÷ 0,417 = 36 W. En 24 h, l’énergie perdue vaut 36 × 24 = 864 Wh ≈ 0,86 kWh.
Stocker de l’énergie électrique et gravitationnelle
Un accumulateur de tension nominale U et de capacité Q (en ampères-heures) stocke l’énergie E = U × Q, exprimée en Wh. Une retenue d’eau de masse m à la hauteur h stocke l’énergie potentielle de pesanteur E = m × g × h.
Une batterie de 12 V et de 60 Ah stocke E = 12 × 60 = 720 Wh = 0,72 kWh. Une retenue d’eau de 1,0 × 106 kg située 100 m au-dessus de la turbine stocke E = 1,0 × 106 × 9,8 × 100 = 9,8 × 108 J ≈ 272 kWh.
Il ne faut pas confondre température et énergie interne : deux corps à 50 °C peuvent stocker des énergies très différentes selon leur masse et leur capacité thermique. De même, la chaleur n’est pas un « contenu » mais un transfert d’énergie.
L’essentiel à retenir
- L’énergie se stocke sous forme gravitationnelle, chimique, électrochimique ou thermique ; elle se transfère par travail, transfert thermique ou rayonnement.
- Sans changement d’état : Q = m × c × ΔT (ceau = 4 180 J·kg−1·K−1) ; avec changement d’état : Q = m × L, à température constante.
- Le transfert thermique va spontanément du chaud vers le froid par conduction, convection ou rayonnement.
- Flux thermique : Φ = Q ÷ Δt = ΔT ÷ Rth (en W) ; plus Rth est grande, plus le flux est faible.
- Stockage : E = U × Q pour un accumulateur (Wh) et E = m × g × h pour l’eau en altitude.