II. Energie mécanique et chaleur.

1. Comment transformer l'énergie mécanique en chaleur ?

a) Exemples de situations.

- Les hommes primitifs allumaient le feu par frottement de deux morceaux de bois secs.

- Un enfant peut se brûler les mains sur un toboggan ou en descendant une corde lisse (dans ce cas, l'énergie potentielle de pesanteur est d'abord transformée en énergie cinétique).

- Les freins à disque d'une voiture de course s'échauffent très fortement lors de freinages très appuyés et répétés.

- Lors du retour d'une navette spatiale, la chaleur produite lors de l'entrée dans l'atmosphère est telle, qu'il a fallu inventer de nouveaux matériaux réfractaires pour la protéger.

Dans tous ces exemples, les frottements permettent la transformation de l'énergie mécanique en chaleur. Dans l'industrie, ce dégagement spontané de chaleur est souvent gênant : on y remédie en diminuant les frottements par lubrification.

b) Quel est le rendement de cette transformation ?

Le rendement est défini comme le rapport de l'énergie produite à l'énergie utilisée (éventuellement multipliée par 100 pour être exprimé en pourcentage).

Dans les conditions idéales, la transformation d'énergie mécanique en chaleur peut être totale; alors Q = Em  et le rendement est de 100%, donc excellent.

2. Et la transformation inverse ?

La transformation de la chaleur en énergie mécanique est beaucoup plus difficile à réaliser; elle nécessite des convertisseurs complexes appelés machines thermiques.

a) Exemples de machines thermiques.

* Les machines à vapeur étaient les moteurs thermiques des bateaux et trains à vapeur.

 La chaleur issue d'une combustion (cas des centrales thermiques classiques), ou la chaleur d'origine nucléaire (cas des centrales nucléaires), permet de produire de la vapeur d'eau sous pression. Cette vapeur entraîne la turbine en rotation.bielle-manivelle qui communique aux roues le mouvement de rotation.

* La turbine à vapeur est le moteur thermique des centrales thermiques.

* Le moteur à explosion qui équipe un véhicule automobile est un moteur thermique.

La chaleur issue de la combustion d'essence ou de gazole est transmise aux gaz d'échappement. Lors de la détente, ceux-ci actionnent le piston du moteur, ...

b) Quel est le rendement de cette transformation ?

 Em et Q sont exprimées avec la même unité (J).

Le rendement de la transformation de la chaleur en énergie mécanique est mauvais :

- de l'ordre de 10% pour une machine à vapeur.

- de l'ordre de 30 à 40% pour les turbines à vapeur et les moteurs à explosion.

Remarque : Une centrale nucléaire est toujours implantée au bord d'une rivière, d'un fleuve ou de la mer, car son fonctionnement nécessite la présence d'une source d'eau froide à laquelle elle cède de la chaleur. La chaleur ainsi perdue est l'un des éléments d'explication du mauvais rendement.