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Un exemple concret
Un moteur électrique absorbe 2 000 W et fournit 1 700 W de puissance mécanique : η = 1 700 / 2 000 = 0,85, soit 85 %.
Le piège à éviter
Dans une chaîne de plusieurs composants, le rendement global est le produit des rendements : 0,9 × 0,8 = 0,72.
Pour aller plus loin
Le rendement exprime l'efficacité d'une conversion d'énergie. Il se calcule avec des puissances ou avec des énergies, à condition de comparer les mêmes grandeurs sur la même durée. La différence entre ce que le système absorbe et ce qu'il restitue n'a pas disparu : selon le principe de conservation de l'énergie, elle a été transformée en pertes, le plus souvent en chaleur. Dans un moteur, ces pertes viennent par exemple de l'effet Joule dans les bobinages (P = R × I²) et des frottements mécaniques.
Dans une chaîne d'énergie, chaque composant a son propre rendement et il faut les multiplier. Prenons une batterie (0,95), un variateur (0,92), un moteur (0,88) et un réducteur (0,90). Le rendement global vaut 0,95 × 0,92 × 0,88 × 0,90, soit environ 0,69. Pour fournir 1 000 W utiles en sortie, il faut donc absorber 1 000 / 0,69, soit près de 1 450 W. Le rendement du maillon le plus faible pèse beaucoup sur le résultat final, ce qui oriente les choix de conception.
En STI2D, cette notion intervient dans le thème énergie et développement durable : on compare des solutions techniques, on justifie un choix de motorisation ou on cherche à réduire la consommation d'un système. Pour les machines thermiques, Sadi Carnot a montré qu'il existe une limite théorique : le rendement maximal vaut 1 − Tf / Tc, avec des températures en kelvins. Entre 600 K et 300 K, il ne peut pas dépasser 50 %, même sans aucun défaut technique. Améliorer le rendement, c'est consommer moins pour le même service rendu.
Ne pas confondre
- Puissance utile : La puissance utile est la grandeur que fournit le système, exprimée en watts ; le rendement est un rapport sans unité entre cette puissance et celle qui est absorbée.
- Pertes énergétiques : Les pertes sont la part d'énergie non utilisable, en watts ou en joules ; le rendement est le rapport qui les rend comparables entre systèmes.
- Efficacité ou performance : Ces mots sont plus larges : un système peut être très performant en vitesse mais avoir un rendement médiocre.
Dans ta copie
Pour comparer ces deux solutions, j'ai calculé le rendement global de chaque chaîne d'énergie en multipliant les rendements de ses éléments. La solution A atteint 0,72, la solution B seulement 0,65. À service rendu identique, A absorbe donc moins de puissance : environ 11 % d'énergie en moins sur la période étudiée. Les pertes, principalement dissipées sous forme de chaleur, sont plus faibles, ce qui réduit aussi le dimensionnement du refroidissement. Je recommande donc la solution A, même si son coût d'achat est un peu supérieur, car elle est plus sobre sur toute la durée de vie du système.
À retenir
- Le rendement vaut η = puissance utile / puissance absorbée et reste toujours inférieur à 1.
- Les pertes ne disparaissent pas : elles se transforment, souvent en chaleur.
- Dans une chaîne, on multiplie les rendements des composants successifs.
- La puissance absorbée se retrouve par Pa = Pu / η.
Teste-toi
STI2D et sciences de l'ingénieur · question corrigée
Un système absorbe 500 W et fournit 400 W utiles. Son rendement est :
Voir la réponse
Réponse A. η = 400 / 500 = 0,8, soit 80 %.
STI2D et sciences de l'ingénieur · question corrigée
Un moteur doit fournir 1 800 W de puissance mécanique avec un rendement de 0,75. Quelle puissance électrique absorbe-t-il ?
Voir la réponse
Réponse C. On a η = Pu / Pa, donc Pa = Pu / η = 1 800 / 0,75 = 2 400 W. L'erreur la plus courante est de multiplier 1 800 par 0,75, ce qui donne 1 350 W : la puissance absorbée est forcément supérieure à la puissance utile.
Questions fréquentes
Peut-on avoir un rendement de 100 % ?
Non, pas dans un système réel. Il y a toujours des frottements, des échauffements ou des fuites, donc une partie de l'énergie n'est pas utile. On s'en approche seulement avec de très bons moteurs électriques ou transformateurs.
Pourquoi la chaleur est-elle considérée comme une perte ?
Parce que ce n'est généralement pas l'énergie recherchée. Dans un moteur ou une lampe, on veut du mouvement ou de la lumière. La chaleur produite est inévitable mais inutile, sauf pour un radiateur dont c'est le but.
Notions liées
Pour réviser tout le chapitre, va sur la page STI2D et sciences de l'ingénieur, ou retrouve toutes les définitions dans le lexique du bac. Dans l'application, les quiz reprennent ces notions sur le programme de ta série.