Chapitre 2 – Énergie : formes, conversions et conservation
Chapitre 2 | Première STI2D — spécialité Physique-chimie et mathématiques | Physique-Chimie
Dernière mise à jour : 21 octobre 2026
⏱ Durée de lecture estimée : ~20 min
Objectifs du chapitre :
- Citer les différentes formes d'énergie et les distinguer des sources d'énergie associées.
- Énoncer et exploiter la relation entre puissance, énergie et durée.
- Évaluer et citer des ordres de grandeur de puissances dans les secteurs de l'énergie, de l'habitat, des transports, des communications.
- Identifier les principales conversions d'énergie et les convertisseurs associés.
- Schématiser une chaîne énergétique en distinguant formes d'énergie, sources et convertisseurs.
- Énoncer le principe de conservation de l'énergie et réaliser un bilan énergétique.
- Calculer le rendement d'un convertisseur ou d'une chaîne énergétique.
- Énoncer la condition pour qu'une ressource d'énergie soit dite « renouvelable ».
- Associer une transformation chimique exothermique (endothermique) à une diminution (augmentation) de l'énergie du système ; exploiter le pouvoir calorifique d'un combustible.
Situation. Une pompe à chaleur, une éolienne, une chaudière à gaz, une batterie de téléphone : tous ces objets techniques ont un point commun, ils transforment de l'énergie d'une forme en une autre pour rendre un service. Mais d'où vient l'énergie ? Où va-t-elle ? Pourquoi une chaudière ou un moteur ne restituent-ils jamais 100 % de ce qu'ils consomment ? Comprendre l'énergie — ses formes, ses conversions, sa conservation et son rendement — est la clé pour analyser toute installation technique et pour aborder les grands défis du XXIe siècle : ressources, climat, sobriété. C'est le pôle central du programme de physique-chimie de STI2D.
1. Formes et sources d'énergie
Définition — énergie
L'énergie est la grandeur physique qui mesure la capacité d'un système à produire un mouvement, à chauffer, à éclairer, à transformer la matière… Elle se conserve, se transfère et se convertit, mais ne se crée ni ne se détruit. Son unité SI est le joule (J).
Définition — les grandes formes d'énergie
Une même énergie peut se présenter sous différentes formes :
- Énergie cinétique : liée au mouvement d'un corps (véhicule, volant d'inertie, eau qui coule).
- Énergie potentielle (de pesanteur, élastique) : liée à la position ou à la déformation (eau d'un barrage en hauteur, ressort comprimé).
- Énergie interne (dont l'énergie thermique) : liée à l'agitation microscopique ; elle augmente quand la température monte.
- Énergie chimique : stockée dans les liaisons de la matière (combustibles, aliments, batteries).
- Énergie électrique : associée au déplacement des charges dans un circuit.
- Énergie électromagnétique (rayonnante) : transportée par la lumière et les autres rayonnements (énergie solaire).
- Énergie nucléaire : stockée dans les noyaux des atomes (centrale nucléaire).
Ne pas confondre forme et source
Une source d'énergie est un réservoir dans lequel on puise de l'énergie (soleil, vent, pétrole, uranium, chute d'eau, gaz…). Une forme d'énergie décrit sous quel aspect physique cette énergie se présente. Exemple : la source « vent » fournit de l'énergie sous forme cinétique ; la source « gaz naturel » fournit de l'énergie sous forme chimique.
| Source d'énergie | Forme fournie |
|---|---|
| Soleil | rayonnante (électromagnétique) |
| Vent, chute d'eau | cinétique / potentielle |
| Gaz, fioul, bois, essence | chimique |
| Uranium | nucléaire |
| Géothermie | thermique (interne) |
Mini-exercice 1. Pour chacun, indiquer la source d'énergie et la forme fournie : (a) un panneau photovoltaïque ; (b) une éolienne ; (c) une chaudière à granulés de bois.
(a) source = soleil, forme = rayonnante ; (b) source = vent, forme = cinétique ; (c) source = bois, forme = chimique.
2. Puissance, énergie et durée
Définition — puissance
La puissance \(P\) mesure la rapidité d'un transfert d'énergie : c'est l'énergie \(E\) transférée par unité de temps. Son unité SI est le watt (W), avec \(1\ \text{W}=1\ \text{J·s}^{-1}\).
\(P=\dfrac{E}{\Delta t}\qquad\Longleftrightarrow\qquad E=P\times\Delta t\)
\(E\) en joules (J), \(P\) en watts (W), \(\Delta t\) en secondes (s).
Le kilowattheure (kWh)
Le joule est une petite unité : pour l'énergie « domestique », on utilise le kilowattheure. C'est l'énergie transférée en 1 heure à la puissance de 1 kW :
\(1\ \text{kWh}=1000\ \text{W}\times3600\ \text{s}=3{,}6\times10^{6}\ \text{J}=3{,}6\ \text{MJ}\)
C'est l'unité de la facture d'électricité et de gaz.
Méthode — utiliser la relation \(E=P\times\Delta t\)
- Repérer la grandeur cherchée (\(E\), \(P\) ou \(\Delta t\)).
- Convertir les unités : \(\Delta t\) en secondes pour un résultat en joules (ou garder h pour un résultat en Wh).
- Appliquer la formule adaptée : \(E=P\Delta t\), \(P=E/\Delta t\) ou \(\Delta t=E/P\).
- Vérifier l'ordre de grandeur et l'unité du résultat.
Exemple travaillé. Un radiateur de puissance \(P=2{,}0\ \text{kW}\) fonctionne pendant \(\Delta t=3{,}0\ \text{h}\).
Énergie en kWh : \(E=P\times\Delta t=2{,}0\times3{,}0=6{,}0\ \text{kWh}\).
En joules : \(\Delta t=3{,}0\times3600=1{,}08\times10^{4}\ \text{s}\), donc \(E=2000\times1{,}08\times10^{4}=2{,}16\times10^{7}\ \text{J}\approx22\ \text{MJ}\).
Énergie en kWh : \(E=P\times\Delta t=2{,}0\times3{,}0=6{,}0\ \text{kWh}\).
En joules : \(\Delta t=3{,}0\times3600=1{,}08\times10^{4}\ \text{s}\), donc \(E=2000\times1{,}08\times10^{4}=2{,}16\times10^{7}\ \text{J}\approx22\ \text{MJ}\).
Ordres de grandeur des puissances
Savoir situer une puissance est essentiel pour analyser une installation :
Rappel des préfixes : \(1\ \text{kW}=10^{3}\ \text{W}\), \(1\ \text{MW}=10^{6}\ \text{W}\), \(1\ \text{GW}=10^{9}\ \text{W}\).
| Objet / secteur | Ordre de grandeur |
|---|---|
| Smartphone (charge) | \(\sim10\ \text{W}\) |
| Box internet, ampoule LED | \(\sim10\ \text{W}\) |
| Bouilloire, radiateur (habitat) | \(\sim1\text{–}2\ \text{kW}\) |
| Voiture (transports) | \(\sim50\text{–}100\ \text{kW}\) |
| Éolienne | \(\sim1\text{–}3\ \text{MW}\) |
| Réacteur nucléaire (production) | \(\sim1\ \text{GW}\) |
Mini-exercice 2. Une box internet de puissance \(P=12\ \text{W}\) reste allumée toute l'année. (a) Quelle énergie consomme-t-elle en 1 an (en kWh) ? On prendra \(1\ \text{an}\approx8760\ \text{h}\). (b) À quel secteur (habitat, transport, production) rattache-t-on cet ordre de puissance ?
(a) \(E=P\times\Delta t=0{,}012\ \text{kW}\times8760\ \text{h}\approx105\ \text{kWh}\).
(b) Une dizaine de watts : c'est de l'ordre des petits appareils de l'habitat et des communications.
3. Conversions et chaîne énergétique
Définition — conversion et convertisseur
Une conversion d'énergie est la transformation de l'énergie d'une forme en une (ou plusieurs) autre(s) forme(s). Le dispositif qui réalise cette conversion est un convertisseur. Les principales conversions sont :
| Convertisseur | Conversion réalisée | Type |
|---|---|---|
| Moteur électrique | électrique → cinétique | électromécanique |
| Alternateur, dynamo | cinétique → électrique | électromécanique |
| Panneau photovoltaïque | rayonnante → électrique | photoélectrique |
| Pile, batterie | chimique → électrique | électrochimique |
| Chaudière, moteur thermique | chimique → thermique (→ cinétique) | thermodynamique |
Définition — chaîne énergétique
Une chaîne énergétique représente le parcours de l'énergie d'une source jusqu'à l'utilisation, en passant par un ou plusieurs convertisseurs. On y distingue : les sources, les convertisseurs (rectangles), les formes d'énergie (flèches), et souvent l'énergie « utile » et l'énergie « perdue » (généralement dissipée sous forme thermique).
Mini-exercice 3. Une éolienne entraîne un alternateur qui produit de l'électricité pour le réseau. Schématiser la chaîne énergétique en indiquant la source, le(s) convertisseur(s) et les formes d'énergie.
Source vent → (énergie cinétique) → rotor de l'éolienne (capte le mouvement) → (énergie cinétique) → alternateur (convertisseur électromécanique) → (énergie électrique utile) vers le réseau. Une partie de l'énergie est perdue sous forme thermique (frottements, échauffement).
4. Conservation de l'énergie, bilan et rendement
Définition — principe de conservation de l'énergie
Pour un système isolé (qui n'échange rien avec l'extérieur), l'énergie totale se conserve : elle ne se crée pas et ne disparaît pas, elle ne fait que se convertir d'une forme en une autre. Pour un convertisseur, l'énergie reçue en entrée se retrouve intégralement en sortie, répartie entre l'énergie utile et l'énergie perdue :
\(E_{\text{entrée}}=E_{\text{utile}}+E_{\text{perdue}}\)
Définition — rendement
Le rendement \(\eta\) (lettre grecque « êta ») d'un convertisseur ou d'une chaîne énergétique est le rapport de l'énergie utile à l'énergie fournie (reçue en entrée) :
\(\eta=\dfrac{E_{\text{utile}}}{E_{\text{entrée}}}=\dfrac{P_{\text{utile}}}{P_{\text{entrée}}}\)
C'est un nombre sans unité, compris entre 0 et 1 (souvent exprimé en %). On a toujours \(\eta\lt1\) : une partie de l'énergie est toujours perdue (en général sous forme thermique).
Rendement d'une chaîne de convertisseurs
Quand plusieurs convertisseurs se suivent, le rendement global est le produit des rendements de chaque étage :
\(\eta_{\text{global}}=\eta_1\times\eta_2\times\dots\times\eta_n\)
Le rendement global est donc toujours plus petit que le plus petit des rendements : une chaîne longue « perd » beaucoup.
Exemple travaillé — rendement d'un moteur. Un moteur électrique reçoit \(E_{\text{entrée}}=500\ \text{J}\) d'énergie électrique et fournit \(E_{\text{utile}}=425\ \text{J}\) d'énergie cinétique.
Rendement : \(\eta=\dfrac{425}{500}=0{,}85=85\ \%\).
Énergie perdue : \(E_{\text{perdue}}=500-425=75\ \text{J}\), dissipée sous forme thermique (échauffement des bobinages et frottements).
Rendement : \(\eta=\dfrac{425}{500}=0{,}85=85\ \%\).
Énergie perdue : \(E_{\text{perdue}}=500-425=75\ \text{J}\), dissipée sous forme thermique (échauffement des bobinages et frottements).
Mini-exercice 4. Une chaîne comporte deux étages : un panneau photovoltaïque (\(\eta_1=0{,}20\)) suivi d'un onduleur (\(\eta_2=0{,}95\)). (a) Calculer le rendement global. (b) Pour \(1000\ \text{J}\) reçus du soleil, quelle énergie électrique utile est finalement disponible ?
(a) \(\eta_{\text{global}}=0{,}20\times0{,}95=0{,}19=19\ \%\).
(b) \(E_{\text{utile}}=\eta_{\text{global}}\times E_{\text{entrée}}=0{,}19\times1000=190\ \text{J}\).
5. Ressources renouvelables
Définition — ressource d'énergie « renouvelable »
Une ressource d'énergie est qualifiée de renouvelable si son renouvellement naturel est assez rapide à l'échelle de temps d'une vie humaine : la source se reconstitue au moins aussi vite qu'on la consomme.
Renouvelable ou non ?
- Renouvelables : le soleil (rayonnement), le vent, l'eau (hydraulique, marées), la biomasse (bois, si replanté), la géothermie. Leur « réservoir » se renouvelle en permanence ou en quelques années.
- Non renouvelables : les combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz naturel) et l'uranium. Leur formation a demandé des millions d'années : à l'échelle humaine, le stock ne se reconstitue pas.
Attention au sens exact
« Renouvelable » ne veut pas dire « inépuisable » ni « propre » : c'est une question de vitesse de renouvellement comparée à la durée d'une vie humaine. Le bois n'est renouvelable que s'il est replanté à un rythme au moins égal à celui de sa consommation.
Mini-exercice 5. Classer en renouvelable / non renouvelable : (a) le gaz naturel ; (b) l'énergie solaire ; (c) l'énergie hydraulique d'un barrage ; (d) le pétrole. Justifier en une phrase.
(a) gaz naturel : non renouvelable (formation en millions d'années) ; (b) solaire : renouvelable (le soleil rayonne en permanence) ; (c) hydraulique : renouvelable (cycle de l'eau entretenu par le soleil) ; (d) pétrole : non renouvelable.
6. Énergie chimique : réactions exo- et endothermiques
Définition — effet thermique d'une transformation chimique
Une transformation chimique s'accompagne souvent d'un échange d'énergie avec l'extérieur, principalement sous forme thermique. Le système chimique possède une certaine énergie ; au cours de la réaction, cette énergie varie :
- Une réaction exothermique libère de l'énergie vers l'extérieur (elle chauffe le milieu). L'énergie du système chimique diminue.
- Une réaction endothermique absorbe de l'énergie prise à l'extérieur (elle refroidit le milieu). L'énergie du système chimique augmente.
Définition — combustion
Une combustion est une réaction chimique exothermique entre un combustible (ce qui brûle : gaz, bois, essence…) et un comburant (le plus souvent le dioxygène \(\text{O}_2\) de l'air). Exemple, combustion du méthane :
\(\text{CH}_4 + 2\,\text{O}_2 \longrightarrow \text{CO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}\)
Il faut un apport d'énergie initial (étincelle, flamme) pour amorcer la combustion ; ensuite l'énergie libérée entretient la réaction : la combustion est auto-entretenue.
Mini-exercice 6. Quand on dissout du chlorure d'ammonium dans l'eau, le récipient devient froid. La transformation est-elle exothermique ou endothermique ? L'énergie du système chimique augmente-t-elle ou diminue-t-elle ?
Le milieu se refroidit : le système absorbe de l'énergie prise à l'extérieur, la transformation est endothermique. L'énergie du système chimique augmente.
7. Pouvoir calorifique d'un combustible
Définition — pouvoir calorifique
Le pouvoir calorifique \(PC\) d'un combustible est l'énergie thermique libérée par la combustion complète de 1 kg de ce combustible. Il s'exprime en kJ·kg\(^{-1}\) (ou MJ·kg\(^{-1}\)). L'énergie \(E\) libérée par une masse \(m\) de combustible vaut :
\(E = PC \times m\)
\(E\) en kJ, \(PC\) en kJ·kg\(^{-1}\), \(m\) en kg. Plus le pouvoir calorifique est élevé, plus le combustible libère d'énergie par kilogramme.
| Combustible | Pouvoir calorifique (ordre de grandeur) |
|---|---|
| Bois sec | \(\approx 1{,}5\times10^{4}\ \text{kJ·kg}^{-1}\) |
| Charbon | \(\approx 3{,}0\times10^{4}\ \text{kJ·kg}^{-1}\) |
| Fioul, essence | \(\approx 4{,}3\times10^{4}\ \text{kJ·kg}^{-1}\) |
| Gaz naturel (méthane) | \(\approx 5{,}0\times10^{4}\ \text{kJ·kg}^{-1}\) |
Exemple travaillé. Une chaudière brûle \(m=2{,}0\ \text{kg}\) de gaz naturel de pouvoir calorifique \(PC=5{,}0\times10^{4}\ \text{kJ·kg}^{-1}\).
Énergie libérée : \(E=PC\times m=5{,}0\times10^{4}\times2{,}0=1{,}0\times10^{5}\ \text{kJ}=100\ \text{MJ}\).
Si la chaudière a un rendement \(\eta=0{,}90\), l'énergie thermique utile transmise à l'eau est \(E_{\text{utile}}=\eta\times E=0{,}90\times1{,}0\times10^{5}=9{,}0\times10^{4}\ \text{kJ}=90\ \text{MJ}\).
Énergie libérée : \(E=PC\times m=5{,}0\times10^{4}\times2{,}0=1{,}0\times10^{5}\ \text{kJ}=100\ \text{MJ}\).
Si la chaudière a un rendement \(\eta=0{,}90\), l'énergie thermique utile transmise à l'eau est \(E_{\text{utile}}=\eta\times E=0{,}90\times1{,}0\times10^{5}=9{,}0\times10^{4}\ \text{kJ}=90\ \text{MJ}\).
Mini-exercice 7. On dispose de \(m=3{,}0\ \text{kg}\) de bois sec (\(PC=1{,}5\times10^{4}\ \text{kJ·kg}^{-1}\)). (a) Calculer l'énergie libérée par sa combustion complète. (b) Quelle masse de gaz naturel (\(PC=5{,}0\times10^{4}\ \text{kJ·kg}^{-1}\)) libérerait la même énergie ?
(a) \(E=PC\times m=1{,}5\times10^{4}\times3{,}0=4{,}5\times10^{4}\ \text{kJ}=45\ \text{MJ}\).
(b) \(m=\dfrac{E}{PC}=\dfrac{4{,}5\times10^{4}}{5{,}0\times10^{4}}=0{,}90\ \text{kg}\) de gaz naturel (le gaz étant plus énergétique par kg, il en faut moins).
Erreurs fréquentes
- ❌ Confondre puissance (W) et énergie (J) → ✅ \(E=P\times\Delta t\) : la puissance est un débit d'énergie.
- ❌ Oublier de convertir \(\Delta t\) en secondes → ✅ pour un résultat en joules, mettre le temps en s (ou garder les heures pour des Wh/kWh).
- ❌ Confondre source et forme d'énergie → ✅ le vent est une source, l'énergie cinétique est la forme.
- ❌ Trouver un rendement \(\eta\gt1\) → ✅ impossible : \(E_{\text{utile}}\le E_{\text{entrée}}\), donc \(0\le\eta\lt1\).
- ❌ Croire que « renouvelable » = « inépuisable » ou « propre » → ✅ c'est une question de vitesse de renouvellement à l'échelle humaine.
- ❌ Dire qu'une réaction exothermique augmente l'énergie du système → ✅ elle en libère : l'énergie du système diminue.
À retenir
- L'énergie se mesure en joules (J) ; ses grandes formes : cinétique, potentielle, interne/thermique, chimique, électrique, rayonnante, nucléaire.
- Distinguer source (réservoir) et forme d'énergie.
- Puissance : \(P=\dfrac{E}{\Delta t}\) en watts ; \(1\ \text{kWh}=3{,}6\times10^{6}\ \text{J}\). Ordres de grandeur : habitat \(\sim\) kW, transports \(\sim\) 100 kW, production \(\sim\) MW–GW.
- Une chaîne énergétique relie source → convertisseur(s) → utilisation ; convertisseurs : moteur, alternateur, panneau PV, pile, chaudière…
- Conservation : \(E_{\text{entrée}}=E_{\text{utile}}+E_{\text{perdue}}\). Rendement : \(\eta=\dfrac{E_{\text{utile}}}{E_{\text{entrée}}}\lt1\) ; chaîne : \(\eta_{\text{global}}=\eta_1\times\eta_2\times\dots\)
- Ressource renouvelable : renouvellement rapide à l'échelle d'une vie humaine (soleil, vent, eau, biomasse, géothermie).
- Réaction exothermique = libère de l'énergie (système ↓) ; endothermique = absorbe (système ↑). Combustion = exothermique (combustible + comburant).
- Pouvoir calorifique : \(E=PC\times m\), \(PC\) en kJ·kg\(^{-1}\).