Le rendement : utile ÷ reçue

L'essentiel

Le rendement mesure la part de l'énergie reçue qui sert vraiment à ce qu'on veut. On le calcule en divisant l'énergie utile par l'énergie totale reçue, et on l'exprime en pourcentage. Le reste, ce sont les pertes : de l'énergie transformée en chaleur qui se disperse.

Un rendement ne peut jamais dépasser 100 %, car un appareil ne peut pas fournir plus d'énergie qu'il n'en reçoit.

Comprendre

Quand un appareil convertit de l'énergie, il reçoit une certaine quantité d'énergie et n'en transforme qu'une partie dans la forme qui nous intéresse : c'est l'énergie utile. Le rendement mesure cette efficacité. Il se définit comme le rapport entre l'énergie utile fournie et l'énergie totale reçue : rendement = énergie utile ÷ énergie reçue.

On l'exprime le plus souvent en pourcentage, en multipliant ce rapport par 100. Par exemple, un appareil qui reçoit 100 J et en restitue 60 J sous la forme utile a un rendement de 60 ÷ 100 = 0,60, soit 60 %. Les 40 J restants ne sont pas détruits : ils sont dégradés en chaleur qui se disperse dans l'environnement. C'est ce qu'on appelle les pertes ; elles prennent presque toujours la forme de chaleur.

La conservation de l'énergie impose une limite absolue : le rendement ne peut jamais dépasser 100 %. En effet, l'énergie utile ne peut pas être plus grande que l'énergie reçue, sinon l'appareil fournirait plus d'énergie qu'il n'en reçoit, ce qui est impossible. Comparons deux lampes qui éclairent autant.

Une ampoule à incandescence (à filament) ne convertit qu'environ 5 % de l'énergie électrique reçue en lumière ; le reste, environ 95 %, part en chaleur : elle chauffe beaucoup. Une lampe à DEL convertit environ 30 à 40 % de l'énergie électrique en lumière, et chauffe donc bien moins : son rendement est nettement meilleur. C'est pourquoi, à éclairage égal, une lampe DEL a besoin de beaucoup moins d'énergie électrique.

Calculer un rendement, identifier les pertes comme de la chaleur dispersée et comprendre la limite des 100 % sont des objectifs clés de la classe de 3e.

Le cours

Un appareil qui convertit de l'énergie n'en transforme qu'une partie dans la forme recherchée. Le rendement mesure cette efficacité : c'est le rapport entre l'énergie utile fournie et l'énergie totale reçue, souvent exprimé en pourcentage. On écrit : rendement = énergie utile ÷ énergie reçue, puis on multiplie par 100 pour obtenir un pourcentage.

Par exemple, un moteur qui reçoit 500 J et fournit 350 J utiles a un rendement de 350 ÷ 500 = 0,70, soit 70 %. Les 150 J restants sont dégradés en chaleur : ce sont les pertes, qui prennent presque toujours la forme de chaleur dispersée dans l'environnement. D'après la conservation de l'énergie, ces pertes ne sont pas détruites, seulement dégradées ; et le rendement ne peut jamais dépasser 100 %, car l'énergie utile ne peut pas être supérieure à l'énergie reçue.

Le rendement dépend beaucoup de la technologie : une ampoule à incandescence a un rendement d'environ 5 % (elle chauffe énormément), alors qu'une lampe DEL (diode électroluminescente, souvent appelée LED) atteint environ 30 à 40 %. À service rendu égal, un appareil de meilleur rendement consomme moins d'énergie et gaspille moins de chaleur. Savoir calculer un rendement, l'exprimer en pourcentage, relier les pertes à la chaleur et justifier la limite des 100 % sont des compétences attendues en 3e.

Les erreurs fréquentes

Un appareil très performant peut avoir un rendement supérieur à 100 %.

C'est impossible : l'énergie utile ne peut pas dépasser l'énergie reçue, sinon l'appareil fournirait plus d'énergie qu'il n'en reçoit. D'après la conservation, le rendement est toujours inférieur ou égal à 100 %.

L'énergie perdue par un appareil est détruite.

Les pertes ne sont pas détruites : elles correspondent à de l'énergie dégradée en chaleur qui se disperse dans l'environnement. Le total d'énergie se conserve.

Tu maîtrises la notion si…

• Définir et calculer le rendement d'un appareil comme le rapport énergie utile ÷ énergie reçue, exprimé en pourcentage.
• Identifier les pertes comme de l'énergie dégradée en chaleur dispersée dans l'environnement, et non détruite.
• Justifier qu'un rendement ne dépasse jamais 100 % à l'aide de la conservation de l'énergie.

Vérifie que tu as compris

1. Un appareil reçoit 100 J d'énergie et en fournit 60 J sous forme utile. Quel est son rendement ?

   Réponse 60 %

   Le rendement est le rapport énergie utile ÷ énergie reçue : 60 ÷ 100 = 0,60, soit 60 %. Les 40 J restants sont dégradés en chaleur dispersée.

2. Pourquoi le rendement d'un appareil ne peut-il jamais dépasser 100 % ?

   Réponse car l'énergie utile ne peut pas dépasser l'énergie reçue

   D'après la conservation de l'énergie, un appareil ne peut pas fournir plus d'énergie utile qu'il n'en reçoit : le rendement reste donc toujours inférieur ou égal à 100 %.

3. À éclairage égal, une ampoule à filament convertit environ 5 % de l'énergie reçue en lumière, une lampe DEL environ 35 %. Qu'en conclure ?

   Réponse la DEL a un meilleur rendement et dégage beaucoup moins de chaleur

   Le rendement est la part de l'énergie reçue convertie en énergie utile (ici la lumière). La DEL en convertit bien plus (≈ 35 % contre ≈ 5 %) : meilleur rendement, et beaucoup moins d'énergie dégradée en chaleur, donc moins de consommation à éclairage égal.