Science traitant des diverses. M. Lacroix Introduction 2

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Marie Albert
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1 INTRODUCTION À L ÉNERGÉTIQUE (Thermodynamique, une approche pragmatique,, Y. Çengel, M.A. Boles, M. Lacroix, Chenelière-McGraw-Hill, 2008) (lecture obligatoire: pages V-VII) VII) Marcel Lacroix Université de Sherbrooke

2 ÉNERGÉTIQUE Science traitant des diverses manifestations de l énergie. M. Lacroix Introduction 2

3 MATIÈRE GÉNIE MÉCANIQUE ÉNERGIE INFORMATION M. Lacroix Introduction 33 M. Lacroix Introduction 3

4 COURS DE THERMO FLUIDE ING 315 IMC 220 ING 400 M. Lacroix Introduction 4

5 BRÈVE HISTOIRE DE L ÉNERGIE Découverte du feu ~ 1/2 million d années. Invention agriculture Maîtrise du feu énergie mécanique animale guerre religions maladies infectieuses ~ dix mille années. M. Lacroix Introduction 5

6 BRÈVE HISTOIRE DE L ÉNERGIE Roue hydraulique ~ années. Déclin empire romain: refus de la maîtrise de l énergie. M. Lacroix Introduction 6

7 BRÈVE HISTOIRE DE L ÉNERGIE Moulin hydraulique, moulin à vent et collier d épaule ~ mille années. M. Lacroix Introduction 7

8 BRÈVE HISTOIRE DE L ÉNERGIE Déforestation massive en Europe: consommation de biomasse et construction de cathédrales ~ 800 années. M. Lacroix 8

9 BRÈVE HISTOIRE DE L ÉNERGIE Révolution industrielle: machine à vapeur ~ 300 années (Papin Newcomen Watt). M. Lacroix Introduction 9

10 BRÈVE HISTOIRE DE L ÉNERGIE Énergie nucléaire (fission) ~ 50 années. 1942: 1 ère réaction en chaîne contrôlée M. Lacroix Introduction 10

11 TRAVAIL: DÉFINITION Le travail est l action de transférer de l énergie énergie. Le mouvement d un objet est causé par du travail. Travail = (Force) x (Distance) M. Lacroix Introduction 11

12 ÉNERGIE: DÉFINITION L énergie est l aptitude à faire du travail. L énergie permet de produire un travail comme l argent permet de dépenser. M. Lacroix Introduction 12

13 PUISSANCE: DÉFINITION La puissance est le taux auquel le travail est fait. Puissance = (Travail)/(Temps) L action de tondre la pelouse est un travail qui demande la conversion d énergie chimique (métabolisme) en énergie mécanique (marche). En tondant la pelouse deux fois plus vite, on fait le même travail mais cela demande deux fois plus de puissance. M. Lacroix Introduction 13

14 UNITÉS D ÉNERGIE ET DE PUISSANCE Travail et énergie: (1 Joule) = (1 Newton) x (1 mètre) James Joule ( ) Puissance: (1 Watt) = (1 Joule)/(1 seconde) James Watt ( ) 1819) M. Lacroix Introduction 14

15 UNITÉ D ÉNERGIE ÉLECTRIQUE (1 kwh) = (1 000 Watts) x (3 600 secondes) = 3,6 x 10 6 Joules M. Lacroix Introduction 15

16 SCHÉMA ÉNERGIE-TRAVAIL Énergie potentielle élevée Machine Travail Énergie potentielle basse M. Lacroix Introduction 16

17 ÉNERGIES RENOUVELABLES ET NON RENOUVELABLES RENOUVELABLES: hydraulique, solaire, éolienne, biomasse, géothermie*, océan, marée motrice et vagues. NON RENOUVELABLES: combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz) et matières fissiles (uranium). * Pour la production de chaleur seulement. M. Lacroix Introduction 17

18 Comment serait la vie quotidienne sans électricité et sans Pétrole? Que mangerait-on? Comment se chaufferait-on? Comment se déplacerait-on? La vie serait misérable! M. Lacroix Introduction 18

19 POURQUOI S INTÉRESSER À L ÉNERGIE? Dans tous les phénomènes, organismes, dispositifs, machines, systèmes et procédés, il y a inévitablement conversion d au moins une forme d énergie en une autre. M. Lacroix Introduction 19

20 EXEMPLES DE CONVERSION D ÉNERGIE D UNE FORME À UNE AUTRE M. Lacroix Introduction 20

21 DE MÉCANIQUE À MÉCANIQUE Engrenages Piston Transmission M. Lacroix Introduction 21

22 DE MÉCANIQUE À ÉLECTRIQUE Dynamo Générateur Alternateur M. Lacroix Introduction 22

23 DE MÉCANIQUE À CHALEUR Freins àdisques M. Lacroix Introduction 23

24 DE CHALEUR À MÉCANIQUE Turbines à gaz Locomotive à vapeur M. Lacroix Introduction 24

25 DE CHALEUR À CHALEUR Échangeurs de chaleur M. Lacroix Introduction 25

26 DE CHALEUR À ÉLECTRIQUE Thermocouple Pile thermoélectrique Réfrigérateur thermoélectrique M. Lacroix Introduction 26

27 DE ÉLECTRIQUE À MÉCANIQUE Moteurs électriques M. Lacroix Introduction 27

28 DE ÉLECTRIQUE À CHALEUR M. Lacroix Introduction 28

29 DE ÉLECTRIQUE À CHIMIQUE Chargement d une batterie Électrolyse M. Lacroix Introduction 29

30 DE CHIMIQUE À MÉCANIQUE Moteurs à combustion interne M. Lacroix Introduction 30

31 DE CHIMIQUE ÀÉ ÉLECTRIQUE Déchargement d une batterie Piles à combustible M. Lacroix Introduction 31

32 DE CHIMIQUE À CHALEUR M. Lacroix Introduction 32

33 DE SOLAIRE À MÉCANIQUE Moudre le grain Déplacement M. Lacroix Introduction 33

34 DE SOLAIRE À ÉLECTRIQUE Cellules photovoltaïques M. Lacroix Introduction 34

35 DE SOLAIRE À CHALEUR Capteurs solaires M. Lacroix Introduction 35

36 DE SOLAIRE À CHIMIQUE Photosynthèse M. Lacroix Introduction 36

37 DE NUCLÉAIRE À CHALEUR Réacteurs nucléaires M. Lacroix Introduction 37

38 CONVERSION SOLAIRE - ÉNERGIE POTENTIELLE ÉNERGIE CINÉTIQUE - MÉCANIQUE - ÉLECTRICITÉ Centrale hydroélectrique M. Lacroix Introduction 38

39 CONVERSION SOLAIRE MÉCANIQUE - ÉLECTRICITÉ É Parc d éoliennes M. Lacroix Introduction 39

40 CONVERSION NUCLÉAIRE - CHALEUR MÉCANIQUE - ÉLECTRICITÉ Centrale nucléaire M. Lacroix Introduction 40

41 ÉNERGIE: CONSTAT NO. 1 L énergie n est ni produite ni détruite. La quantité totale d énergie dans l univers demeure constante. L énergie peut toutefois être transformée d une forme à une autre. C est le principe de conservation d énergie:1 ère loi de la thermodynamique. M. Lacroix Introduction 41

42 ÉNERGIE: CONSTAT NO. 2 À chaque fois que l énergie est transformée d une forme à une autre, sa qualité se dégrade. Ce constat est la 2 ième loi de la thermodynamique. M. Lacroix Introduction 42

43 QUANTITÉ vs QUALITÉ Un kwh d électricité peut être entièrement converti en un kwh de chaleur (l énergie totale est conservée: 1 ère loi). Un kwh de chaleur ne peut être entièrement converti en 1 kwh d électricité. L énergie totale est pourtant toujours conservée. L électricité est une forme d énergie de grande qualité. La chaleur est une forme d énergie de moindre qualité (2 ème loi). M. Lacroix Introduction 43

44 OBJECTIFS Combien d énergie peut être transformée d une forme à une autre fait l objet du cours d Énergétique Ing315. Comment l énergie peut-être transformée d une forme à une autre fait l objet de l ensemble du programme de génie mécanique. M. Lacroix Introduction 44

45 SITES À CONSULTER / M. Lacroix Introduction 45

46 UNITÉS D ÉNERGIE COURANTES kwh (kilowatt heure) BTU (British Thermal Unit) cal (calorie) tep (tonne équivalent pétrole) tec (tonne équivalent charbon) 3,6 x 10 6 Joules Joules 4,186 Joules 4,186 x Joules 2,93 x Joules M. Lacroix Introduction 46

47 UNITÉS DE CONVERSION UTILES 1 gallon U.S. 3,79 litres 1 baril (46,44 gallons U.S.) ~ 176 litres 1 litre d essence ~ 10 kwh 1 m 3 gaz naturel* * Niveau de la mer ~ 10 kwh 1 cv ~ 745 W M. Lacroix Introduction 47

48 ÉNERGIE STOCKÉE PAR UNITÉ DE MASSE ET DE VOLUME Matière (kj/kg) (kj/litre) Batterie plomb/acide ls ~ Bois sec s ~ 12 * 10 3 ~ 6 * 10 3 Charbon s ~ 24 * 10 3 ~ 32,4 * 10 3 Diesel l ~ 47 * 10 3 ~ 38,3 * 10 3 Essence l ~ 48 * 10 3 ~ 36 * 10 3 Gaz naturel g ~ 55 * 10 3 ~ 36 Hydrogène g ~ 141 * 10 3 ~ 11,5 Uranium naturel s ~560 * 10 6 ~106*10 10,6 9 M. Lacroix Introduction 48

49 POINTS DE REPÈRE: ÉNERGIE Soulèvement d une masse de 1 kg d une hauteur de 1 m Un litre d eau du robinet chauffée à C Métabolisme adulte/jour Maison unifamiliale 140 m 2 (consommation moyenne/jour) Voiture (par litre consommé) ~ 10 J ~400 kj (0,11 kwh) ~ kj (2,4 kwh) ~ kj (60 kwh) ~ kj (10 kwh) M. Lacroix Introduction 49

50 POINTS DE REPÈRE: PUISSANCE Adulte au repos Athlète (lutte olympique) Ampoule électrique (incandescence) Séchoir à cheveux ~ 100 W ~ 1000 W ~ 100 W ~ 1500 W Maison unifamiliale ili l (120V, 200A) ~ 24 kw Moteur de voiture (135 cv) ~ 100 kw M. Lacroix Introduction 50

51 POINTS DE REPÈRE: FLUX DE CHALEUR Peau humaine (100 W sur 2 m 2 ) ~ 50 W/m 2 Soleil intense (à midi, l été) ~ 1 kw/m 2 Ampoule électrique de 100W ~ 10 kw/m 2 Puce électronique ~ 100 à 1000 kw/m 2 M. Lacroix Introduction 51

52 PUISSANCE ET FLUX 1 500W 100W 1 000W 100kW 1kW/m2 10kW/m 2 100kW/m 2 M. Lacroix Introduction 52

53 Consommation d énergie au Québec en 2006* Totale** Électricité 41 x 10 6 tep 192,7 TWh Pétrole 17,3 x 10 9 l Gaz naturel 5,6 x 10 9 m 3 Charbon + coke 550 x 10 6 kg Biomasse 3,8 x 10 6 tep *Ministère des Ressources Naturelles et de la Faune ** Monde: ~ 12 x 10 9 tep

54 Consommation d énergie au Québec par habitant et par jour en 2006 (kwh/personnejour*) Totale** ~ 174 Électricité ~ 70 Pétrole ~ 64 Gaz naturel ~ 22 Charbon + coke ~ 1 Biomasse ~ 16 *Population du Québec: 7,5 millions d habitants ** Monde: ~ 60 kwh/personnejour

55 Consommation énergie en 2006 selon IEA-OECD (kwh/personnejour) Pays Totale Renouvelable Canada Québec USA Suède Allemagne Danemark Islande Turquie 41 5 M. Lacroix Introduction 55

56 LIVRE OBLIGATOIRE 01_500&l=fr&DivisionID=0&ItemID=5479 0&ItemID 5479 M. Lacroix 56

57 Onglet: Énergétique, ING315 Introduction 1. Concepts fondamentaux 2F 2. Formes d énergie et conversion 3. Propriétés des substances pures 4. Énergie dans les systèmes fermés 5. Énergie dans les systèmes ouverts 6. Deuxième loi M. Lacroix Introduction 57

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