L ENERGIE SOUS TOUTES SES FORMES

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1 L ENERGIE SOUS TOUTES SES FORMES Quelles Sont les Idées Clés? L énergie c est un nombre qui comme l or ou l argent se conserve très bien dans un coffre fort si celui-ci est bien «fermé» à double tours. C est le principe de conservation. L argent qu il renferme ne sera jamais crée ni jamais détruit. Cela permet d écrire une égalité extrêmement simple pour un coffre fort fermé: Argent initial = Argent final Bien que très simple, cette égalité nous permettra de faire des prédictions tout à fait remarquables et utiles en sciences. Chapitre 1 1-ENERGY IS LIKE MONEY 1.1 Principe de conservation de l argent pour un système isolé Pourquoi étudier ce chapitre? Le concept d énergie est le concept clé qui traverse toute la physique et qui est à la base de la révolution industrielle. Quel sont les pré-requis? Avoir joué au Monopoli et les yeux remplis de $ 1.2 Notion de système 1.3 La monnaie énergie 1.4 Principe de conservation de l énergie 1.5 Notion de puissance 2-LES FORMES D ENERGIE 3-LES 2 ENERGIES DE TRANSFERT 3.1 La chaleur Q 3.2 Le travail W 3- LES CONVERTISSEURS D ENERGIE 4-CHAINE ENERGETIQUE 5- RENDEMENT 6-ETUDE DE CAS : le moteur thermique 7-ANNEXE 8-EN BREF Quel est donc le secret qui se cache derrière cet oiseau buveur?

2 * L Energie et l argent c est kif kif 1 ENERGY IS LIKE MONEY * 1.1) Principe de conservation de l argent pour un système isolé (*) ils ne peuvent rien échanger avec l extérieur. David et Marie se volent mutuellement des bananes et des bonbons (cf Fig 1). Ils sont complètement isolés (*) du monde extérieur. La valeur marchande d un bonbon est 1, celle d une banane 2. A l instant initial, David possède 32 bananes et 0 bonbon, tandis que Marie possède 30 bonbons et 0 banane. Puis à chaque seconde, Marie vole 2 bananes à David, tandis que David vole 1 bonbon à Marie. La durée de cet «échange» est de 5 s Fig 1 : Transfert de marchandises Etat initial Etat final Désignons par { D } le système { David + ses bananes et bonbons } puis { M } = { Marie + ses bananes et bonbons } enfin le système total { S } qui est la réunion des 2 précédents : { S }= { D } U { M } («Delta») est le symbole de la Différence en physique Si E>0 (positif) alors l argent entre dans le système Si E<0 (négatif) alors l argent sort du système Notons E la quantité d argent que possède un système à un instant donné, et par E la Différence d entre l instant final et initial. Remplir le tableau ci-dessous. { D } { M } E ini E fin E= E fin - E ini { S } 1 ère formulation du principe de conservation : Autre formulation : L a puissance est un nombre algébrique (positif si reçue, négatif si perdue) Soit { S } un système «isolé», on peut écrire le principe de conservation d argent sous la forme : Pour un système «isolé», la quantité d argent n est On appelle Puissance P, le débit d (reçus ou perdus) par seconde. Calculer la Puissance P(D)=. puis P(M ) =..

3 1.2) Notion de système : Un système est une portion d espace contenant la matière que l on souhaite étudier. Il est séparé du monde extérieur par une physique ou imaginaire. L ensemble { S } U { extérieur } constitue donc (voir Fig 2) 1.3) La monnaie «Energie» Fig 2 : Le gaz subit des transformations physiques (compression) et chimiques (combustion) Son énergie totale varie. { S } désigne un système quelconque (*) cf chapitre «Dynamique» (**) Si E est positive E est reçue par { S }, sinon elle est perdue Dans l exemple 1.1, le capital E ini que possède { D } varie de la quantité E en raison des transformations alimentaires (bananes, bonbons ) subies par { D }. Définition : L énergie E d un système { S }, est une grandeur ( ) qui caractérise { S } et qui lorsque ce système subit des transformations physiques, chimiques ou nucléaires (cf fig 2). L unité (*) est le.. Ne pas confondre : le capital énergie E de { S } appelée de { S }. C est de l énergie stockée qui se présente sous différentes formes. (voir 2 Les formes d énergie) et la quantité E : au système { S }. (voir fig 3) C est de l énergie qui traverse la frontière du système. Il existe 2 types d énergie de transfert : le. et la (voir 3 Les deux énergies de transfert ) 1.4) Principe de conservation de l Energie d un système isolé «Si un système { S } est isolé, son énergie totale E est constante, quelles que soient les transformations dont il est le siège.» : Fig 3 Evolution de l énergie totale du système { S } E ini = E fin (voir Fig 4) Ou encore «L énergie transférée à un système isolé est» : 1.5) Notion de puissance La puissance P représente le débit d énergie transférée E par unité de temps t : Fig 4 Pour un système isolé E ini = E fin P= E t Joule Watt seconde (voir Fig 5) unités : 1 Watt (W) = 1 kw = ; 1 MW = ; 1 GW = le wattheure (Wh) n est pas l unité de puissance mais d énergie. Fig 5 Formule de la puissance 1 Wh =. et 1 kwh =

4 ENERGIE MICROSCOPIQUE ( ou INTERNE) ENERGIE TOTALE ENERGIE MACROSCOPIQUE (ou MECANIQUE) 2 LES FORMES D ENERGIE L énergie stockée peut exister sous 7 formes différentes : l énergie cinétique, l énergie mécanique,, l énergie potentielle, l énergie thermique, l énergie électrique, l énergie chimique et l énergie nucléaire. La somme de toutes ces formes d énergie stockées dans un système est l énergie totale E. Formes d énergie Description Illustration Formule Elle est liée au mouvement. Tout Energie cinétique solide de masse m animée d une E c = ½ m.v² vitesse v possède une énergie (chap ) cinétique Energie Potentielle de pesanteur (chap ) Elle est liée à la position. Tout solide de masse m situé à une altitude z d un niveau pris pour référence, possède une énergie potentielle de pesanteur. E p = m.g.z m : masse (kg) z : altitude (m) g=10n.kg -1 L énergie thermique (chap ) C est une énergie interne due : aux mouvements microscopiques de la matière (translation, rotation, vibrations) : E c,micro aux liaisons entre les molécules d une substance : énergie latente L C est une énergie interne due à la position des charges électriques entre elles. E th = E c,micro + L E ele = qu L énergie électrique (chap ) q : charge électrique U : tension (Volt) L énergie chimique ou atomique L énergie nucléaire C est une énergie interne due à la cohésion entre le noyau chargé (+) et les électrons chargés. Dans une réaction chimique, certaines liaisons sont rompues alors que d autres sont formées. De ce fait l énergie interne change. C est une énergie interne due à la cohésion du noyau d un atome. Les réactions nucléaires libèrent beaucoup plus d énergie que les réactions chimiques. Hors programme Hors programme Compléter le document n 3 de l Annexe

5 3 LES 2 ENERGIES DE TRANSFERT L Energie peut traverser les frontières d un système sous 2 façons distinctes :. (voir fig 6) L énergie stockée initialement E ini varie de la quantité E =.. Note : W et Q sont comptés positivement s ils sont reçus par le système et négativement s ils sont perdus. E = E fin E ini = Fig 6 Les énergies de transfert W et Q 3.1) La Chaleur Q (ou transfert thermique) La chaleur (unité Joule) est la seule énergie transférée lorsqu il existe une entre le système et le milieu extérieur. On considère une tasse d eau chaude initialement à 50 C (voir fig 7) placée dans une pièce à 25 C. Que se passe-t-il?.... La chaleur est le mode d échange d énergie qui ne peut pas être directement observé à l échelle macroscopique. Il s agit d un mode d échange d énergie à l échelle microscopique. Un système ne possède pas de chaleur mais de l énergie thermique. La perte ou le gain d énergie thermique se nomme chaleur. Fig 7 Chaleur perdue 3.2) Le travail W Si l énergie qui traverse la frontière n est pas de la chaleur alors cette énergie de transfert se nomme «travail» (unité : Joule). Le travail est donc un transfert d énergie vers un système lorsqu il n y a pas de différence de température entre le système et l extérieur. Plus précisément, il y a travail chaque fois qu une. agissant sur un corps produit le. ou de celui-ci. Il peut s agir du déplacement ou de la déformation : d un système : on parle alors de. (voir Fig 8) de charges électriques (courant électrique) : on parle alors de... Ne pas confondre : le travail mécanique et l énergie mécanique, même si ces 2 concepts ont la même unité, celle d une énergie le Joule! Ne pas confondre l énergie électrique et le travail électrique. Etudier la Fig 8. Fig 8 travail mécanique Energie mécanique...

6 4 LES CONVERTISSEURS D ENERGIE Dans une chaîne énergétique, les convertisseurs permettent de convertir une forme d énergie en une autre. Les convertisseurs d énergie peuvent être alimentés par un réservoir d énergie ou par transfert d énergie. Exemple : la voiture Schéma du convertisseur Nom du convertisseur Rôle du convertisseur

7 4 CHAINE ENERGETIQUE Elle représente les éléments de stockage et de conversion de l énergie en précisant ses différentes formes. Exemple : voiture électrique 5 RENDEMENT Dans l exemple de la voiture électrique, toute l énergie chimique des réactifs de la batterie n est pas intégralement transformée en énergie mécanique. Une partie est dissipée dans l environnement, c est de l énergie perdue. Plus généralement, un convertisseur transforme une partie de l énergie absorbée à l entrée E in en énergie utile E ut qu il fournit en sortie. Le rendement (en %) d un convertisseur est égal au rapport de l énergie utile qu il perd en sortie E out (en J) à l énergie qu il reçoit en entrée E in (en J). A un instant donné, le rendement (en %) d un convertisseur est égal au rapport de la puissance utile qu il fournit P ut (en W) à la puissance qu il reçoit P in (en W). Un moteur électrique alimentée sous une tension U=230 V, soulève une charge de masse m=5 tonnes sur une hauteur h=10m. 1- Décrire la chaine énergétique de ce convertisseur. 2- Calculer W elec, W méca et en déduire le rendement Rdt (en %) W elec = W méca =.. R =..

8 La fission de 1 g d uranium libère une énergie de 2,9 GJ. Le pouvoir calorifique du pétrole est de 42 MJ.kg -1 On estime qu une centrale thermique transforme 1 tonne de pétrole en kwh d électricité. Une centrale nucléaire quant à elle produit 0,95 GJ d électricité à partir de 1 g d uranium. 1-Calculer le rendement d une centrale thermique. 2-Calculer le rendement d une centrale nucléaire. Avant de partir en randonnée, un cycliste consomme 300 g de riz. Le paquet de riz comporte l indication suivante : valeur énergétique : 1500 kj pour 100 g. 25% de la valeur énergétique des aliments sont utilisés par l organisme pour produire l effort nécessaire. 1-Calculer l énergie chimique dont dispose le cycliste. 2- Le cycliste développe en moyenne une puissance de 300 W pour rouler sur un terrain plat à la vitesse de 30 km/h. Calculer le temps pendant lequel il peut en théorie rouler sans puiser dans ses réserves. 3- Calculer la distance parcourue.

9 6 ETUDE DE CAS : le moteur thermique 1- Décrire le schéma de la chaîne énergétique du moteur thermique : 2- Ecrire la réaction de combustion de l essence (octane). 3- On considère une voiture ayant un réservoir d'un volume V = 40 L et roulant à 100 km.h -1 sur une route plane Données : = 0,8 kg.l -1 ; pouvoir calorifique essence : 45 kj.g Calculer la masse d essence contenue dans le réservoir. 3.2 Calculer l énergie thermique que peut fournir ces 40 L d essence. (On admet que l énergie chimique est intégralement transformée en énergie thermique) 4- On fait tourner le moteur à 4000 tr /min sur un banc d'essai jusqu'à consommation totale de l'essence du réservoir. Le moteur tourne ainsi pendant 4 h avant de s'arrêter. Données : voir ci-dessous la courbe de puissance de ce moteur. En déduire l énergie mécanique fournie par ce moteur pendant 4 h de fonctionnement. 5- En déduire le rendement R de ce moteur thermique

10 7 ANNEXE Document n 1 : LA MONNAIE-ENERGIE D après une idée d Hubert Reeves, tirée de son livre "Patience dans l Azur". «Derrière ce qui change, se cache quelque chose qui ne change pas» Le monde est fait de changements ou transformations: - La température d un bon bain chaud change au fil du temps - Des bougies brûlent et leur cire disparaît c'est un changement - Du courant électrique circule dans des moteurs qui changent de position. - Un corps en chute libre a sa position et sa vitesse qui changent au cours du temps Ces changements ne se font pas de manière arbitraire, ils sont reliées entre eux par une sorte d échange monétaire, mais cette monnaie n'est pas de l'argent : c'est de l'énergie. L'énergie permet donc au physicien de tenir la comptabilité des phénomènes qu il étudie. Quand une voiture avance, son carburant est utilisé dans une réaction chimique: De l énergie chimique est transformée en une autre énergie liée à la vitesse, c'est l'énergie cinétique qu'on calcule avec le célèbre «½ mv 2» soit «un demi de m v carré». Mais cette énergie est parfois de trop! Si on veut s'arrêter, il faut s'en débarrasser c'est le rôle des freins qui vont transformer cette énergie cinétique en énergie thermique. Dans la voiture on fabrique également de l'énergie électrique utilisée directement pour écouter la radio ou stockée sous forme chimique dans la batterie pour redémarrer sans pousser après un arrêt. Il nous faut donc une unité d échange, à la banque, on utilise l euro ou le dollar. En physique, il existe plusieurs unités: pour nous, celle du système international est le joule : c'est la monnaie "légale". Vers les années 1930, les physiciens découvraient l existence du neutron, particule instable qui se transforme en un proton et un électron. Mais le bilan révélait moins d énergie après la désintégration qu avant Impossible! En effet, comme la monnaie, l'énergie s'échange mais ne se fabrique pas, ce qui signifie que la quantité d énergie avant un événement doit être égale à la quantité d'énergie après l'évènement. Confiant malgré tout dans la notion d'énergie qui avait déjà prouvé son intérêt, le physicien Pauli imagina l existence d une nouvelle particule, invisible, émise au moment de la réaction. Cette particule nommée «neutrino» (petit neutron), devait par définition, posséder exactement l énergie manquante et équilibrer le bilan énergétique de la réaction. Quelques années plus tard, cette particule fut effectivement détectée au laboratoire et a progressivement pris une très grande importance en physique et en cosmologie. Cet évènement est important, car il montre que la notion d énergie est efficace et bien adaptée à la réalité des phénomènes : c'est outil clair, facile d'emploi, et donc important pour prévoir des phénomènes. L'énergie est une grandeur associée à un système, et permet de prévoir l'évolution de ce système. «L énergie est un nombre qui reste le même, quel que soit l'instant où on le calcule.» Richard Feynman. L énergie est donc une grandeur conservative. Une autre grandeur célèbre est liée à l'énergie est la puissance : elle représente en quelque sorte la rapidité du transfert d'énergie, en effet plus la puissance est grande, et plus l'énergie est transférée rapidement.

11 Document n 2 : Cherchez l anomalie D après le best Seller du professeur de physique Richard Muller : «Ce que chaque président devrait savoir» (Université de Berkeley) Energie libérée par 100 g de matière Trouver parmi ces données, celle qui semble être une anomalie? Donner une explication Document n 3 : Sources d énergie Formes d énergie

12 8 EN BREF L énergie E d un système (S), est un nombre qui caractérise (S) et qui varie lorsque ce système est le siège de transformations physiques ou chimiques ou nucléaires. Unité : Joule (J) Exemples : E cin = ½ mv 2 et E pot = mgz avec v : vitesse (m/s) et z : altitude (m) Principe de conservation de l énergie d un système isolé : E ini = E fin Puissance P : débit d énergie reçue ou perdue par seconde. Unité watt (W) E=P t avec t : temps écoulé en secondes (s) Exemple : P elec = U I avec U : tension (V) et I : intensité du courant (A) E elec = U I t Rendement d un système R P ut : puissance utile ou fournie et P in : puissance consommée. R = E ut / E in ou R = P ut / P in Dans une chaine énergétique, le rendement global est le produit de tous les rendements intermédiaires. R global = R 1 R 2 R n

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