I. Ressources énergétiques

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1 Chap. 6 Utilisation des ressources énergétiques disponibles I. Ressources énergétiques gaz 23% Consommation mondiale d'énergie énergies renouvelables 6% nucléaire 7% charbon 26% pétrole 38% Consommation d énergie en 2002, (Sources : CEA, Ministère de l économie) 1- Citer des ressources énergétiques que l on peut qualifier d énergie renouvelable, donner une définition d énergie renouvelable. 2- En vous aidant du document ci-dessus, regrouper les sources d énergie que l on peut qualifier d énergie non renouvelable. Certaines correspondent dans ce cas à des sources d énergies fossiles. Quelles sont-elles? Pourquoi? 3- Le gaz naturel est constitué d un mélange d hydrocarbures mais qu est-ce qu un hydrocarbure? Une fois traitée, on récupère, entre autres, un gaz dit «sec», quel est son constituant majeur? A quelle famille appartient-il d ailleurs? Citer d autres composés de la même famille. II- Les ressources fossiles 1- Le charbon Quel est l élément chimique principal contenu dans le charbon? Quelle est la consommation annuelle de charbon? Quelle est la production annuelle de charbon, à ce rythme, quelle est la durée estimée des réserves? Page 1 sur 9

2 2- Le pétrole Depuis quand utilise-t-on abondamment le pétrole? Pour quels usages? Quelle est la consommation annuelle de pétrole? Quels sont les pays les plus demandeurs? Les plus producteurs et ceux qui possèdent le plus de réserves?, à ce rythme, quelle est la durée estimée des réserves? 3- Le gaz naturel Quel est la formule chimique du gaz naturel? Quelle est la consommation annuelle de gaz naturel? Quels sont les principaux fournisseurs? Quelle est la production annuelle de gaz? Quels sont les principaux fournisseurs?a ce rythme, quelle est la durée estimée des réserves? Quelles sont les nouvelles voies pour produire du gaz naturel? 4- Combustion Une combustion est la réaction chimique entre un combustible et un comburant. Quelle est la molécule indispensable à la combustion d un combustible fossile? a) combustion du carbone On accroche un morceau de carbone au fil de fer du bouchon. Le porter à incandescence à l aide du bec bunsen, puis l introduire dans un flacon de comburant (indispensable à la combustion), L incandescence se poursuit et est plus vive dans le flacon. Une fois la réaction terminée, introduire dans le flacon de l eau de chaux. Boucher et agiter. Le gaz formé trouble l eau de Chaux Qu a-t-on pu mettre ainsi en évidence? comburant Quel est le bilant chimique de cette transformation? eau de Chaux +.. b) combustion du butane On allume un chalumeau, on ouvre la virole, observer la couleur de la flamme, on place une coupelle sèche au dessus de la flamme puis on récupère le gaz que l on fait barboter dans l eau de chaux. Observations: Il y a formation de buée (qui bleuit le sulfate de cuivre anhydre) et l eau de chaux se trouble Conclusion : Page 2 sur 9

3 Si on ferme la virole, la couleur de la flamme est-elle modifiée? On place à nouveau une soucoupe propre. Que se dépose-t-il? La flamme est maintenant jaune, du noir se dépose sur la coupelle Conclusion : Les ouvertures de la virole permettent une arrivée d air qui se mélange au gaz. Qu entraîne la fermeture de la virole? La combustion d un combustible peut être qualifiée de complète ou incomplète. Attribuer le terme correct aux deux états de la virole. Consommation française d'énergie III- Les ressources fissiles 1- Les noyaux atomiques a) Quelques définitions En vous servant de vos connaissances, compléter le texte suivant : nucleaire 39% énergies renouvelables 7% charbon 5% gaz 15% pétrole 34% L atome est formé d un.. et d.. qui gravitent autour. Le noyau est chargé, les.. négativement. L atome est électriquement.. Le noyau est assimilable à une.. dont le diamètre est de à fois plus.. que celui de l atome, mais il renferme la quasi totalité de la masse de l atome ( plus de 99,9 %). Le noyau renferme des.. et des.. qui ont des.. voisines de 1, kg. Le.. porte une charge positive de valeur 1, C. Le ne porte pas de charge électrique. Les protons et les neutrons, comme constituant du noyau, sont appelés les. Z, numéro.. ;, correspond au nombre de contenus dans le noyau., nombre de masse, correspond au nombre de contenus dans le noyau. Le nombre de neutrons contenus dans le noyau s obtient par ; il vaut.. Un nucléide regroupe un ensemble d atomes possédant des noyaux identiques. Il est caractérisé par les deux nombres. et. On le note où X est le symbole de l correspondant. On appelle, des nucléides qui ont même Z mais qui diffèrent par leurs valeurs de A Exemple : C 6 6 C 6 C Deux nucléides... ont même nombre de.. ;, ils différent par leurs nombres de.. Ils Ont des propriétés chimiques identiques mais des propriétés physiques très différentes : l un peut être stable alors que l autre ne l est pas. La stabilité dépend du nombre de nucléons. b) Exercice d application A On donne les nucléides suivants identifiés par : Z X Page 3 sur 9

4 94 38 X X X X X X X 1 / Déterminer les nucléides isotopes. 2 / En utilisant le tableau extrait de la classification périodique des éléments, identifier parmi les nucléides cités ceux qui sont isotopes de l uranium U. 90 Th 91 Pa 92 U 93 Np 94 Pu 3 / Écrire les symboles des nucléides correspondants et préciser la composition de leur noyau respectif. 4 / Quel est l isotope le plus léger? 5 / L isotope le plus léger représente 0,7 % de l uranium naturel, l autre 99,3 %. Si l on dispose de 2000 noyaux d uranium naturel, combien de noyaux lourds a-t-on? Combien de noyaux légers a-t-on? 2. Radioactivité a) Une surprise pour un physicien de la fin de XIX ème siècle En 1896, le physicien français Henri Becquerel ( ) avait rangé sa plaque photographique près de sels d'uranium qu'il était en train d'étudier. Quelle ne fut pas sa surprise quand il s aperçut que le film photographique avait été impressionné sans avoir été exposé à la lumière. Il en déduit que l'uranium émettait des rayonnements invisibles ressemblant aux rayons X découverts, l année précédente, par Wilhelm Roentgen, physicien allemand, et découvre ainsi la radioactivité. Marie Curie ( ) et Pierre Curie ( ) se consacrent à l étude de la radioactivité et découvrent deux corps radioactifs : le radium et le polonium. Ces travaux leur valent la prix Nobel de physique en 1903, qu ils partagent avec Henri Becquerel. Marie Curie obtient encore le prix Nobel de chimie en b) Qu est-ce-que la radioactivité? Dans la nature, la plupart des noyaux d atomes sont stables. Cependant, certains atomes ont des noyaux instables. Un noyau instable se désintègre : il se transforme spontanément en un autre noyau en émettant des rayonnements et de l énergie : c est ce qu on appelle la radioactivité naturelle. Elle peut être artificielle lorsque l'on bombarde les noyaux des atomes. Les éléments constitués d atomes ayant des noyaux instables sont des éléments radioactifs ou radioéléments. Des éléments radioactifs existent dans la nature ; le plus connu est que l on extrait de certains gisements miniers mais qui se trouve à l état de traces dans presque tous les sols. D autres, moins 40 connus sont pourtant très répandus dans la nature : c est le cas du potassium K que l on trouve dans presque tous les organismes vivants. Page 4 sur 9

5 Il existe des éléments radioactifs qui sont produits artificiellement, en particulier dans les centrales nucléaires : c est le cas de l iode I, du césium Cs et du plutonium Pu. L énergie produite par une désintégration radioactive peut être utilisée à quelles fins? Un échantillon radioactif se caractérise par son qui se produisent en son sein. L'unité d'activité est le.. c) Quelle est la nature des rayonnements radioactifs? Lors de sa désintégration, un noyau peut émettre différents types de rayonnements : Qu est-ce que le rayonnement alpha (α)? + Qu est-ce que le rayonnement bêta plus ( β )? Qu est-ce que le rayonnement bêta moins ( β - )? Qu est-ce que le rayonnement gamma (γ)? 3. Les réactions de fission Elle est utilisée dans les centrales nucléaires quand elle est contrôlée. a) La réaction de fission C est grâce à l uranium, un métal relativement abondant dans l écorce terrestre, que fonctionnent les centrales nucléaires. L'uranium naturel, tel qu'il est extrait du sol, est constitué essentiellement de deux isotopes : l'uranium 238 pour 99,3% et l'uranium 235 pour 0,7%. Ecrire la réaction de fission d un noyau d uranium 235 sous l impacte d un neutron Montrer que dans cette réaction il y a conservation du nombre de masse et du numéro atomique Quelle est l énergie libérée par un gramme d uranium 235? Donner le nombre de protons et de neutron dans les noyaux d uranium 235 et 238 b) Pourquoi faut-il contrôler la fission? Que deviennent les neutrons produits? Page 5 sur 9

6 Schéma de la réaction en chaîne : L énergie dégagée devient très vite considérable. Sans précautions, la réaction en chaîne conduit à une explosion : c est ce qui se produit dans une bombe atomique, à Tchernobyl. Dans le réacteur d une centrale nucléaire, les neutrons sont ralentis par l eau (c est le modérateur) et des barres absorbent une partie des neutrons pour contrôler la réaction. La réaction en chaîne constitue la source d énergie primaire nécessaire à la production d électricité. Une pastille de combustible d'uranium, ne mesurant qu'un centimètre de long et pesant seulement 7g, peut libérer autant d'énergie qu'une tonne de charbon. 4. Les réactions de fusion Elles se produisent au sein du soleil Qu est-ce que la fusion nucléaire? Quelle réaction se produit au sein du soleil? Montrer que dans cette réaction il y a conservation du nombre de masse et du numéro atomique Quelle énergie produit une telle réaction? Quel est l objectif du projet ITER? IV- Ressources renouvelables 1. Le soleil De quels facteurs dépend la puissance solaire reçue au sol? Quels sont les deux types d utilisation de l énergie solaire? Quels sont les principaux inconvénients pour l utilisation de cette énergie? Page 6 sur 9

7 2. Le vent Citer au moins deux inconvénients dans l utilisation de l énergie éolienne. Quelle est la quantité d énergie éolienne produite en France? Quelle énergie pourrait-on récupérer au niveau mondial 2. L eau Quels sont les différents types d utilisation de l énergie hydraulique? Quel est le frein à l utilisation massive de cette énergie? Quelles sont les nouvelles voies d utilisation de cette énergie? 2. Autres Expliquer ce qu on entend par biomasse? Qu est-ce que la géothermie? V- Les différentes transformations d énergie A partir des documents ci-dessous, reconstituer les «chaînes énergétiques» des principaux types de centrales électriques. 1- Généralités Matières premières : Soleil, Minerai d uranium, Vent, Eau, Combustibles fossiles. Énergies primaires : Énergie chimique, Énergie mécanique, Énergie nucléaire, Énergie rayonnante L énergie mécanique est la somme des énergies potentielle et cinétique. L énergie cinétique d un corps est l énergie qu il possède du fait de sa vitesse. L énergie potentielle d un objet est l énergie qu il possède du fait de sa position par rapport au sol. 6 Rappel : Le préfixe M, méga, signifie 10 fois l unité, soit un million de fois l unité. 9 Le préfixe G, giga, signifie 10 fois l unité, soit un milliard de fois l unité. 12 Le préfixe T, téra, signifie 10 fois l unité, soit mille milliard de fois l unité. 2- Différentes centrales Page 7 sur 9

8 Centrale éolienne : Les pales de l éolienne sont mise en mouvement par le vent, elles entrainent avec elles un axe qui fait tourner la génératrice de courant. Les éoliennes les plus fréquentes ont une puissance de 1,5 MW. Production totale d énergie éolienne en France en 2003 : 375 GWh Puissance totale installée en France en 2004 : 385 MW. Centrale hydraulique L eau qui s écoule fait tourner une turbine qui fait tourner un alternateur. Les centrales hydrauliques ont une puissance qui peut aller de 1000 W pour une centrale individuelle à 500 MW pour un barrage d importance. Production totale d énergie hydraulique en France en 2003 varie de 65 à 80 TWh selon l intensité des pluies. Centrale solaire thermique Les rayons du Soleil sont concentrés pour chauffer un fluide qui en se vaporisant fait tourner une turbine qui fait tourner un alternateur. Puissance de l ordre de quelques MW. Prototype en France sur le site de Targassonne dans les Pyrénées fut exploité de 1983 à 1986 (2,5 MW) La plus grande centrale thermique solaire, en Californie, a une puissance de 150 MW. Centrale photovoltaïque Une cellule photovoltaïque transforme le rayonnement solaire directement en électricité. Le 1er Juin 2005 a été inauguré à proximité de Chambéry, la plus grande centrale photovoltaïque de France. Elle devrait produire kwh par an, dont 80% seraient revendus à EDF. Production totale d énergie photovoltaïque en France en 2003 : 15 GWh (DOM-TOM inclus) Chez les particuliers, production de 900 à 1200 kwh par an en métropole et 1400 KWh par an en DOM. Page 8 sur 9

9 Centrale géothermique On capte la chaleur de la Terre ou de l eau chaude provenant de la Terre afin d obtenir de la vapeur qui va faire tourner une turbine qui fait tourner un alternateur. La géothermie (du grec Gê, la terre, et Thermie, la chaleur) consiste à capter la chaleur de la croûte terrestre pour produire du chauffage ou de l électricité. Une centrale en France à Bouillante en Guadeloupe d une puissance de 15 MW, elle a produit 20 GWh en Centrale thermique La combustion de combustibles fossiles (ou de biomasse) permet de chauffer de l eau, de la vaporiser, la vapeur fait ensuite tourner une turbine qui fait tourner un alternateur. Les centrales thermiques en France ont des puissances variant de 100 MW à 700 MW. Production d énergie thermique fossile en France en 2003 : 56,5 TWh. En Guadeloupe et à La Réunion, la biomasse est utilisée. Centrale nucléaire Une réaction nucléaire dégage de la chaleur qui va permettre de vaporiser de l eau, la vapeur obtenue fait tourner une turbine qui fait tourner un alternateur. Les réacteurs en services en France ont des puissances de 900 W, 1300 MW et 1450 MW. Production d énergie nucléaire en France en 2003 : 441 TWh 3- Mode de fonctionnement des centrales Une centrale électrique fonctionne grâce à : Un réservoir d énergie dite primaire qui sera transformée en énergie mécanique, Une turbine qui possède de l énergie mécanique du fait de son mouvement de rotation (sauf centrale éolienne et photovoltaïque), Un alternateur qui convertit l énergie mécanique de la turbine en énergie électrique. nucléaire chimique mécanique rayonnante Source d énergie primaire Énergie électrique Page 9 sur 9