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1 R essources MICHEL WAUTELET SCIENCES TECHNOLOGIES et SOCIÉTÉ Questions et réponses pour illustrer les cours de sciences De Boeck

2 Introduction générale 5 Sciences, technologies, société 1. Quels sont les liens entre les sciences, les technologies et la société? Quelles sont les catégories principales de problèmes scientifiques vis-à-vis de leurs implications pour la société? 9 3. Comment les scientifiques réagissent-ils par rapport à la place de la science dans la société? Quels sont les liens entre sciences fondamentales, sciences appliquées et technologies? 12 I. LES ENERGIES 1. Pourquoi l'énergie est-elle nécessaire dans notre civilisation occidentale? Quelles sont les principales questions qui se posent à notre société concernant le problème de l'énergie? Quels sont les principaux types d'énergie disponibles? Quelles sont les principales utilisations actuelles des énergies? Quelles seront les parts des différents types d'énergie vers 2050? 19 Les énergies fossiles 6. Comment estime-t-on les ressources d'énergies fossiles? Quelles sont les réserves estimées d'énergies fossiles? 22 L'énergie solaire 8. Quelle quantité d'énergie est-elle fournie par le Soleil au niveau de la Terre? Qu'est-ce qui régit le rendement des transformations d'énergie? Quels sont les rendements des diverses transformations d'énergie?.. 26 L'énergie photovoltaïque 11. Quel est le principe de fonctionnement des cellules photovoltaïques? Quel est le rendement de transformation d'énergie lumineuse en énergie électrique des cellules photovoltaïques? En Europe, quelle aire de cellules photovoltaïques serait-elle nécessaire pour fournir une puissance électrique moyenne de 1 kw? 30

3 14. Quelle serait l'aire du parc de cellules photovoltaïques nécessaire pour alimenter l'union européenne en électricité par cette seule énergie? Le photovoltaïque est-il plus utile dans les pays en voie de développement qu'en Europe? Quels sont les problèmes du développement de l'énergie photovoltaïque? 31 L'énergie solaire thermique 17. Quel est le principe de fonctionnement du chauffe-eau solaire? Dans nos régions, combien d'énergie peut-on espérer récupérer par an par m 2 de panneau solaire? Dans le Nord de la France et en Belgique, quelle aire de panneaux solaires est-elle nécessaire pour fournir l'énergie de la moitié de l'eau chaude sanitaire d'une famille? 33 L'énergie éolienne 20. Qu'est-ce que l'énergie éolienne? Quel est le principe des éoliennes? Quelles sont les quantités d'énergie éolienne disponibles? Quels sont les avantages de l'énergie éolienne? Comment peut-on évaluer la puissance fournie par une éolienne?.. 38 L'énergie hydroélectrique 25. Quel est le principe de fonctionnement des centrales hydroélectriques? Quel est l'état actuel du développement de l'énergie hydroélectrique? 40 La biomasse 27. Qu'est-ce que la biomasse? Quelles sont les possibilités de la biomasse? a. Quelle superficie faudrait-il pour satisfaire tous les besoins énergétiques de l'union européenne par la biomasse? b. Quels sont les problèmes liés à la valorisation énergétique 44 de la biomasse? L'énergie de fission nucléaire 30. Quel est le principe de la fission nucléaire? De quoi est constitué un réacteur nucléaire? Quel est le rendement énergétique d'une centrale nucléaire? Quel est le bilan énergétique et nucléaire d'une centrale nucléaire? Qu'est-ce que le MOX? 48

4 35. Quelles sont les catégories de déchets nucléaires? Qu'est-ce que le cycle du combustible nucléaire? Quelles sont les solutions possibles pour se débarrasser de déchets nucléaires de haute activité? Quels sont les risques d'accidents nucléaires? Quels sont les liens entre le nucléaire civil et le nucléaire militaire? 52 L'énergie de fusion nucléaire 40. Qu'est-ce que l'énergie thermonucléaire ou de fusion nucléaire? Quelles sont les conditions requises pour obtenir la fusion nucléaire contrôlée? Qu'est-ce que la fusion nucléaire par confinement inertiel? Qu'est-ce que la fusion nucléaire par confinement magnétique? Quels sont les obstacles à la réaction de réacteurs de fusion nucléaire? 56 L'utilisation rationnelle de l'énergie 45. En quoi consiste l'utilisation rationnelle de l'énergie? Quelles sont les possibilités de l'utilisation rationnelle de l'énergie? 60 Le stockage de l'énergie 47. Quels sont les moyens de stockage d'énergie? Quels sont les types de stockage thermique de l'énergie? En quoi consiste le stockage par chaleur sensible? En quoi consiste le stockage par chaleur latente? En quoi consiste le stockage chimique? Quelles sont les possibilités du stockage électrique? Quelle quantité d'énergie peut-on stocker dans une batterie au plomb? 63 Les risques technologiques 54. Quels sont les risques des sources d'énergie? Comment comparer les risques des diverses sources d'énergie? Le fait d'inclure les catastrophes nucléaires modifie-t-il le classement des risques des différentes centrales énergétiques? 69 IL L'AUTOMOBILE ET LES TRANSPORTS 1. Quels sont les problèmes liés à l'énergie de la voiture et des transports? 74

5 L'énergétique de la voiture à moteur à combustion 2. Quelle énergie est fournie par la combustion d'un litre d'essence? Quelle énergie dépense une automobile moyenne pour parcourir cent kilomètres? Quelle est la puissance dissipée par une voiture moyenne à 80 km/h? Quel est le rendement énergétique d'une voiture moyenne à moteur à essence roulant à 80 km/h? 75 La voiture électrique 6. Qu'est-ce qu'une voiture électrique? Quels sont les types principaux de voitures électriques? Quelle est l'énergie minimale dépensée par une voiture électrique pour parcourir 100 km à une vitesse de 80 km/h? Les constructeurs de voitures électriques conçoivent que chaque propriétaire pourra recharger les batteries à domicile, via une simple prise de 230 V, 16 A. Dans ces conditions, combien de temps faudra-t-il pour recharger la voiture étudiée à la question précédente, avec une autonomie de 100 km? 77 Les batteries 10. Quelle est la quantité d'énergie électrique stockable par kilo de batterie au plomb? Quelle serait la masse de batteries au plomb nécessaire à une voiture électrique moyenne circulant à 80 km/h, avec une autonomie de 100 km? Quelle est la quantité d'énergie électrique stockable par kilo de batterie au nickel-cadmium? Quelle serait la masse de batteries au nickel-cadmium nécessaire à une voiture électrique moyenne circulant à 80 km/h, avec une autonomie de 100 km? 83 Les piles à combustible 14. Qu'est-ce qu'une pile à combustible? Quels sont les types de piles à combustible? Quelle est la quantité d'énergie fournie par mole (et kilogramme) d'hydrogène dans une pile à combustible? Quel est le rendement des piles à combustible? Quelle serait la consommation d'hydrogène d'une voiture électrique moyenne circulant à 80 km /h sur une distance de 100 km? En supposant que l'hydrogène soit stocké dans des bonbonnes, sous une pression p = 7 xlo 7 Pa, quel serait le volume d'hydrogène

6 nécessaire pour une autonomie de 100 km dans les conditions précédentes (Valeur donnée par les constructeurs)? Quelle est la quantité théorique d'énergie nécessaire pour fabriquer 1 mole (et 1 kilogramme) d'hydrogène par réaction de reformage du méthane? Quelle est la quantité théorique d'énergie nécessaire pour fabriquer 1 mole (et 1 kilogramme) d'hydrogène par réaction de reformage du méthanol? Quelle est la quantité d'énergie électrique nécessaire pour fabriquer 1 mole (et 1 kilogramme) d'hydrogène par électrolyse de l'eau? ; Les centrales électriques 23. À quoi sont destinés les véhicules électriques? À supposer que les véhicules électriques remplacent le parc actuel de véhicules, combien de centrales électriques seront-elles nécessaires pour alimenter le parc automobile, constitué de voitures électriques avec batteries, de l'union Européenne? On considérera le cas de centrales Turbines Gaz Vapeur ( TGV) de 300 MW ou de centrales nucléaires de 1 GW En considérant le cycle total de l'énergie, la voiture électrique avecbatteries est-elle plus ou moins énergivore que la voiture à essence? On considère le cas des centrales TGV, avec un rendement de conversion de Rt = 40% Dans les mêmes hypothèses que dans les questions précédentes, combien de centrales électriques seront-elles nécessaires pour alimenter le parc automobile, constitué de voitures avec piles à hydrogène, de l'union Européenne? L'hydrogène est fabriqué par électrolyse de l'eau. On considérera le cas de centrales TGV de 300 MW ou de centrales nucléaires de 1 GW Dans les mêmes hypothèses, quelle sera la consommation annuelle de gaz naturel nécessaire à l'alimentation du parc automobile de l'union Européenne? Quelle est la situation actuelle et future des véhicules électriques?.. 94 L'énergétique de la construction automobile 29. Quelle quantité d'énergie est-elle nécessaire pour la fabrication d'une automobile moyenne? En supposant que, en moyenne, une automobile ait une durée de vie de cinq ans, de combien d'énergie a-t-on besoin, par an, pour fabriquer le parc automobile de l'union européenne? En supposant que l'énergie soit fournie par des centrales électriques, de combien de centrales électriques a-t-on besoin pour fabriquer le parc automobile de l'union européenne? 96

7 32. En supposant que la durée de vie des automobiles double, comment varierait l'énergie nécessaire à la fabrication automobile de l'union européenne? En supposant que la durée de vie des automobiles double, comment varierait le nombre de centrales électriques fournissant l'énergie nécessaire à la fabrication automobile de l'union européenne? Selon certaines estimations, un recyclage adéquat des matériaux permettrait d'économiser un tiers de l'énergie nécessaire à la fabrication des automobiles. Combien de centrales électriques seraient-elles alors nécessaires pour l'union européenne? 97 La comparaison de divers modes de transport 35. Quelle est la puissance consommée par un train à grande vitesse? Quelle est l'énergie consommée par un TGV pour parcourir 100 km? Un TGV Eurostar peut transporter 749 passagers. Quelle énergie par passager faut-il pour parcourir 100 km? Tenant compte de la chaîne énergétique, de l'énergie primaire au TGV, le TGV est-il plus ou moins énergivore que la voiture automobile, par passager? Quelle est l'énergie dépensée par un Airbus A-310 pour parcourir 100 km? Un Airbus A-310 peut transporter 246 passagers. Quelle énergie par passager faut-il pour parcourir 100 km? Tenant compte de la chaîne énergétique, de l'énergie primaire à l'énergie consommée, l'avion est-il plus ou moins énergivore que la voiture automobile par passager? Que le TGV? 100 III. LE BÂTIMENT Le chauffage 1. Comment peut-on évaluer les caractéristiques thermiques d'un bâtiment? Quelles sont les conditions à remplir pour une utilisation rationnelle de l'énergie thermique d'un bâtiment en hiver? Quelles sont les conditions à remplir pour une utilisation rationnelle de l'énergie thermique d'un bâtiment en été? Quel est le rôle du thermostat? Quelles sont les sources de chaleur dans un bâtiment de bureaux? Quelle est la quantité de chaleur dégagée par un être humain? Quelles sont les sources de pertes de chaleur dans un bâtiment? En hiver, comment varie la consommation d'énergie d'un bâtiment de bureau lorsque la température extérieure varie? 109

8 9. En hiver, comment varie la consommation d'énergie d'un bâtiment de bureau en fonction de son isolation thermique? En quoi le bilan thermique d'une maison familiale est-il différent de celui d'un immeuble de bureaux? En fonction de l'isolation thermique, comment varie la consommation d'énergie d'une maison familiale en hiver? Combien d'énergie peut-on économiser lorsque l'on utilise l'énergie solaire entrant au travers des vitrages (effet de serre) si la maison est bien ou très bien isolée? En quoi la domotique est-elle utile pour effectuer des économie d'énergie? 112 L'installation électrique 14. Quelles sont les caractéristiques principales de l'alimentation électrique des bâtiments? Comment peut-on calculer l'énergie dépensée par un appareil électrique? Quelle est l'utilité des fusibles et disjoncteurs? Comment peut-on déterminer l'origine d'une panne électrique à l'origine de la coupure d'un disjoncteur? Quelle est l'utilité de la prise de terre? Quelle est l'utilité d'un différentiel? 116 IV. LES AUTOROUTES DE L'INFORMATION Les origines 1. Quelles sont les origines techniques des autoroutes de l'information? Quels sont les éléments des autoroutes de l'information? De quoi sont matériellement constituées les autoroutes de l'information? Quels sont les services disponibles sur les autoroutes de l'information? 122 Les ordinateurs 5. Qu'est-ce qu'un ordinateur? De quoi sont constituées les machines intelligentes? En quoi un ordinateur est-il une machine intelligente? Quels sont les éléments d'un ordinateur? Quelle est la consommation électrique d'un ordinateur? 126 La vie des ordinateurs 10. Comment fabrique-t-on un ordinateur? 127

9 11. Pourquoi la fabrication d'un ordinateur requiert-elle de nombreuses étapes? Comment parvient-on à dessiner les éléments très petits des ordinateurs? Quelle est l'évolution prévue de la taille minimum des éléments des ordinateurs? Comment parvient-on à dessiner les éléments d'un ordinateur un grand nombre de fois? Quels sont les principaux produits chimiques utilisés pour la fabrication des puces électroniques? Comment pourrait-on réduire la quantité de produits chimiques nécessaires à la fabrication des puces électroniques? Quelle est la quantité d'énergie nécessaire à la fabrication d'un ordinateur? Quelle est la composition moyenne d'un ordinateur et de ses accessoires? Pourquoi le recyclage d'un ordinateur est-il difficile? Comment se comparent les bilans écologiques des ordinateurs 134 et des machines à écrire? Les capacités de stockage 21. Quel est le langage utilisé par les ordinateurs? Que fait-on lorsque l'on appuie sur une touche du clavier d'un ordinateur? De quelle capacité de mémoires d'ordinateur a-t-on besoin pour stocker une page de texte? De quelle capacité de mémoires d'ordinateur a-t-on besoin pour stocker une seconde de son? De quelle capacité de mémoires d'ordinateur a-t-on besoin pour stocker une image? De quelle capacité de mémoires d'ordinateur a-t-on besoin pour stocker une seconde de scène de télévision? Qu'est-ce que la compression d'images? De quelle capacité de mémoires d'ordinateur a-t-on besoin pour stocker un film commercial moyen? Quelle est la capacité de stockage d'une disquette? Combien de pages de texte, de secondes de son, d'images, de secondes de films peut-on stocker sur une disquette? Quelle est la capacité de stockage d'un CD-ROM? Combien de pages de texte, de secondes de son, d'images, de secondes de films peut-on stocker sur un CD-ROM? Quelle est la capacité de stockage d'un DVD? Combien de pages de texte, de secondes de son, d'images, de secondes de films peut-on stocker sur un DVD? 138

10 35. Quelle est la capacité de stockage d'un disque dur d'ordinateur? Combien de secondes de films peut-on stocker sur un disque 138 dur d'ordinateur? Le réseau Internet 37. Qu'est-ce que le réseau Internet? Comment peut-on évaluer le temps de transfert d'une page de texte par le réseau Internet? Comment peut-on évaluer le temps de transfert d'une seconde de son par le réseau Internet? Comment peut-on évaluer le temps de transfert d'une image par le réseau Internet? Comment peut-on évaluer le temps de transfert d'un document filmé par le réseau Internet? Quels sont les moyens physiques utilisés pour transmettre l'information par le réseau Internet? 141 Les fibres optiques 43. Quels sont les avantages des fibres optiques sur les fils métalliques pour la transmission de l'information? Quel est le principe de la transmission de l'information par fibres ptiques? Comment sont constituées les fibres optiques? 142, 46. Quelles sont les catégories principales de fibres optiques? Quelles sont les capacités de transfert des fibres optiques? Comment pourrait-on transmettre plusieurs messages simultanément dans une seule fibre optique? 147

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