1. Aspect physique de l énergie

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Gabriel Bourget
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Sciences et Technologies de l Industrie et du Développement Durable L ENERGIE T le STI2D CI 9 : Amélioration de l efficacité énergétique dans les chaines

Aspect physique de l énergie Provenant du mot grec energeia, signifiant «force en action», l énergie est un concept de base de la physique.

Les travaux de nombreux savants (Antoine Lavoisier [1743-1794], Nicolas Carnot [1796-1832], Hermann von Helmholtz [1821-1894], Albert Einstein

1 Sciences et Technologies de l Industrie et du Développement Durable L ENERGIE T le STI2D CI 9 : Amélioration de l efficacité énergétique dans les chaines d énergie Cours ET 1. Aspect physique de l énergie Provenant du mot grec energeia, signifiant «force en action», l énergie est un concept de base de la physique. C est une grandeur (mesurée en Joules) qui exprime la capacité d un système à modifier l état d un ou plusieurs autres. Les travaux de nombreux savants (Antoine Lavoisier [ ], Nicolas Carnot [ ], Hermann von Helmholtz [ ], Albert Einstein [ ] ) ont permis de mettre en évidence des propriétés liées à l énergie : L énergie peut prendre différentes formes. L énergie ne peut ni se créer, ni disparaître. L énergie peut subir des transformations. Conversions des 7 formes principales d énergie et leurs convertisseurs : CI9_1_Cours_energie.docx Lycée Jules Ferry Versailles 1/5

2 1.1. Quelle unité pour l énergie? Energie mécanique Bien que l énergie puisse apparaître sous différentes formes, les premières études pour quantifier l énergie furent menées dans le domaine mécanique. Ainsi l énergie, appelée travail, fut définie mécaniquement : Ä Le travail effectué par une force de 1 Newton au cours d un déplacement de 1 mètre s appelle le joule (unité reconnue par le système international, d après le nom du physicien James Prescott Joule [ ]) Energie thermique L unité utilisée pour l énergie thermique est la calorie (du latin calor «chaleur», définie par le chimiste et physicien Nicolas Clément [ ]). Ä 1 calorie équivaut à la quantité de chaleur nécessaire pour élever de 1 C la température de 1 gramme d'eau distillée de 14,5 à 15, 5 C sous la pression atmosphérique normale : Ä 1 calorie (cal) = 4,1855 joules (J) Sous une autre forme, les plantes, les fruits, les légumes possèdent de l énergie (utilisée par l homme ou les animaux pour fournir un travail). Les diététiciens en étudiant la valeur énergétique des repas, définirent la «grande calorie» : Ä 1 grande calorie (Cal) = 1 kilocalorie (kcal) = 1000 cal = 4185,5 J Energie électrique Sous sa forme électrique, l énergie est mesurée avec une unité beaucoup plus grande, le kilowattheure (d après le nom de l ingénieur écossais James Watt [ ]) : Ä 1 wattheure (Wh) = 3600 J ð 1 kwh = 3600 kj La transformation à grande échelle de matières premières en énergie électrique à fait apparaître de nouvelles unités de mesure. L unité communément adoptée est la tonne équivalent pétrole (tep), elle exprime l énergie (quantité de chaleur) dégagée par la combustion d une tonne de pétrole brut. Ä 1 tep 41,868 GJ kwh Ce résultat traduit une équivalence énergétique, basée sur le pouvoir calorifique (PCI) du combustible. Pour calculer l énergie électrique que l on récupérerait si la conversion était réellement réalisée, il faut tenir compte du rendement du convertisseur utilisé. CI9_1_Cours_energie.docx Lycée Jules Ferry Versailles 2/5

3 L électronvolt L'électronvolt est l'unité d'énergie utilisée en physique des particules (nucléaire entre autres) : c'est l'énergie acquise par un électron soumis à un potentiel électrique de 1V. Ä 1 électronvolt (ev) = 1, J Quelle unité utiliser? Quelle que soit l origine de l énergie étudiée, n importe quelle unité peut être utilisée pour la quantifier puisque nous connaissons leurs équivalences. Pour l étude des systèmes qui convertissent l énergie, il sera préférable d utiliser une même unité cohérente avec les quantités d énergie mise en jeu Et la puissance? On définit la puissance comme le quotient du travail effectué par le temps mis pour le faire. L unité légale de la puissance est le Watt, qui vaut 1 Joule par seconde. Relation entre énergie (W) et puissance (P), à puissance constante : Ä W=P t ð P= W t James Watt avait inventé une machine destinée à l industrie minière : cette machine (à vapeur) avait la même puissance qu un cheval de force moyenne qui sans fatigue excessive pouvait soulever en 1 minute une masse de 150 kg à une hauteur de 30 mètres. Cette machine a donné son nom à l unité HP (Horse Power ou CV «cheval- vapeur») : Ä 1 CV = 735,5 W 1.3. Et le rendement? Comme vu précédemment, l énergie peut subir des transformations entre ses différentes formes. Toutefois, lorsque l on cherche à convertir une énergie d une forme à une autre, l énergie de départ n est pas totalement convertie à des fins utiles. En effet, d autres formes d énergies apparaissent et sont considérées comme des pertes par rapport au but recherché. Le terme «pertes» peut prêter à confusion, puisque selon le principe de conservation de l énergie (énoncé en 1847 par Hermann von Helmholtz), une énergie ne peut pas disparaître On définit le rendement d un convertisseur à partir du rapport entre l énergie utilisable en sortie et l énergie qu il a dû absorber pour réaliser la conversion. Ä = Ws We = Ps t Pe t Ps ð η= à puissances constantes Pe CI9_1_Cours_energie.docx Lycée Jules Ferry Versailles 3/5

Le Soleil mesure 1 400 000 kilomètres de diamètre, 108 fois le diamètre de la Terre. La Terre tourne sur elle- même en 1 jour, mais le Soleil tourne sur lui- même en 25 jours.

4 2. Le soleil source d énergie 2.1. Qu est- ce que le soleil? Le Soleil est une étoile de dimension moyenne, une énorme boule chaude de gaz. C'est une étoile parmi des milliards dans notre galaxie (la voie lactée). Bien que sa distance moyenne à la Terre soit de 149,6 millions de kilomètres, il reste l'étoile la plus près de la Terre. Le Soleil mesure kilomètres de diamètre, 108 fois le diamètre de la Terre. La Terre tourne sur elle- même en 1 jour, mais le Soleil tourne sur lui- même en 25 jours. Il contient 75 % d'hydrogène et 25 % d'hélium qui brûlent en tout temps. Au centre du Soleil, l'hydrogène est transformé en hélium. La combustion de ces éléments permet au Soleil de libérer de la chaleur et différents rayons (ultraviolets, visibles, infrarouges, rayons X ). Température du Soleil : 5800 kelvins soit 5527 C à la surface kelvins soit C au centre 2.2. Influence du soleil sur la terre Le Soleil produit sa propre lumière et sa propre chaleur. Il fournit la chaleur et la lumière à la Terre par un processus similaire à celui qui se produit dans une bombe à hydrogène. En effet, l'énergie du Soleil provient de réactions nucléaires qui se produisent dans son noyau. La chaleur extrême du Soleil permet à ses atomes d'hydrogène d'atteindre des «super» vitesses faisant en sorte qu'ils entrent en collision ensemble. Les noyaux (les centres) des atomes fusionnent en groupes de quatre et forment un atome plus lourd appelé hélium. Le choc de cette collision est tellement fort qu'une partie de l'atome est convertie en énergie. C'est cette énergie qui fournit la chaleur et la lumière à la Terre. C'est cette énergie qui cause nos différentes conditions climatiques. Notre planète tire donc toute son énergie d'une seule source : le Soleil. Le sol, les océans et l'atmosphère reçoivent de l'énergie du Soleil sous forme de rayonnement électromagnétique. La lumière que nous voyons est formée de ce rayonnement. Le rayonnement auquel nos yeux sont sensibles ne représente qu'une petite portion du rayonnement que l'on reçoit du Soleil. CI9_1_Cours_energie.docx Lycée Jules Ferry Versailles 4/5

est un peu plus proche de l'équateur que des autres régions. La Terre reçoit l'énergie du Soleil, mais elle en perd également sous forme de rayonnement.

5 Le sol, les océans et l'atmosphère emmagasinent l'énergie et la transforment en mouvement comme suit. L'équateur reçoit plus d'énergie que les deux pôles, car : les rayons arrivent de façon directe à l'équateur (contrairement aux autres régions où les rayons arrivent à l'oblique), le Soleil est un peu plus proche de l'équateur que des autres régions. La Terre reçoit l'énergie du Soleil, mais elle en perd également sous forme de rayonnement. Eh oui, la Terre rayonne de l'énergie, tout comme votre corps. En effet, tout corps qui possède une température supérieure à 0 Kelvin (- 273 C) émet un rayonnement. Dans les cas de la Terre et de votre corps, ce rayonnement se nomme «rayonnement infrarouge». CI9_1_Cours_energie.docx Lycée Jules Ferry Versailles 5/5

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