1. LES SOURCES D ÉNERGIE UTILISABLES

Transcription

1 1. LES SOURCES D ÉNERGIE UTILISABLES Introduction L objectif de cette leçon est tout d abord de distinguer les différentes sources d énergie, renouvelables ou non renouvelables. Nous étudierons ensuite les formes et transferts d énergie, le tout en relation avec la consommation d énergie des humains, un sujet particulièrement d actualité. 117 Les sources d énergie utilisables (@GL.) Dans le monde qui nous entoure, tout ce qui vit, fonctionne, évolue, nécessite de l énergie. Par exemple, nous avons besoin d énergie pour vivre, nous la puisons dans les aliments ; les plantes, pour se développer, nécessitent de l énergie qui leur est fournie par le Soleil ; les transports au moyen de véhicules ne peuvent se faire sans énergie. Pour produire de l énergie, nous utilisons essentiellement les matières premières et les phénomènes naturels. On peut définir deux familles : les sources d énergie renouvelables (le Soleil, le vent, l eau des rivières, l eau des marées...) et les sources d énergie non renouvelables (le charbon, le gaz, le pétrole...). Notons que dans l absolu, les sources d énergie fossiles comme le charbon, le gaz et le pétrole sont renouvelables mais sur une durée extrêmement longue (des dizaines de millions d années), sans commune mesure avec celle d une vie humaine. On fait appel à ces sources pour récupérer de l énergie afin obtenir divers effets : par exemple, la combustion du gaz peut servir à se chauffer, celle du pétrole à se déplacer au moyen de véhicules, etc.

2 2. LES FORMES D ÉNERGIE On peut distinguer cinq formes principales d énergie : 2.1. L énergie cinétique (@GL.) C est l énergie que possède un corps en mouvement. Elle se calcule grâce à la formule suivante : 119 E c = 1 2 m v 2 où E c est l énergie cinétique en Joules (J), m la masse du corps en mouvement en kilogrammes (kg) et v sa vitesse en mètres par secondes (m/s). La formule précédente a pour conséquence que l énergie cinétique est multipliée par 4 quand la vitesse est multipliée par 2 ce qui signifie, dans le cas d un véhicule, que la distance de freinage croît plus rapidement que la vitesse (les campagnes de la Sécurité Routière soulignent régulièrement les dangers de la vitesse au volant). (@AI. DISTANCE DE FREINAGE) Quand on utilise le vent comme source d énergie, c est de l énergie cinétique qui est mise en jeu. L eau d une rivière, d un fleuve ou d un torrent, emporte tout sur son passage : elle possède de l énergie cinétique. Cette énergie peut être mise à profit dans des usines dites «de basse chute» ou «au fil de l eau», construites sur le cours d un fleuve (Rhône) ou dans les installations «marémotrices» (qui utilisent l énergie cinétique de l eau de mer lors des marées) pour obtenir de l électricité.

3 LES FORMES D ÉNERGIE 2.2. L énergie potentielle (@GL.) C est une énergie de position que possède tout corps ayant une altitude. Par exemple, dans une retenue d eau en altitude destinée à une centrale hydroélectrique, l eau possède de l énergie sous forme d énergie potentielle. Cette énergie est «libérée» lorsque le corps perd de l altitude (dans le cas d une centrale hydroélectrique, l eau acquiert de l énergie cinétique lors de sa libération et peut ainsi faire tourner des turbines). Son expression est : E p = m g h 2.5. L énergie de température (@GL.) Plus la température d un corps est grande, plus il possède d énergie de température. Cette énergie est liée à l agitation des atomes ou des molécules constituant le corps. Cette forme d énergie est exploitée dans toutes les machines thermiques (moteurs à combustion interne, réfrigérateurs...). 120 où E p est l énergie potentielle en Joule (J), m la masse du corps en kilogramme (kg), g l intensité de la pesanteur (g = 9,81 N/kg en moyenne sur Terre) et h l altitude du corps en mètres (m). La somme de l énergie cinétique et de l énergie potentielle d un corps porte le nom d énergie mécanique (@GL.). Remarque Il existe une autre forme d énergie potentielle dite «énergie potentielle élastique». Il s agit d une énergie que possède, par exemple, un ressort comprimé ou étiré. Cette énergie peut être libérée lorsqu on laisse le ressort revenir à sa position de repos : ce phénomène est utilisé dans les flippers, dans le système de propulsion de la boule. (@DOC. Formes d énergie) 2.3. L énergie nucléaire (@GL.) C est une énergie contenue dans les noyaux des atomes. Elle peut être libérée lors de réactions nucléaires : le soleil est, par exemple, le siège de réactions de fusion nucléaire. Dans les centrales nucléaires, on exploite un autre type de réactions qui portent le nom de réactions de fission nucléaire (il s agit de casser un noyau d uranium en le bombardant de neutrons). Les bombes atomiques de type A (Hiroshima) utilisent également la fission nucléaire. La fusion nucléaire n est pas encore utilisée dans nos centrales mais un projet est actuellement en cours d expérimentation. 88 % de l électricité produite par EDF en 2006 était d origine nucléaire. (@AI. La fission nucléaire) 2.4. L énergie chimique (@GL.) C est une énergie contenue dans la matière et que l on peut libérer en réalisant des réactions chimiques. Par exemple, si l on fait brûler du gaz, on obtient un dégagement de chaleur (signalons que les combustions sont bien considérées comme des réactions chimiques) ; dans une pile qui débite un courant électrique, il y a des réactions chimiques entre les divers produits contenus dans la pile qui permet de libérer l énergie chimique contenue dans ces produits. Le carburant d une automobile est un réservoir d énergie chimique, sa combustion permet le fonctionnement de la voiture. 121

4 3. LES TRANSFERTS D ÉNERGIE Deux systèmes qui échangent de l énergie peuvent le faire selon quatre modes : par rayonnement, par transfert thermique (ou chaleur), par travail électrique et par travail mécanique Par rayonnement 123 L énergie du Soleil nous est transférée par rayonnement. Ce transfert est, en effet, assuré par les ondes électromagnétiques que nous envoie le Soleil. On parle de transfert d énergie par rayonnement dès lors que le support de ce transfert est une onde électromagnétique (lumière visible, infrarouges, ultra-violets, rayons X, micro-ondes, ondes radio, etc.). Les transferts d énergie par rayonnement sont possibles dans le vide ; dans le cas contraire, nous ne pourrions pas profiter de l énergie du Soleil Par transfert thermique Quand deux corps à des températures différentes sont mis en contact, le plus chaud transfère de l énergie au plus froid sous forme de chaleur. Par exemple, quand on pose ses pieds sur une bouillotte chaude, la bouillotte transfère aux pieds de l énergie sous forme de chaleur. Les transferts d énergie par chaleur ne sont pas possibles dans le vide. La bouteille «thermos» exploite cette propriété : elle comporte deux parois séparées par un vide partiel Par travail électrique L énergie est transférée grâce à un courant électrique. L électricité est donc un mode de

5 L ÉNERGIE transfert d énergie et non une source d énergie. Par conséquent, elle ne peut pas se stocker. Par exemple, dans une pile, l énergie est stockée sous forme chimique, mais la pile produit un travail électrique dès qu on l introduit dans un circuit ce qui peut, par exemple, permettre de faire briller une ampoule ou fonctionner un petit moteur Par travail mécanique 4. LA CONSERVATION DE L ÉNERGIE Quand on lance un objet, on lui transfère de l énergie (cinétique et/ou potentielle) par un travail mécanique. Ce mode de transfert intervient dès qu une force s exerce sur un système et provoque une modification de son mouvement. Un haltérophile qui soulève des haltères produit un travail mécanique qui se traduit par l augmentation de l énergie potentielle de position des haltères. 124 (@AI. La conservation de l énergie) 4.1. Énoncé - Un système qui ne cède ni ne reçoit d énergie ne voit pas son énergie changer au cours du temps. Elle est dite conservée. - Si un système S cède de l énergie à un autre système S, la quantité reçue par S est égale à la quantité cédée par S Convertisseurs d énergie Dans une centrale hydroélectrique, l énergie cinétique de l eau permet la production d énergie électrique : la centrale est un convertisseur d énergie (@GL.). L ampoule est également un convertisseur d énergie électrique en énergie lumineuse Chaînes énergétiques Entre la source d énergie nécessaire au fonctionnement d un dispositif et celui-ci, se trouvent un ou plusieurs convertisseurs entre lesquels s effectuent des transferts d énergie. La chaîne énergétique consiste en la représentation de tous ces éléments sur un schéma. 125

6 Exemple : la chaîne énergétique de la centrale à l ampoule 4.4. Rendement (@GL.) 126 En pratique, seule un partie de l énergie E fournie par la source à un dispositif permet d obtenir l effet recherché : c est l énergie utile, que nous noterons E u. Le reste constitue de l énergie perdue, notée E p. Par exemple, dans le cas d une ampoule, une partie de l énergie dépensée par la source servira à produire de la lumière et l autre partie sera perdue sous forme de chaleur dans l air ambiant. Dans tous les cas, nous avons la relation : E = E u + E p Le rendement est défini par l opération suivante : = E u / E. Ce rendement est toujours inférieur à 1 mais on cherche toujours à obtenir une valeur la plus proche possible de 1, ce qui revient à minimiser les pertes. Pistes pour une démarche d investigation : - Comment peut-on faire des économies d énergie? - Quelles sont les sources d énergie utilisées par l homme pour se chauffer, s éclairer, se déplacer...? - Comment peut-on obtenir de l électricité grâce au soleil? N oubliez pas de consulter (@BIB. sur «L énergie».