CEC André-Chavanne L'ÉNERGIE

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1 L'ÉNERGIE 1. Introduction 2. Qu est-ce que l? L est une grandeur difficile à définir. Pour ce qui nous intéresse ici, disons qu un système ou un corps possède de l s il peut fournir un travail (provoquer un mouvement) ou libérer de la chaleur. Exemples : 3. Les formes d... : elle est liée au mouvement des particules d un corps. Elle se manifeste lors de l élévation de la température du corps.... : elle est liée aux différences de charge électrique entre deux corps. Elle est particulièrement commode à transformer et à transporter, mais difficile à stocker Énergie page 1! /! 10

2 ... : elle est liée au mouvement des objets, à leur vitesse sous forme d cinétique et à leur altitude sous forme d potentielle de gravitation.... : elle est liée à la structure de la matière, aux liaisons entre les atomes ou entre les molécules. Elle se manifeste lors des réactions chimiques.... : elle est liée à la cohésion entre les particules constituant le noyau de l atome. Elle se manifeste lorsque des noyaux lourds se cassent (fission nucléaire) ou lorsque des noyaux légers s assemblent (fusion nucléaire).... : elle est liée aux radiations (photons) émises par des corps. Celle du Soleil est la plus connue, car elle est indispensable à la vie sur Terre. 4. Notation et unités E a. Notation de l système forme exemples : gaz E thermique... E... air essence chimique voiture E... cinétique b. Les unités d' Toutes les différentes formes d se mesurent avec la même unité :... Pour des raisons historiques et pratiques, d autres unités d sont aussi utilisées : Unité d souvent utilisée pour exprimer l chimique contenue dans des aliments : la... 1 cal = 4,18 J Par définition : 1 cal correspond à la quantité d' nécessaire pour élever la température... de 1 C. Exemple : contenue dans 100 [g] de riz Exprimer en kcal l contenue dans 100 g de riz : Énergie page 2! /! 10

3 Unité d souvent utilisée pour déterminer la consommation en électrique : le... 1 kwh = 3, J =... kj Par définition : 1 kwh correspond à la quantité d' consommée par un appareil de 1000 Watts de puissance (1 kw) pendant Quelques valeurs d Énergie page 3! /! 10

4 6. Transformations d L se manifeste : - lorsqu elle se transforme au sein du même système - lorsqu elle est transférée d un système dans un autre. Exemples : E... air essence chimique voiture E... cinétique + E... air ambiant thermique aliments E... chimique homme E... cinétique E... homme thermique + + homme E... électrique. 7. Conservation de l Le principe de la conservation de l : 8. Rendement Les différentes formes d produites lors d une transformation sont : les s utiles les s dissipées Le rendement η (êta) où l fournie correspond à la quantité d avant la transformation ("départ") Énergie page 4! /! 10

5 Exemple : un moteur électrique 90 % de l électrique fournie au moteur est transformée en cinétique ( utile) 10 % sont dissipés sous forme d thermique (inutilisable). Le rendement d un moteur électrique est donc de... Autres exemples : Dans un moteur à essence, seuls 30 % de l chimique libérée par la combustion de l essence sont transformés en cinétique : le reste est perdu en thermique! Rendement = % Une ampoule électrique ordinaire (à incandescence) restitue sous forme lumineuse ( rayonnante) environ 5 % de l électrique consommée : les 95 % restants sont transformés en thermique (inutilisable!). Rendement = % Ampoule de type économique : Rendement = % Radiateur électrique : Rendement = % Centrale hydroélectrique : Rendement = % Centrale nucléaire : Rendement = % Pile électrique : Rendement = % Panneau solaire photovoltaïque : Rendement = % Panneau solaire thermique : Rendement = % Bicyclette : Rendement = % Corps humain Le rendement musculaire ne dépasse pas 25%. Ainsi, les ¾ de l que nous brûlons se dissipe en chaleur. Mais lorsque nous sommes dans une ambiance froide, nous pouvons nous servir de cette «perte d» : par des contractions rythmiques des muscles qui ne fournissent aucun travail utile, nous produisons de la chaleur et ainsi maintenons notre température corporelle à 37 C. C est le frisson, la personne grelotte Énergie page 5! /! 10

6 9. La puissance La puissance P d une machine représente la quantité d E qu elle transforme pendant un certain intervalle de temps t. La puissance d une machine mesure le «débit d». L unité de la puissance est le watt W. Ainsi 1 W = Exemple : une ampoule de 60 W consomme donc... J chaque Calcul de la consommation de l électrique L unité d qui détermine la consommation d' électrique est le... Exemple : 1 kwh correspond à l consommée par une machine d une puissance de... W pendant une... Comme P = alors E = donc 1 kwh = CALCUL : Sachant qu'un congélateur ( de classe A ) d'une capacité de 200 L à une puissance de 250 W, combien coute sa consommation d'électricité en une année à Genève? prix de l électrique à Genève : 1 kwh = 0,25 Frs Remarque : La consommation électrique des appareils en mode veille "stand-by" représente environ 15% de la consommation électrique totale d un ménage. Sur l ensemble de la Suisse, cela représente une dépense annuelle de 130 millions de Frs! Si on s intéresse à l consommée par le fonctionnement d un appareil, on doit aussi prendre en compte la quantité d nécessaire pour sa construction, mais également pour sa conception, son emballage, son stockage, sa vente et son transport. On l appelle... L grise nécessaire pour la fabrication d une voiture de Frs est de [kwh], c est-à-dire équivalente à la consommation en électricité d un ménage moyen pendant 10 ans! Énergie page 6! /! 10

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8 11. Exercices 1) Transformations d' Les appareils ou processus suivants effectuent des transformations d. Compléter le tableau en écrivant la lettre correspondante à chaque appareil ou processus dans la bonne case. a) grille-pain b) se frotter les mains c) moteur électrique d) muscle e) ver luisant f) voiture g) éolienne h) cellule solaire i) turbine à vapeur j) réacteur nucléaire k) ampoule à incandescence l) Bec Bunsen m)pile n) Soleil o) tube fluorescent néon p) plante (photosynthèse) q) dynamo (alternateur) Départ Arrivée mécanique électrique thermique chimique rayonnante nucléaire mécanique électrique thermique chimique rayonnante nucléaire 2) Transferts et transformations d' Indiquer quelles formes d sont en jeu dans les situations suivantes. Retrouver tous les transferts et les transformations d. a) Un cycliste qui roule sur une route horizontale. aliments E... chimique b) Une locomotive à vapeur en mouvement. aliments charbon E... chimique Énergie page 8! /! 10

9 3) Types d' Indiquer pour chaque appareil ci-dessous les types d s fournies, utiles et dissipées. Appareil Rendement Efournie Eutile Edissipée moteur électrique 90 % moteur à essence 30 % ampoule «à filament» 5 % ampoule «économique» 25 % radiateur électrique 100 % centrale hydroélectrique 85 % centrale nucléaire 30 % pile électrique 90 % 4) Coût annuel de la consommation électrique d un ménage Remplissez le tableau puis calculez le cout annuel de tous ces appareils (prix de l électrique à Genève : 1 kwh = 0,25 Frs) Appareil Puissance ( en W ) Temps moyen d utilisation par jour (en heure) Temps d utilisation annuel (en heure) L consommée annuelle ( en kwh ) lampe ménagère ordinateur 50 8 chaîne Hi-Fi réfrigérateur TV sèche-cheveux 500 0,5 radiateur électrique machine à laver cuisinière + four Le coût annuel en Frs = Énergie page 9! /! 10

10 5) Rendement musculaire Un sujet fait un effort sur un ergomètre, sorte de vélo de salon qui permet de mesurer l fournie par les muscles. Pendant 5 minutes, il pédale à vitesse constante, à une puissance de 60 W. Pendant qu il fait cet effort, on mesure la composition et le volume des gaz inspirés et expirés. Lors des 5 minutes, il a consommé 4 litres d oxygène (O2 inspiré O2 expiré). Sachant qu un litre d oxygène consommé correspond à la combustion de matières organiques qui fournissent 20,9 kj, calculez le rendement énergétique des muscles de ce sujet. 6) Ampoule à incandescence / ampoule économique. Une ampoule économique de 20 W éclaire autant qu une ampoule classique de 100 W. L ampoule classique de 100 W coûte 1fr 50 à l achat et l ampoule économique de 20 W coûte 15 frs. La durée de vie d une ampoule classique est de 2 ans alors que celle d une ampoule économique est de 10 ans. On utilise ces ampoules 4 heures par jour en moyenne pendant une année. prix de l électrique à Genève : 1 kwh = 0,25 Frs a) Calculer le coût de revient après une année (achat + utilisation) de chacune de ces 2 ampoules et les comparer. Qu en concluez-vous? b) Calculer le coût de revient après 10 ans (achat + utilisation) de toutes les lampes d un ménage (12 ampoules) pour chaque type d ampoule et les comparer. Qu en concluezvous? Bibliographie : - «L Energie, Ressources, technologies et environnement», Christian Ngô, Dunod, Paris, «Physique, Chimie, Sciences expérimentales», Paul Avanzi, Alain Kespy, Jacques Perret-Gentil et Daniel Pfistner, Editions L.E.P. Loisirs et Pédagogie, Lausanne, Encyclopaedia Universalis, DVD-ROM, version 8. - «Physique», Eugene Hecht, De Boeck Université, Énergie page 10! /! 10