Sciences physiques Stage n. L énergie. C.F.A du bâtiment
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- Estelle Morin
- il y a 5 ans
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1 Sciences physiques Stage n L énergie C.F.A du bâtiment Ermont 1
2 Activité Nous avons tous des connaissances sur l énergie, et nous allons commencer ce dossier en mettant en commun nos idées : chacun votre tour, vous allez proposer un mot qui soit en rapport avec l énergie. Et bien sûr, nous dresserons au tableau la liste des mots proposés par le groupe en deux ou trois tours. Enfin, nous classerons les mots proposés. J ai une idée précise de ce que je veux aborder avec vous dans ce dossier, vous vous en doutez en groupe, saurez-vous trouver au moins un mot pour chaque aspect que je dois aborder avec vous? Le défi est lancé, faites chauffer vos méninges! 2
3 Formes et sources d énergie Il ne faut pas confondre forme d énergie et source d énergie : La forme d énergie, c est la façon dont cette énergie se manifeste : de la chaleur, du mouvement, de l électricité, etc. La source d énergie, c est la source! C'est-à-dire le plus souvent, la matière qui va servir pour fournir l énergie : du bois, des aliments, des hydrocarbures, etc. Mais aussi la lumière, le vent, etc. Une forme peut avoir différentes sources. Par exemple, on peut fournir de l énergie thermique (de la chaleur) de plein de façons différentes : en se mettant au soleil, en utilisant la combustion du bois, ou du charbon, ou encore de tout autre combustible, en utilisant la radioactivité, etc. Les différentes formes que peut prendre l énergie (Illustration : Wikipedia) 3
4 Énergie renouvelable et pollution Ce que l on appelle énergie renouvelable, c est une source d énergie qui est inépuisable, ou pour être plus précis, une source d énergie qui peut être considérée comme inépuisable à l'échelle de temps humaine. On peut citer parmi les énergies renouvelables : L énergie solaire Solaire thermique pour chauffer et solaire photovoltaïque pour fabriquer de l électricité. L énergie éolienne Utilisation de la force du vent. L énergie hydraulique Utilisation de la force de l eau quand elle perd de l altitude, ou quand elle subit des marées. L énergie géothermique Utilisation de la chaleur du sol, qui croît avec la profondeur, ou qui parfois remonte à la surface. L énergie biologique Utilisation du bois ou de l énergie produite par des micro-organismes (algues ou bactéries). (Illustration Wikipedia) Les autres énergies ne sont non-renouvelables : leur stock sur Terre est limité, et tôt ou tard, elles finiront par être trop peu disponibles pour être exploitables. C est le cas du charbon, des hydrocarbures (pétroles et gaz naturels), de l uranium etc. 4
5 Quand on considère les problèmes énergétiques, la pollution intervient à plusieurs niveaux : Lors de la captation de la source Lors de l utilisation de la source. De plus, toutes les pollutions ne se valent pas : Certaines sont légères, d autres chimiquement importantes, voire radioactives. Certaines sont localisées, d autres s étendent sur des territoires immenses. Certaines sont temporaires, d autres peuvent durer des siècles ou millénaires. Toutes en revanche ont des implications négatives et durables sur les populations : espace de vie, alimentation et santé sont en danger. Attention : Renouvelable ne veut pas nécessairement dire non-polluant, même si elles améliorent souvent beaucoup la situation. Il faut tenir compte de la fabrication et du recyclage des matériaux, comme pour les capteurs solaires par exemple. Et puis certaines biomasses produisent une pollution au gaz (CO 2 ) qu il faudrait éviter. Attention encore : Le stockage des déchets reste une pollution. Pire : c est une pollution qui s accumule Seul un recyclage des déchets est non-polluant, ou moins polluant. 5
6 Les formes d énergie Voici quelques formes d énergie, celles qui sont classiques dans la vie de tous les jours : Mécanique vitesse ou énergie cinétique, élévation d altitude ou énergie potentielle, énergie de rotation, énergie de torsion ou de déformation (comme dans les ressorts) Thermique (réchauffement, combustion, éclairage ) Chimique (nourriture, ) Nucléaire (émissions radioactives) Électrique (moteurs électriques, foudre, ) Rayonnante (rayons solaires, éclairage par LED, ) On remarquera que bien souvent, même si pas toujours, l énergie est utilisée immédiatement ou stockée sous la forme d électricité ou de chaleur, que l on peut utiliser plus tard. 6
7 Les sources d énergie Dans cette partie du dossier, nous allons laisser de côté la facette alimentaire de l énergie Consommation mondiale 2013 Nucléaire 4% Hydroélectrique 6% Autres 3% Bio-énergie 9% Charbon 27% Gaz 21% Pétrole 30% 7
8 Le charbon Le charbon est une roche formée par de la matière organique (des résidus d êtres vivants) accumulée sur des millions d années. C est donc une énergie fossile non-renouvelable. Son extraction dans les mines est polluante, son utilisation également, puisque en le brûlant, sont relâchés dans l atmosphère aussi bien des poussières que des gaz à effet de serre. Le charbon couvre environ 30% des besoins énergétiques de la planète (25 % il y a 5 ans). Les réserves terrestres en charbon exploitables sont estimées à 100 ou 150 ans. 8
9 Le pétrole Le pétrole est formé également par de la matière organique (des résidus d êtres vivants) accumulée sur des millions d années. C est donc une énergie fossile non-renouvelable. Son extraction dans les nappes est polluante, son utilisation également, puisque en le brûlant, sont relâchés dans l atmosphère des gaz à effet de serre, par exemple. Le pétrole couvre environ 30% des besoins énergétiques de la planète. Le pétrole est très utilisés pour les moyens de transports, c est là qu il est le plus dur à remplacer. Les réserves terrestres en pétrole exploitables sont estimées à 50 ans. 9
10 Le gaz naturel Le gaz naturel est formé avec et de la même manière que le pétrole. C est donc une énergie fossile non-renouvelable. Son extraction dans les nappes est polluante, son utilisation également, puisque en le brûlant, sont relâchés dans l atmosphère des gaz à effet de serre, par exemple. Le gaz naturel couvre environ 20% des besoins énergétiques de la planète. Les réserves terrestres en pétrole exploitables sont estimées à 50 ou 100 ans. Important dans le bâtiment (chauffage, eau-chaude, alimentation), on peut lui trouver des alternatives renouvelables, et moins polluantes. 10
11 L énergie nucléaire La production d énergie nucléaire utilise des minerais radioactifs (principalement ceux qui contiennent de l uranium) contenus dans la croute terrestre. C est donc bien une énergie non-renouvelable. Son extraction dans les mines est polluante. Son utilisation produit des déchets radioactifs très problématiques, qu on ne sait pas traiter réellement, et qui présenteront pour l environnement comme pour l humanité un danger pendant des siècles, voire des millénaires. Pourtant, cette énergie ne couvre que 4% des besoins énergétiques de la planète (en France, c est 5 fois plus environ). Les réserves terrestres en uranium exploitables sont estimées à moins de 100 ans. 11
12 L énergie hydraulique L énergie hydraulique consiste à utiliser le courant des eaux terrestres (cours d eau, marées) pour produire de l électricité (hydro-électrique), et parfois de l énergie mécanique. C est une énergie renouvelable. L énergie hydrolique couvre environ 6% des besoins énergétiques de la planète. Dans l absolu, cette énergie est non- polluante, mais il faut tenir compte des pollutions liées aux infrastructures. Par exemple, un barrage nécessite d inonder de vastes territoires (problème environnemental et humain) et d utiliser des grandes quantités de béton. On peut développer encore cette énergie, mais comme le suggère le point précédent, pas tant que cela, et pas sans problème environnemental et humain. 12
13 La bio-énergie La bio-énergie est l énergie obtenue par l exploitation de ressources organiques : Le bois pour la combustion Des algues, bactéries et champignons pour produire chimiquement de l énergie à partir des déchets organiques ou de cultures dédiées : bio-gaz, bio-carburant. C est dans le monde la première énergie renouvelable (la seconde en France), avec presque 10 % de la production totale. Elle est globalement positive en terme de pollution, produisant très peu de gaz à effet de serre. En revanche, elle pose de gros problème d occupation des zones cultivables, et peut amener à des tensions légitimes là où la nourriture vient à manquer. Il faudrait donc privilégier l utilisation des déchets organiques plutôt que les cultures dédiées. 13
14 L énergie solaire L énergie solaire est l énergie obtenue par l exploitation de la lumière rayonnée par le soleil. On l utilise de deux façons : En la transformant en énergie thermique (on chauffe de la matière) : c est l énergie solaire thermique. En la transformant en énergie électrique : c est l énergie photovoltaique. C est une énergie renouvelable en croissance, mais la production atteint à peine 1 % de la production totale actuellement. Elle est globalement très positive en terme de pollution, produisant très peu de déchets, essentiellement les matériaux des panneaux capteurs (non encore tous recyclables). Elle permet de produire de l électricité aussi bien en centrale (ferme solaire) qu en individuel, et s adapte très bien aux lieux isolés. Son principal défaut jusqu à présent était de ne pas permettre une régulation de la production (arrêt de la production la nuit par exemple), mais les récentes centrales ont trouvé une solution qui règle ce problème (centrales aux sels de sodium par exemple), et c est une vraie avancée. 14
15 L énergie éolienne L énergie éolienne est l énergie obtenue par l exploitation du vent pour faire de l électricité. C est une énergie renouvelable en croissance, mais la production atteint à peine 2 % de la production totale actuellement. Elle est globalement très positive en terme de pollution, produisant très peu de déchets, essentiellement les matériaux des éoliennes (non encore tous recyclables). Elle permet de produire de l électricité aussi bien en centrale (ferme) qu en individuel, et s adapte donc aux lieux isolés. Son principal défaut : la production reste discontinue et aléatoire. Ce ne peut être qu une énergie d appoint. L aspect esthétique et le bruit sont également deux freins à son adoption. 15
16 L énergie géothermique L énergie géithermique est l énergie obtenue par l exploitation de la chaleur contenue dans le sol et qui augmente avec la profondeur. C est une énergie renouvelable en croissance, mais encore peu développée. Elle est globalement très positive en terme de pollution, produisant très peu de déchets, essentiellement les matériaux de captage (non encore tous recyclables). Elle permet de produire de la chaleur quand il fait froid, aussi bien en centrale qu en individuel, et parfois aussi de la fraîcheur quand il fait chaud. 16
17 La conservation de l énergie La conservation de l énergie est un principe fondamental en sciences physiques. Ce principe est très simple à comprendre, vraiment très simple, mais il faut juste faire attention de ne pas lui faire dire n importe quoi. Tentons donc de l énoncer de façon claire, en prenant sa version courante : Dans un système isolé, l énergie totale de ce système reste invariante au cours du temps. Il s agit donc de bien comprendre ce que l on appelle système isolé. Un système isolé est un système qui n a aucun échange avec l extérieur : ni échange de chaleur, ni échange de travail, ni échange de rayonnement : rien, aucun échange. Ce que dit le principe de conservation de l énergie, c est que dans un tel système, même si le système se transforme, son énergie totale est conservée, elle est constante. Par exemple, de la chaleur pourra avoir donné du mouvement, ou de l électricité, ou toute autre forme d énergie, mais le total de toutes les énergies reste constant. Remarques : Des systèmes véritablement isolés n'existent pas dans la réalité. Cependant, un système réel peut se comporter comme un système isolé avec une bonne approximation. Si on considère l univers dans son ensemble, tout entier, c est un système isolé. Le principe de conservation d énergie permet donc aussi de penser que l énergie présente dans l univers aujourd hui était déjà présente au début de son histoire et n a depuis jamais varié. Certains inversent même les rôles dans leur modèle scientifique : l énergie est alors définie par sa conservation. 17
18 Problème : une application du principe de conservation de l énergie Nous disposons de deux récipients qui contiennent tous deux de l eau. On note : V 1 le volume d eau contenue dans le récipient 1 et T 1 sa température, V 2 le volume d eau contenue dans le récipient 2 et T 2 sa température. On mélange ces deux volumes d eau, et l on obtient un volume V qui est V = V 1 + V 2. Jusque là, tout va bien. Maintenant, le but du problème : essayer de deviner quelle va être la température du mélange obtenu. On partira du principe que le mélange a été fait assez rapidement pour que rien n ait le temps de refroidir ou autrement dit, on considère le système comme isolé. Questions préalables : Qu est-ce qui est le plus énergétique (c'est-à-dire qui possède le plus d énergie)? De l eau froide De l eau chaude C est pareil De quels renseignements avons-nous besoin pour déterminer la température du mélange? Que se passerait-il si on ne faisait pas les mesures de températures rapidement? 18
19 Essai 1 : V 1 = V 2 = 10 L T 1 = 10 C T 2 = 70 C Essai 2 : Plus dur : cette fois, on a deux volumes différents V 1 = 15 L V 2 = 5 L T 1 = 10 C T 2 = 70 C 19
20 Déperditions d énergie et isolation Nous venons de découvrir et d appliquer le principe de conservation au cours du temps de l énergie totale d un système isolé Mais nous savons bien que dans la réalité physique, et en particulier dans le bâtiment, un système n est jamais isolé au sens des sciences physiques, c'est-à-dire jamais isolé parfaitement. Un bâtiment laisse toujours s échapper de la chaleur, qui s en va dans l atmosphère. On retrouve un parallèle entre le vocabulaire scientifique et le vocabulaire du bâtiment. Il faut isoler les bâtiments quand on cherche à éviter au maximum les déperditions d énergie. Parfois, on emploie le mot dissipations au lieu de déperditions. 20
21 Transformation de l énergie, pertes et rendement L énergie est une grandeur qui peut prendre plusieurs formes, nous l avons vu, et il arrive souvent que pour l utiliser, nous souhaitions la transformer d une forme en une autre : Transformer de la chaleur en mouvement (moteur thermique) Transformer de l électricité en mouvement (moteur électrique) Transformer de la chaleur en électricité (turbines) Transformer de l énergie chimique en électricité (pile), de l énergie électrique en énergie chimique (batteries en charge), ou en énergie thermique (chauffage électrique, grille-pain, ), ou rayonnante (éclairage par LED), etc etc etc. Simplement, la conversion parfaite, intégrale, d une forme en une autre reste inaccessible. A chaque transformation, il y aura des pertes d énergie. Pour faire simple, on peur dire que vous en récupérez moins «à la sortie» que ce que vous avez mis «en entrée». Ce qu il s est passé, c est qu une partie de cette énergie est partie en chaleur. On parle alors de dissipation, de déperdition, de perte. Si l énergie perdue était électrique, on appelle ce principe l effet Joule, ou perte par effet Joule pour être plus précis. Si on pense aux questions environnementales et aux questions financières, on se rend compte que nous perdons de l énergie à chaque transformation, et que c est un problème qu il faut prendre en compte. Ce qu il faut, c est faire diminuer les pertes d énergie, et donc augmenter le rendement de nos processus de transformation. Remarques : Cette énergie perdue pour le système n est pas réellement disparue : elle est simplement dissipée dans l environnement. Le principe de conservation d énergie dans un système isolé est bien valable, mais aucun système n est réellement isolé dans nos expériences ou notre quotidien. L effet joule, qui consiste à chauffe un conducteur électrique, n est pas obligatoirement un souci : on sait l utiliser pour fabriquer des appareils chauffant. 21
22 Le lien entre énergie et puissance : Ces deux grandeurs physiques sont souvent confondues: pourtant, énergie E et puissance P sont bien deux grandeurs différentes. Mais néanmoins, elles sont liées! D un point de vue mathématique : Si on exprime : l énergie E en Joules (J), la puissance P en Watts (W) et le temps t en secondes (s), on a la relation: E = P x t ou encore P = E / t D un point de vue physique, ce que signifie cette relation, c est que si vous dépensez une quantité fixée d énergie, plus vous la dépensez vite, plus vous développez de la puissance. Par exemple, si vous mettez deux fois moins de temps, vous développez deux fois plus de puissance (pour la même quantité d énergie dépensée). On peut donc développer une grande puissance en dépensant peu d énergie : il suffit de dépenser cette énergie en un temps très très très court. A masse égale, pour parcourir 100m, tous ces sprinteurs vont dépenser la même énergie, mais celui qui arrivera le premier aura développé la plus grande puissance. 22
23 Synthèse L énergie est ce qui permet à un système d effectuer un travail au sens physique : une action mécanique (mise en mouvement, déformation, ) un rayonnement électromagnétique (émission de lumière par exemple) un apport de chaleur L énergie peut se présenter sous différentes formes, par exemple: Mécanique (vitesse, élévation d altitude, ) Thermique (réchauffement, combustion, ) Chimique (nourriture, ) Nucléaire (émissions radioactives) Électrique (foudre, ) Rayonnante (rayons solaires, éclairage, ) Transformer une forme d énergie en une autre forme d énergie fait toujours perdre un peu de cette énergie, sous forme de chaleur qui se dissipe (s échappe). On parle de pertes, de déperditions, de dissipations ou autres expressions suivant le contexte. L exemple typique est une ampoule électrique allumée, et qui va chauffer, ce qui est une perte d énergie, puisqu on lui demande surtout d éclairer. Cet effet s appelle l effet Joule. Énergie thermique dissipée Énergie absorbée Énergie restituée Pour économiser de l énergie, on travaille donc à améliorer les rendements. 23
24 Les sources d énergie sont diverses, et font l objet de nombreux débats car l enjeu de l énergie est crucial pour les générations à venir. Citons parmi les sources : la nourriture, pour les êtres vivants l énergie solaire l énergie éolienne l énergie hydro-électrique l énergie géothermique le bois le charbon les hydrocarbures certains éléments radioactifs Les débats portent sur le caractère polluant ou non de certaines énergies, sur leur caractère plus ou moins renouvelable, sur leur dangerosité, leur coût ainsi que sur leur exploitation et partage. Un point très important sur lequel tout le monde est d accord : il faut économiser l énergie. Pour cela, plusieurs axes d amélioration existent : Ne plus gaspiller d énergie pour quelque chose d inutile ou d évitable (veille des appareils électriques par exemple). Remplacer les sources d énergies non renouvelables ou polluantes par d autres sources qui améliorent la situation. Améliorer les rendements des systèmes qui utilisent de l énergie (chaudières, appareils, véhicules, ). Éviter les déperditions. Dans le bâtiment, c est devenu une préoccupation majeure, et ça le sera de plus en plus : nous apportons donc un soin particulier désormais à concevoir des bâtiments bien isolés. 24
25 L unité scientifique officielle de l énergie est le Joule (J). Le Joule étant une toute petite unité relativement à nos préoccupations, dans la pratique, il nous arrive souvent d utiliser le Watt-heure (Wh), voire le kwh. Pour rappel : 1 Wh = 3600 J, et donc 1 kwh = J Exemples de calculs d énergie consommée : 1 appareil de 5W qui fonctionne 2s consomme E = 5 x 2 = 10 J 1 appareil de 5W qui fonctionne 2h consomme E = 5 x 2 = 10 Wh Enfin, en sciences, il existe un principe fondamental: celui de la conservation de l énergie totale d un système isolé. Ce principe énonce que dans un système physique clos, l énergie contenue dans le système reste constante au cours du temps. Autrement dit, qu à aucun moment l énergie présente dans le système ne peut augmenter ni diminuer. Rien ne peut être perdu «nulle part». Bien entendu, c est à l intérieur-même de ce système clos que l on peut observer des variations d énergie, sous forme d échange. 25
26 Quelques ressources gratuites sur internet : (Accédez aux liens en appuyant sur la touche «Ctrl» puis en cliquant sur le lien devenu actif) Et pour le bâtiment : et plus précisément :
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