Planche : Sources d Énergie Domestique 09751 NOTICE Retrouvez l ensemble de nos gammes sur : www.pierron.fr PIERRON - ASCO & CELDA CS 80609 57206 SARREGUEMINES Cedex France Tél. : 03 87 95 14 77 Fax : 03 87 98 45 91 E-mail : education-france@pierron.fr
Livret explicatif 1 - COMPLÉMENTS SCIENTIFIQUES Énergie L énergie est une grandeur qui traduit l état physique macroscopique et microscopique d un système. Cette énergie résulte : Au niveau macroscopique : de l énergie cinétique : associée au mouvement du système (Ec = 1/2 m.v 2 ) ; de l énergie potentielle : associée à la position d un système relativement à un autre énergie potentielle de pesanteur : masse / Terre (Ep = m.g.h ) énergie potentielle élastique : ressort de raideur k / masse (Ep = 1/2 k.x 2 ). Au niveau microscopique : de l énergie cinétique : associée au mouvement des particules (électrons, ions ) ; de l énergie potentielle : associée aux interactions entre particules (atomes, ions, nucléons ). Cette énergie est susceptible le plus souvent d être échangée (transférée ou/et convertie), plus difficilement d être stockée. Différentes formes de l énergie Au niveau macroscopique : Énergie mécanique : énergie potentielle (énergie de position du système) et énergie cinétique (énergie de mouvement du système). Au niveau microscopique : Énergie électrique : énergie cinétique liée aux déplacements des porteurs de charges (électrons, ions) et énergie potentielle liée à l accumulation de porteurs de charges (cas du condensateur). Énergie thermique : énergie cinétique liée à l agitation des entités du système. Énergie chimique : énergie potentielle liée aux interactions entre atomes. Énergie nucléaire : énergie potentielle liée aux interactions entre nucléons. Énergie rayonnante : déplacement de photons (quantum d énergie d un photon : E = h.ν). Transfert d énergie Il y a un transfert d énergie d un système à un autre lorsque la forme de l énergie transférée reste la même. Un transfert d énergie peut se faire par : travail physique travail mécanique : déplacement de matière ; travail électrique : déplacement des porteurs de charges électriques. 2 09751-1
[Livret explicatif] par chaleur : de la source «chaude» au récepteur «froid» ; il y a nécessité d un milieu matériel (solide, liquide ou gazeux) ; ce qui se produit par : convection : déplacement du fl uide ; conduction : transmission de l agitation microscopique, de proche en proche, dans le cas d un milieu solide. par rayonnement : de nature électromagnétique, il ne nécessite pas de milieu (exemple : la lumière). Conversion de l énergie Il y a conversion de l énergie lorsqu un système reçoit de l énergie sous une forme et la cède sous une autre forme. Le dispositif où a lieu la conversion d énergie est appelé convertisseur. Énergie renouvelable (disponible à «l infini», à l échelle humaine) Énergie solaire : rayonnement émis par le Soleil (de l ordre de 1 kw.m -2 ) ; convertie en énergie électrique (photovoltaïque), en énergie thermique (panneau solaire), en énergie chimique (photosynthèse). Énergie hydraulique : produite par l eau (barrage ; marée) ; convertie en énergie électrique. Énergie éolienne : produite par le vent ; convertie en énergie mécanique (moulin à vent), en énergie électrique (éolienne). Énergie de la biomasse (ensemble des végétaux et animaux) : produite principalement par les composés végétaux ; convertie en énergie thermique par combustion (bois) ou par fermentation. Énergie non renouvelable (dont les stocks sont en quantité limitée, à l échelle humaine) Énergie fossile (définition usuelle) : présente dans les combustibles fossiles tels que le charbon, le pétrole et le gaz naturel. Leur combustion produit des gaz à effet de serre (exemple : dioxyde de carbone). Énergie nucléaire : non renouvelable dans le cas où elle provient de la fi ssion de «combustibles» fi ssiles (uranium, polonium ). 3
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Livret explicatif 2 - Réponses : les Sources d Énergie de la planche La planche annotée précédente met en évidence ou suggère les sources d énergie suivantes (notées : S1 à S4 ; 1 à 31). Énergie solaire : S1 (panneau et chauffe-eau solaires (1)) Énergie éolienne : S2 (éolienne (4)) Énergie de la biomasse : S3 (bois, plantes vertes (2), fruits) Énergie fossile : S4 (butane dans la citerne, essence dans le jerricane, fuel de la chaudière (16), gas-oil dans le réservoir de l automobile (12)). Quelques remarques sur les conversions d énergie présentées (les numéros ci-dessous se rapportent aux numéros de la planche) : 2. Le rayonnement solaire est absorbé lors de réactions chimiques où la plante élabore des substances organiques : photosynthèse. 3. La lampe est munie d une pile photovoltaïque et d une DEL. Il y a donc conversion de l énergie solaire en énergie électrique puis de l énergie électrique en énergie lumineuse. 4. L éolienne est munie de 3 pales et d un alternateur. L énergie cinétique du vent (énergie mécanique) est transférée aux pales (énergie mécanique). Leur énergie mécanique est convertie en énergie électrique grâce à un alternateur. 7. Le cycliste (non représenté) convertit l énergie chimique des aliments en énergies diverses : thermique (corps humain), mécanique dans l exemple où il actionne les pédales de la bicyclette. 8. Cette énergie mécanique des pédales est ensuite transférée jusqu à la roue arrière (énergie mécanique). 9. La «dynamo» (terme habituel) convertit l énergie mécanique du rotor en énergie électrique qui permet l éclairage des phares. Les phares convertissent l énergie électrique en énergie lumineuse et aussi en énergie thermique. En fait, le terme «dynamo» utilisé ici est impropre. Une dynamo désigne un générateur de courant continu. Or dans le cas d un vélo, le dispositif qui y est habituellement installé, est un alternateur car il produit un courant alternatif. 6 09751-1
[Livret explicatif] 19. Un réfrégirateur ne produit pas du froid, au sens physique du terme. Il utilise l énergie électrique pour faire circuler, en circuit fermé, un fl uide (le réfrigérant) qui passe de l état liquide à l état gazeux puis à nouveau à l état liquide. Ceci se produit grâce successivement à un compresseur, un condenseur, un détendeur et un évaporateur. De façon simplifi ée : Le fl uide réfrigérant entre à l état gazeux dans le compresseur et en ressort sous pression, à température élevée. Le gaz comprimé arrive alors dans le condenseur où il perd de la chaleur avec le milieu extérieur et devient liquide. En passant dans le détendeur, il est ramené à basse pression et basse température (-10 C indicatif) pour pénétrer dans l évaporateur, placé dans le compartiment du réfrigérateur. Le liquide passe à l état gazeux en recevant la chaleur cédée par les aliments qui se refroidissent ainsi. Et le cycle se reproduit. À noter que dans le tableau, le terme «thermique» est un raccourci de tous les échanges énergétiques que subit le fl uide. 29-30. L énergie sonore est de l énergie mécanique qui correspond à l agitation des entités qui composent l air. C est la vibration de la membrane du haut-parleur qui en est responsable. Principales formes de stockage de l Énergie * Visibles sur la planche : bois, plantes vertes, aliments, essence dans jerricane, gas-oil dans réservoir, fuel dans citerne, butane dans citerne, bougies, piles * Autres exemples : barrage hydraulique, charbon, uranium. 7
Notes PIERRON - ASCO & CELDA CS 80609 57206 SARREGUEMINES Cedex France Tél. : 03 87 95 14 77 Fax : 03 87 98 45 91 E-mail : education-france@pierron.fr 8 09751-1