COURS SUR L ÉNERGIE POUR LE CRPE PREMIÈRE PARTIE Jean-Michel ROLANDO (Site de Bonneville) Les éléments essentiels sont rédigées en police standard (12 points). Certaines parties, plus difficiles, peuvent être sautées lors d une première lecture : elles sont rédigées en 10 points. Approche du concept scientifique La notion de puissance C est un nombre qui indique l efficacité. Exemples, ordres de grandeur Ordres de grandeur - Une ampoule de 25 W éclaire moins qu une ampoule de 100 W - Un four de 1,5 kw chauffe moins qu un four de3 kw - Un moteur d automobile de 50 kw est moins performant qu un moteur de 100 kw - L alternateur d un barrage hydroélectrique de 75 MW (Génissiat) fournit moins d électricité que l alternateur d une centrale nucléaire de 1300 MW (Bugey). Puissance et consommation domestique Réflexion : dans quel cas consomme-t-on le plus? ampoule de 100W pendant 1h ; ampoule de 50 W pendant 1h? ampoule 100 W pendant 1h ; ampoule 100W pendant 2h? ampoule 100W pendant 1h ; ampoule 50W pendant 2h? Bilan : énergie consommée par un appareil = puissance de l appareil x durée de fonctionnement soit la formule : E = P x t Unités à connaître : Unités du système Unités usuelles en électricité Conversion international domestique Puissance Watt (W) kw 1 kw = 1000 W Temps Seconde (s) h 1h = 3600 s Énergie Joule (J) (1 J = 1 W x 1s) kw.h (1 kw.h = 1 kw x 1h) et surtout pas kw/h! 1 kw.h = 3 600 000 J = 3,6. 10 6 J NB : lorsqu on se préoccupe de la consommation d une ville, d un pays, de l humanité entière, on utilise des multiples du kw.h : Le méga watt-heure 1 MW.h = 10 6 W.h Le giga watt-heure 1 GW.h = 10 9 W.h Le téra watt-heure 1 TW.h = 10 12 W.h
Introduction à la notion : plan des paragraphes qui suivent L énergie est une grandeur abstraite qui possède les caractéristiques principales suivantes. Elle se stocke (on peut dire que tel corps possède de l énergie, qu il a stocké de l énergie...). Les physiciens parlent de «systèmes» plutôt que de «corps» : voir le IV. Elle est multiforme. Un corps peut stocker de l énergie sous différentes formes : énergie cinétique liée à sa vitesse (une voiture), énergie chimique liée à sa constitution chimique (le pétrole, l essence), énergie thermique liée à sa température (de l eau chaude)... Voir le V. Elle se transfère : un corps peut céder de l énergie à un autre. Cf. le VI. Elle obéit à un principe de conservation. Cf. VII. La notion de système. Représentation symbolique. Considérons de l eau chaude qui se refroidit. L eau possède de l énergie parce qu elle est chaude (on l appelle énergie thermique, voir V). En se refroidissant, elle «perd» de l énergie. Cette énergie n est pas véritablement «perdue», elle est transférée à l air ambiant et, plus généralement, à l environnement. Dans l introduction, on a employé le terme «corps» pour désigner ce qui possède ou transfère de l énergie. Les scientifiques utilisent le terme de «système», plus général. Il ne s agit pas d un mot abstrait. Un système est nécessairement matériel (un objet, un ensemble d objets, un corps, l environnement...). Dans l exemple évoqué, l eau constitue un système. L air ambiant et tout l environnement constitue un autre système. On représente symboliquement le transfert de la façon suivante. Énergie thermique (diminution) Transfert Énergie thermique (augmentation) EAU ENVIRONNEMENT Selon cette convention, le nom du système est indiqué sous des «bulles». La forme est indiquée dans les bulles. Le transfert (et son nom qu on verra plus loin) est indiqué sur la flèche. Elle signifie ici que l eau possède de l énergie thermique et qu elle en transfère à l environnement. On aura souvent à s intéresser aux variations. Ici, il faut comprendre que l énergie thermique possédée par l eau diminue et que celle qui est stockée dans l environnement augmente (même si c est imperceptible). On aura souvent à compléter la symbolisation par des flèches (croissantes ou décroissantes) qui indiquent le sens de la variation (voir quelques exemples plus loin). Les formes L énergie peut se trouver dans les systèmes sous différentes formes dont on peut faire un inventaire exhaustif. Il est particulièrement important de savoir repérer dans quels cas chaque forme varie (augmente ou diminue).
1. Énergie mécanique (Em) Elle se décompose en énergie cinétique Ec et en énergie potentielle Ep. Énergie cinétique Énergie que possède un corps de masse m en mouvement à la vitesse V. Il peut être utile de connaître la formule Ec = 1/2.m.V 2 L énergie cinétique varie lorsque la masse varie (rare) et lorsque la vitesse varie. Énergie potentielle Une masse m à l altitude h possède de l énergie potentielle. Il peut être utile de connaître la formule Ep = m.g.h L énergie potentielle varie lorsque l altitude varie. 2. U Énergie stockée dans un corps, indépendamment de son mouvement ou de son altitude. On distingue quatre formes interne. Énergie thermique liée à la température Elle varie lorsqu il y a une variation de la température du système considéré. Énergie liée à l état physique Celle-ci varie lorsqu il y a un changement d état physique. Exemple important : de la glace en train de fondre prend de l énergie thermique à l environnement. Son énergie physique augmente donc alors même que la température ne varie pas (la fusion d un corps pur s effectue à température constante). Énergie chimique (liée à la constitution chimique). Celle-ci varie lorsqu il y a une réaction chimique. Exemples classiques à bien connaître : les combustion ; les réactions qui se produisent dans les piles ; les réactions qui se produisent dans l organisme au moment de la digestion. Il y a respectivement diminution de l énergie chimique du combustible, de la pile, de l organisme. Énergie nucléaire Elle varie lorsqu il y a une réaction nucléaire. Exemples classiques à bien connaître : l uranium ou tout autre exemple de réactif nucléaire dans une centrale nucléaire ou une bombe nucléaire ; le Soleil qui est le siège de réactions nucléaires. Ces systèmes possèdent de l énergie nucléaire. Les réactions nucléaires qui se produisent s accompagnent d une diminution de l énergie nucléaire de l uranium ou du soleil. Attention aux idées reçues... Nous avons dit que cette liste est exhaustive (à quelques détails près qui dépassent le niveau de ce concours). En particulier, il faut rester vigilant à ne pas inventer d autres formes en se laissant porter par le langage courant qui n est pas fondé scientifiquement. Exemples : - l énergie musculaire n est qu une forme chimique ; - l énergie hydraulique est le plus souvent de l énergie potentielle (un barrage) ou cinétique (eau en mouvement). Les transferts Ils se produisent selon 4 processus. 1. Travail mécanique Wm Le travail est la forme de transfert qui correspond au un déplacement d une force. Exemple : un homme pousse un véhicule initialement immobile. L énergie chimique de l homme diminue. L énergie cinétique de la voiture augmente. Le transfert s effectue sous forme de travail.
énergie chimique Travail mécanique Énergie cinétique HOMME 2. Travail électrique ou énergie électrique We Ce processus se produit lorsqu un système fonctionne à l électricité. Exemple : une pile alimente une ampoule. VOITURE Énergie chimique Travail électrique PILE NB : on verra plus loin ce qui se passe au niveau de l ampoule. AMPOULE 3. ou transfert thermique Q Le transfert par chaleur s effectue lorsque deux corps à des températures différentes échangent de l énergie. Exemples Retour sur l eau chaude qui se refroidit. thermique thermique EAU ENVIRONNEMENT Ébullition de l eau De l eau, chauffée par une cuisinière à gaz est à l ébullition. Notons bien que la température de l eau ne varie plus pendant l ébullition (son énergie interne augmente parce qu elle change d état, cf. V.2). chimique physique GAZ EAU
Remarque : on distingue deux modes de propagation de la chaleur qu il faut connaître. - La conduction dans laquelle la chaleur se propage sans déplacement de matière (une cuillère dans une casserole chauffée va elle-même se réchauffer : la chaleur s est propagée du contenu de la casserole jusqu à l extrémité du manche de la cuillère sans déplacement de matière). - La convection dans laquelle la chaleur se propage grâce au déplacement d un fluide (le chauffage d une maison grâce aux mouvements de convection de l air ; l équilibre partiel des températures atmosphériques et océaniques au niveau de la planète grâce aux déplacements de l atmosphère et aux courants océaniques...). 4. Rayonnement Wr C est un transfert par les ondes. Le rayonnement est parfois visible (lumière) parfois invisible (micro-ondes, rayons UV ou IR, rayons X, rayons γ. Il peut se propager dans le vide. Exemple : retour sur l ampoule électrique qui reçoit du travail électrique et restitue du rayonnement et de la chaleur. Travail électrique Rayonnement thermique Notons que nous n avons rien mis dans la «bulle» représentant l ampoule. Cette dernière est certes un peu chaude. Elle possède donc de l énergie thermique (on pourrait la représenter). Mais celle-ci ne varie pas lorsque l ampoule fonctionne depuis quelques secondes (sa température s est stabilisée). Le principe de conservation L énergie ne se crée pas et ne se perd pas. S il n y a pas de transferts entre un système et son environnement, alors l énergie totale du système est constante. Si un système «perd» ou «gagne» de l énergie, c est qu il l a échangée avec un ou plusieurs autres systèmes. Exercices corrigés AMPOULE Une photopile est un composant électronique qui fournit de l énergie électrique lorsqu il reçoit du rayonnement. On peut fabriquer un petit véhicule solaire comme indiqué cicontre. a- Faire l analyse énergétique de ce qui se passe au niveau de la photopile. b- Même question au niveau du moteur. ENVIRONNEMENT
La photopile reçoit du rayonnement et la transforme en travail électrique (et un peu en chaleur vers l environnement). Le moteur reçoit du travail électrique et le transforme en travail mécanique (et un peu en chaleur vers l environnement). Quel(s) transfert(s) s opère(nt) lorsque de l eau se vaporise? Même question lorsque de l eau se solidifie. La vaporisation de l eau nécessite un apport à cette eau. Cet apport est fourni par l environnement ou par une source de chaleur selon le cas. Cette énergie est stockée dans l eau sous forme interne. Augmentation interne Eau De manière symétrique, la solidification de l eau initialement à l état liquide s accompagne d une diminution de l énergie interne de l eau. De la chaleur est donc transférée au milieu extérieur. Augmentation interne Eau Cette lanterne de jardin fonctionne en totale autonomie ; éteinte la journée, allumée la nuit. Elle ne nécessite ni pile électrique ni branchement sur le réseau électrique domestique. Elle est constituée d une lampe, d accumulateurs rechargeables placés à l intérieur du chapeau, de cellules photovoltaïques. Un détecteur de lumière relié à un circuit électronique permet une commutation du circuit électrique selon la luminosité ambiante.
1. Quels composants comporte le circuit fonctionnant de jour? 2. Quels composants comporte le circuit fonctionnant de nuit? 3. Présenter les deux chaînes de transformations énergétiques, de jour et de nuit. 1. Le circuit «jour» comporte les cellules photovoltaïques et les accumulateurs. 2. Le circuit «nuit» comporte les accumulateurs et la lampe. NB : le détecteur de lumière est relié à un dispositif électronique permettant une commutation automatique entre ces deux circuits en fonction de la luminosité ambiante ; le schéma de ce commutateur électronique n est pas demandé. 3. Circuit «jour» : le rayonnement solaire reçu pas les cellules photovoltaïques est converti en énergie électrique qui charge les accumulateurs. Rayonnement Énergie électrique Augmentation chimique Cellules photovoltaïques Accumulateurs Circuit «nuit» : les accumulateurs alimentent la lampe de jardin ; ce faisant, ils se déchargent. Diminution chimique Énergie électrique Rayonnement Accumulateurs Lampe Simultanément, il se produit des transferts sous forme de chaleur vers l environnement. Nous ne les avons pas représentés sur ces schémas.