Activité 2 : Ressources et transformation d énergie Objectifs Rechercher et exploiter des informations pour : o associer des durées caractéristiques à différentes ressources énergétiques o distinguer des ressources d énergie renouvelables et non renouvelables o identifier des problématiques d'utilisation de ces ressources Mettre en œuvre un protocole pour séparer les constituants d un mélange de deux liquides par distillation fractionnée. Utiliser la représentation symbolique pour distinguer des isotopes. Schématiser une chaîne énergétique pour interpréter les transformations d'énergie en termes de conversion et de dégradation. I Ressources et formes d énergie Les ressources énergétiques de la planète peuvent se classer en deux catégorie selon leur temps de formation : les énergies renouvelables et les énergies renouvelables. Pour être utilisées, les énergies doivent être converties plusieurs fois : c est une chaine énergétique aboutissant à des énergies finales. Document 1 : Différence entre source d énergie et forme d énergie Le travail de l homme qui veut pouvoir utiliser de l énergie est d aller chercher l énergie là où elle se trouve, à la source de l énergie, et de la mettre dans une forme utilisable. Les ressources d énergie est ce qui va être utilisé pour fournir de l énergie. Il peut s agir d une matière (pétrole, charbon, ), d un rayonnement comme la lumière du soleil ou encore d une force comme celle du vent ou des cours d eau. La forme d énergie est la forme sous laquelle l énergie se présente pour être utilisée. On parle aussi d effet utile de l énergie pour désigner ce qui est l effet recherché de l utilisation d énergie. Il est possible de passer d une forme d énergie à une autre, qui pourra elle-même être à nouveau transformée en une autre, et ainsi de suite. Néanmoins, cela ne peut pas se faire n importe comment. Ces transformations nécessitent toujours un intermédiaire (qu on peut désigner, par exemple, par le mot convertisseur). Il faut garder aussi à l esprit qu aucune transformation n est complète et que chaque transformation s accompagne de pertes (notamment sous forme de chaleur).» Tiré d un dossier intitulé «l énergie fait loi» réalisé par l APERe, Association pour la Promotion des Energies Renouvelables Document 3 : Schéma d une centrale thermique Dans une centrale thermique le combustible est brulé afin de chauffer de l eau. Cette eau va être transportée jusqu à une turbine. Cette eau va faire tourner la turbine. En tournant cette turbine entraine un alternateur qui produit ainsi de l électricité. 1
Document 3 : Chaine énergétique Pour représenter une chaine énergétique, on identifie les convertisseurs d'énergie, dispositifs qui transforment l'énergie d'une forme à une autre. On représente les convertisseurs d'énergie dans des ovales dans lesquels on écrit leur nom. On représente les énergies absorbées et transférées par chaque convertisseur en indiquant leur nom dans un rectangle o À gauche des convertisseurs pour les énergies fournies (entrantes) o À droite des convertisseurs pour les énergies transformées (sortantes) Le convertisseur n est pas parfait une partie de l énergie entrante n est pas utilisable elle est dégradée sous forme d énergie thermique. Energie lumineuse Panneau solaire Energie électrique Une chaîne énergétique illustre le principe de conservation d'énergie (la somme des énergies entrantes dans un système est égale à la somme des énergies qui en sortent) et met en évidence les différentes conversions d'énergie dont elle est le siège! Perte Energie thermique 1 / A partir des informations données dans les documents et de vos connaissances, compléter le tableau suivant : Source d énergie Forme d énergie Convertisseur Energie utile Soleil Lumineuse Panneau solaire photovoltaïque Electrique Soleil Lumineuse Panneau solaire thermique Thermique Essence Chimique moteur Mécanique Gaz naturel Chimique chaudière Thermique charbon Chimique Centrale électrique Electrique vent Mécanique éolienne Electrique Cours d eau Mécanique Centrale hydroélectrique Electrique Uranium Chimique Centrale nucléaire Electrique 2
2 / On distingue les ressources d énergies renouvelables et non renouvelables. a) Pourquoi certaines peuvent-elles être qualifiées de «renouvelables» Les ressources énergétiques renouvelables ont des durées d exploitations plus grandes ou au moins égales à leurs durées de reconstitutions. Alors que les énergies non renouvelables ont des durées d exploitation plus faibles ou beaucoup plus faibles que leurs durées de reconstitution ( des dizaines de millions d années) b) Regrouper les différentes sources d énergie citées précédemment dans le tableau suivant : Ressources d énergie renouvelables Cours d eau Soleil Vent Ressources d énergie non renouvelables Charbon Uranium Pétrole/essence Gaz 3 / Réaliser la chaine énergétique de la centrale thermique. 3
II Ressources énergétiques non renouvelables A / Ressources énergétiques non renouvelables fossiles Le pétrole brut est constitué d un mélange d espèces chimiques dont la plupart sont des hydrocarbures. Le pétrole n est pas exploitable sous sa forme brute : il faut en séparer les constituants pour obetnir des ressources d énergies différentes comme l essence, le diesel, le butane etc Document 1 : Distillation fractionnée En s élevant dans la colonne à distiller, le mélange est de plus en plus riche en constituant le plus volatil (la température de vaporisation la plus faible). Le liquide dans le ballon s enrichit en constituant le moins volatil. Animation : http://seconde-loges.pagespersoorange.fr/distillation.swf Document 2 : Données Ethanol Eau Formule brute CH 3-CH 2-OH H 2O Température d ébullition 78 C 100 C Document 3 : Montage de la distillation simple 12 Document 4 : Protocole Peser deux éprouvettes graduées de 100 ml. Introduire dans le ballon du montage de distillation un échantillon de volume V = 70 ml de mélanger eau-éthanol. Ajouter quelques grains de pierre ponce. Mettre en route le réfrigérant à eau latéral, puis le chauffe ballon de manière à assurer un léger chauffage. Noter la température d apparition des premières gouttes de distillat dans l éprouvette graduée. Lorsque la température augmente, changer d éprouvette graduée. Poursuivre la distillation jusqu à atteindre 90 C puis arrêter le chauffe ballon. 4
Document 5 : Vocabulaire Support élévateur Chauffe ballon Ballon Solution à distiller Colonne simple Thermomètre Réfrigérant à eau Entrée d eau Sortie d eau Erlenmeyer Distillat Potence Pince Document 6 : Changement d état Un changement d état est le passage, par exemple, de l état liquide à l état de gaz, dans ce cas le changement d état se nomme la vaporisation. Lorsque vous mettez de l eau à chauffer sur une plaque de cuisson, l énergie fournie par la plaque permet d augmenter la température de l eau, lorsqu elle atteint 100 C l eau commence à passer sous forme de gaz. Cependant, la température de l eau liquide reste à 100 C en effet, l énergie qui servait à faire augmenter l eau liquide de température sert à faire maintenant à changer l état de l eau de liquide à gaz uniquement. 1 / La distillation est un procédé de séparation de mélange de substances liquides dont les températures d'ébullition sont différentes. Elle permet de séparer les constituants d'un mélange homogène. 2 / Montage distillation simple 1. Potence 2. Pince 3. Support élévateur 4. Thermomètre 5. Chauffe ballon 6. Réfrigérant à eau 7. Entrée d eau 8. Sortie d eau 9. Erlenmeyer 10. Mélange eau éthanol : solution à distiller 11. Distillat 12. Colonne simple 3 / Le réfrigérant à eau permet de liquéfier les vapeurs le traversant en refroidissant celle-ci. 4 /La température augmente se stabilise puis augmente de nouveau 5 / La température de vaporisation des corps est différente ainsi la température est constante tant que l on a un changement d état, lorsque la température augmente c est que le corps le plus volatil a entièrement était distillé. Ainsi la température augmente jusqu à la température du changement d état du second corps. 6 / Dans l éprouvette 1 on retrouve l éthanol car il s agit du corps ayant la température de vaporisation la plus faible. Dans l éprouvette 2 on retrouve l eau. 5
Document 7 : le bioéthanol Le terme biocarburant désigne un carburant renouvelable constitué de dérivés industriels obtenus après la transformation de produits d origine végétale ou animale. Le cycle du bioéthanol repose sur l exploitation de ressources comme les céréales. 1 / La durée de formation du bioéthanol est-elle à l échelle humaine? La durée de formation du bioéthanol est à l échelle humaine car son cycle se repose sur l exploitation des ressources comme les céréales 2 / D après vous la durée de formation du pétrole est-elle à l échelle humaine? Pourquoi qualifie-t-on alors le pétrole de ressource d énergie non renouvelable? La durée de formation du pétrole est d une dizaine de millions d années elle n est donc pas à l échelle humaine, elle est ainsi non renouvelable car ses ressources s épuisent et ne seront pas renouvelées. B / Ressources énergétiques non renouvelables fissibles Document 1 : Rappels Le nombre de protons dans un atome est indiqué par le numéro atomique de cet atome Z. Dans un atome, le nombre d électrons est égal au nombre de protons car l atome est électriquement neutre (il y a autant de charges positives que de charges négatives). Le nombre total de nucléons (protons + neutrons) dans un atome est indiqué par le nombre de masse de cet atome A. Ecriture symbolique de l atome : Nombre de masse : nombre de nucléons (protons + neutrons) Numéro atomique : nombre de protons Symbole de l atome Document 2 : L uranium L uranium est l élément chimique est l élément chimique de numéro atomique 92. Ses deux principaux isotopes sont l uranium 235 et l uranium 238. Seul le noyau d uranium 235 est fissible c est-à-dire qu il peut se scinder dans certaines conditions. Pour être exploitable dans une centrale électrique nucléaire, la proportion d uranium 235 dans l uranium doit se situer entre 3 et 5%. Or, dans l uranium naturel, cette proportion est seulement de 0,7% L étape d enrichissement consiste à augmenter le pourcentage d uranium 235 de l uranium naturel. 1 / Le combustible utilisé dans une centrale nucléaire est l uranium 235, le reste de la centrale fonctionne sur le même principe qu une centrale thermique. Réaliser la chaine énergétique de la centrale thermique. 6
2 / Donner l écriture symbolique des deux atomes évoquée dans le document 2. ; 7