Atelier 1 - ChEn Chaînes énergétiques - BDRP

HEPVaud-didactiquedessciencesJ-ClaudeNoverraz

Atelier1-ChEn

ChaînesénergétiquesNousentendonsicipar«chaîneénergétique»unensembled’éléments(objet,appareil,êtrevivant),lesmaillonsdelachaîne,enlienlesunsaveclesautresettelsqu’unepartaumoinsdel’énergiequientredanschaquemaillonproviennentdumaillonprécédent.

Enrèglegénérale,chaquemaillonestimbriquédansplusieurschaînes,cequidonnedesréseauxmailléscomplexes.

Laséquenced’enseignement«vousavezdit“énergie”?»décritdesactivitésd’élèvesréaliséesavecdesvignettes(lesmaillons)quipeuventêtrefacilementplacéessurunsupportetenlevées.Celapermetuneapprochetrèsdynamiqueetludiquedel’énergie,desformesqu’ellerevêtetdestransformationsqu’ellesubit.Pargroupes,lesélèvesfontdesassociationsetdesenchaînementsdevignettesqu’ilsdiscutent.Onpeutdéjàinstituerquelquesprincipesgénérauxsurladégradationdel’énergieenchaleur,lessourcespremièresquiseramènenttoujoursàl’énergienucléaire(Soleiloucentraleatomique)etladilutionfinaledel’énergiesousformedégradéedechaleurdansl’environnement.

Poursimplifierlesexercicesproposésauxélèves,onconsidèredeschaînesréduitesàunesuccessionlinéaire.

Mêmesileconceptdechaîneénergétiquepeutêtreassezdifficilementappréhendéparlesélèves,lesexercicesproposésici,sipossiblesaccompagnésouprécédéd’activitésréaliséesavecdesvignettesmobiles,peuventtoutàfaitêtreproposéesàdesélèvesducycle2.

Ci-après, les exercices (problèmes et solutions) sont suivis d’un document proposant un code de couleurs pour les formes d’énergie et de trois feuilles permettant d’imprimer des vignettes avec lesquelles les élèves pourront travailler. Exercices proposés dans cet atelier ( font également partie du document "Vous avez dit énergie - Extraits" )

Pour le travail en groupes, il convient de présenter ces exercices sous forme de panneaux de format A3 ou plus. ChE 1.01 Un phare de scooter qui marche au pétrole ChE 2.02 Du soleil au ballon de foot ChE 2.03 Courir grâce au soleil ChE 2.04 Électricité solaire ChE 2.05 "La femme suisse cuit à l'électricité" (slogan d'après guerre) ChE 2.07 Avec un capteur photovoltaïque ChE 3.06 Allumette, bougie, alcool, on s'enflamme ! ChE 3.08 Une allumette qui s'enflamme avec une loupe QCM Énergie Items Nos 1 et 2

HEPVaud-Jean-ClaudeNoverraz

Didactiquedessciences

AteliersurlethèmeApprochedel’Énergie(ApEn)

Pagessuivantes:

Exercices

HEP Vaud - Didactique des sciences - J-C Noverraz

Puits depétrole

Raffinerie

Bidond'essence

Moteur duscooter

Généra-trice

électrique

Batterie

Phare

Lumière

Un phare de scooter qui marche au pétrole

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Description d'une chaîne énergétique.

Pour décrire une chaîne énergétique, il estplus facile de la remonter depuis sondernier maillon:L'ampoule du phare reçoit son énergie de lagénératrice. La génératrice reçoit sonénergie de la batterie,. La batterie reçoitson énergie de la génératrice. Lagénératrice reçoit son énergie du moteur duscooter. Le moteur reçoit son énergie dubidon d'essence. Le bidon est remplid'essence provenant de la raffinerie qui estalimentée à partir du puits de pétrole.

Code de couleurs pour les flèches selonla forme d'énergie transmise d'unmaillon à l'autre:Brun Énergie chimiqueJaune Énergie rayonnéeBleu Énergie mécanique (cinétique)

Petit exercice:

En te basant sur le code des couleursindiqué ci dessus, colorie les deuxdernières flèches laissées en gris clair àla fin de la chaîne.

Problème ChE 1.01 Vers la listeN° Item

4.01

Indications pour l'édition des fiches

Nature énergie - Liste des abréviationsqui déterminent la couleur de la flèchede transfert ou du fond du texte dumaillon lorsqu'il y a stockage:

Ch ChimiqueRa RayonnéeNu NucléaireEl ÉlectriqueMC Mécanique CinétiqueMP Mécanique PotentielleTh Thermique-- (Neutre -> la flèche est grise)

Ces abréviations doivent êtreenregistrées à côté des illustrationsdans les rubriques encadrées de rougepour le transfert et dans les rubriquesencadrées de bleu pour le stockage.Sans mention, la flèche est blanche pardéfaut et donc invisible.Ces rubriques "Nature énergie(N°)” et"Stockage(N°)” n'apparaissent pas àl'impression de la fiche.

Les étiquettes concernant le stockagesont redimensionnées à l'impression(voir en mode prévisualisation).

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Page 1


Puits depétrole

Raffinerie

Bidond'essence

Moteur duscooter

Généra-trice

électrique

Batterie

Phare

Lumière

Un phare de scooter qui marche au pétrole

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⃝⃝⃝⃝⃝

⃝⃝

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Généralisation du code de couleurs pourles flèches selon la forme d'énergietransmise:

Brun Énergie chimiqueJaune Énergie rayonnéeMauve Énergie nucléaireVert Énergie électriqueBleu Énergie mécanique cinétiqueViolet Énergie mécanique potentielleRouge Énergie thermique

Description de la chaîne énergétique:

L'ampoule du phare reçoit de l'énergieélectrique (flèche verte) de la génératrice.La génératrice reçoit de l'énergie électriquede la batterie. La batterie reçoit son énergieégalement de nature électrique de lagénératrice. La génératrice reçoit sonénergie du moteur sous forme mécaniquedu moteur du scooter. Le moteur reçoit sonénergie sous forme chimique du bidond'essence. Le bidon est rempli d'essenceprovenant de la raffinerie qui est alimentéeà partir du puits de pétrole (énergie deforme chimique).

Solution ChE 1.01 Vers la listeN° Item

4.01






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Page 2


Soleil

Banane

Footballeur

Ballon defoot

Du soleil au ballon de foot

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⃝⃝ Code de couleurs pour les flèches selon

la forme d'énergie transmise:


Raconte cette chaîne énergétique etcolorie les flèches provisoirementlaissées en gris clair en te basant surcode donné ci-dessus.


4.02






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Page 3


Soleil

Banane

Footballeur

Ballon defoot

Du soleil au ballon de foot

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⃝⃝ Code de couleurs pour les flèches selon

la forme d'énergie transmise:


Transfertrayonnant

Transfertchimique

Transfertmécanique

Le ballon de foot reçoit de l'énergiemécanique du footballeur qui a tiré del'énergie de nature chimique de labanane qu'il a mangée avant sonentraînement, et la banane a poussé carle bananier sur lequel elle se trouvait areçu de l'énergie de nature rayonnéeprovenant du soleil.


4.02






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Page 4


Soleil

Herbe

Vache

Lait

Person-nage à la

course

Courir grâce au soleil

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!

!

!

Code de couleurs pour les flèches selonla forme d'énergie transmise:



Que devient l'énergie dépensée par lecoureur ?


4.03






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Page 5


Soleil

Herbe

Vache

Lait

Person-nage à la

course

Courir grâce au soleil

↘↘↘↘↘

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⃝⃝⃝⃝⃝

⃝⃝

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!

!

!



La personne qui court dépense del'énergie qui lui provient (en partie) dulait qu'elle a bu. C'est de l'énergie denature chimique contenue dans le lait(sucre et matière grasse pourl'essentiel). Cette énergie chimique aété générée par la vache lors del'assimilation de son fourrage. Cefourrage contenant également del'énergie sous forme chimique aconstitué sa matière nourrissante àpartir du rayonnement du soleil.

L'énergie dépensée par le coureur estpratiquement entièrement dissipée enchaleur (énergie thermique)


4.03






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Page 6


Centraleélectrique

solaire

Réseauélectrique

Transfor5mateur

Compteurélectrique

Lampe

Électricité solaire

↘↘↘↘↘

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↘

⃝⃝⃝⃝⃝

⃝⃝

!

!!

!

!

!




Sous quelle forme la centrale solairereçoit son énergie ?

Que devient l'énergie dissipée par lalampe ?


4.04






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Page 7


Centraleélectrique

solaire

Réseauélectrique

Transfor5mateur

Compteurélectrique

Lampe

Électricité solaire

Pertes enchaleur

↘↘↘↘↘

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⃝⃝⃝⃝⃝

⃝⃝

!

!!

!

!

!



La centrale solaire reçoit de l'énergie dusoleil sous forme rayonnée.

La lampe reçoit de l'énergie électriquequi transite par le compteur enprovenant d'un transformateur. Cetransformateur est alimenté par lacentrale solaire via le réseau électrique.

L'énergie dissipée par la lampe setrouve en partie sous forme de lumièreet en partie sous forme de chaleurperdue dans l'environnement, ce qu'onindique ici par une flèche obliquerouge. La partie lumineuse est hélaspetite par rapport aux pertes !


4.04






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Page 8


CentraleHydro-

électrique

Réseauélectrique

Transfor5mateur

Compteurélectrique

Réchaudélectrique

"la femme suisse cuit à l'électricité" (slogan d'après guerre)

↘↘↘↘↘

↘

↘

⃝⃝⃝⃝⃝

⃝⃝

!

!!

!

!

!




D'où vient l'énergie qui entre dans lacentrale hydroélectrique ?

Que devient l'énergie dissipée par leréchaud ?

Y a-t-il des pertes thermiques encertains endroits de de cette chaîne ?


4.05






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Page 9


CentraleHydro-

électrique

Réseauélectrique

Transfor5mateur

Compteurélectrique

Réchaudélectrique

"la femme suisse cuit à l'électricité" (slogan d'après guerre)

Pertesthermiques

Pertesthermiques

Pertesthermiques

↘↘↘↘↘

↘

↘

⃝⃝⃝⃝⃝

⃝⃝

!

!!

!

!

!



La centrale hydroélectrique reçoit del'énergie sous forme mécanique parl'eau en mouvement provenant du lacde retenue. Si cette eau est arrivée là-haut, c'est grâce à l'énergie solaire qui aproduit l'évaporation, les nuages, lapluie et la neige.

Le réchaud reçoit de l'énergie électriquequi transite par le compteur enprovenant d'un transformateur. Cetransformateur est alimenté par lacentrale hydroélectrique via le réseauélectrique.L'énergie dissipée par le réchaud l'estentièrement sous forme de chaleur utile(cuisson) et inutile (perdue dansl'environnement).


4.05






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Page 10


Soleil

Capteurphoto-

voltaïque

Ven7lateurélectrique

Avec un capteur photovoltaïque

↘↘↘↘↘

↘

↘

⃝⃝⃝⃝⃝

⃝⃝

!

!



Ici,on a mis de la couleur mauve dans leSoleil pour signifier qu'il constitue unstock d'énergie d'origine nucléaire.


Que devient l'énergie dissipée par leventilateur ?


4.07






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Page 11


Soleil

Capteurphoto-

voltaïque

Ven7lateurélectrique

Air misenmou-vement

Avec un capteur photovoltaïque

Pertesthermiques

↘↘↘↘↘

↘

↘

⃝⃝⃝⃝⃝

⃝⃝

!

!



Ici,on a mis de la couleur mauve dans leSoleil pour signifier qu'il constitue unstock d'énergie d'origine nucléaire.la couleur bleue dans l'air mis enmouvement signifie que l'énergie estpassagèrement stockée dans l'air enmouvement.

Le ventilateur reçoit de l'énergieélectrique en provenance du capteurphotovoltaïque. Ce capteur produit del'énergie électrique partir de l'énergiede rayonnement qu'il reçoit du soleil.

Le ventilateur transforme l'énergieélectrique en énergie mécanique demouvement de l'air (énergie cinétique).Une partie de cette énergie estdissipeée en chaleur (perte thermiquedu ventilateur).

Finalement, le brassage de l'air setraduit, lui aussi, par unetransformation de l'énergie mécaniqueen chaleur.

Solution ChE 2.07

Chaleur

Vers la listeN° Item

4.07






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Page 12


Allumette

Bougie

Bouteilled'alcool:àbrûler

Réchaudà alcool

Casserole

Allumette, bougie, alcool, on s'enflamme !

↘↘↘↘↘

↘

↘

⃝⃝⃝⃝⃝

⃝⃝

!

!

Il y a un problème ici qui fait que cette suited'objets ne constitue pas une chaîneénergétique

L'allumette allumela bougie

La bougieenflamme l'alccol…

…préalablementmis dans le réchaud

et la flamme duréchaud chauffe…

… la casserole

Vois-tu ce problème ?


4.06






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Page 13


Allumette

Bougie

Bouteilled'alcool:àbrûler

Réchaudà alcool

Casserole

Allumette, bougie, alcool, on s'enflamme !

Chaleur(inutile)

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⃝⃝⃝⃝⃝

⃝⃝

!

!

L'allumette allumela bougie

La bougieenflamme l'alccol…

…préalablementmis dans le réchaud

et la flamme duréchaud chauffe…

… la casserole

Il ne s'agit pas ici d'une chaîneénergétique car l'énergie reçue parcertains éléments ou maillons de cettechaîne ne provient pas du maillonprécédent.

En effet, si la bougie est susceptibled'enflammer l'alcool à brûler placé dansle réchaud, l'énergie de l'alcool neprovient pas de la bougie.

De même, si l'allumette est susceptibles'allumer la bougie, l'énergie de labougie ne provient pas de la l'allumette.


4.06






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Page 14


Soleil

Loupe

Allume>e

Bougie

Une allumette qui s'enflamme avec une loupe

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⃝⃝

!

!

!

Il y a un problème ici qui fait que cette suited'objets ne constitue pas une chaîneénergétique

La loupe concentrela lumière solaire…

… sur l'allumettequi s'enflamme…

… et permetd'allumer la bougie

Vois-tu ce problème ?


4.08






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Page 15


Soleil

Loupe

Allume>e

Bougie

Une allumette qui s'enflamme avec une loupe

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↘

⃝⃝⃝⃝⃝

⃝⃝

!

!

!

La loupe concentrela lumière solaire…

… sur l'allumettequi s'enflamme…

… et permetd'allumer la bougie

Il ne s'agit pas ici d'une chaîneénergétique car l'énergie reçue parcertains éléments ou maillons de cettechaîne ne provient pas du maillonprécédent.

En effet, si on peut enflammerl'allumette en concentrant la lumièresolaire au moyen de la loupe, l'énergieque dégage l'allumette en brûlant neprovient pas du soleil.

De même, si l'allumette est susceptibles'allumer la bougie, l'énergie de labougie ne provient pas de la l'allumette.


4.08






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Pagessuivantes:

Documents

d’accompagnement

HEP-Vaud - Formation continue - Jean-Claude Noverraz – 31.08.2015

• Brun pour l’énergie chimique

• Jaune pour l’énergie rayonnée

• Mauve pour l’énergie nucléaire

• Vert pour l’énergie électrique

• Bleu pour l’énergie mécanique cinétique

• Violet pour l’énergie mécanique potentielle

• Rouge pour l’énergie thermique

• Gris pour une forme d’énergie non précisée

jean-claudenoverraz

Texte tapé à la machine

Conventions pour la couleur de l'énergie

jean-claudenoverraz


jean-claudenoverraz


jean-claudenoverraz


Approche de l’énergie - Didactique des sciences - HEP Vaud - Jean-Claude Noverraz 18.02.2014

Vignettes(à(découper(

! !! ! !

Soleil! Capteur!photovoltaïque! Ventilateur!(moteur!électrique)! Thermoplongeur! Nuage!et!pluie!

! ! ! ! !Céréale! Transformateur!haute!tension! Centrale!solaire!(Odeillo)! Herbe!(fourrage)! Lac!de!retenue!hydroélectrique!

! !! ! ! !Farine!de!blé! Ligne!électrique! Transformateur!de!quartier! Vache!laitière! Centrale!hydroélectrique!

! !!

! !Pain! Compteur!électrique! Steak! Lait! Puits!de!pétrole!

! ! ! ! !Personne!qui!court! Prise!électrique! Personne!qui!pédale! Essence! Raffinerie!de!pétrole!

! ! ! ! !Fer!à!repasser! SècheJcheveux! Réchaud!électrique! Scooter! Allumette!

!! ! ! !

Soleil! Air!chaud! Casserole!d’eau! Alternateur!de!scooter! Loupe!

!

!

!!

!Feuilles! Chenille! Luciole! Eau!chaude!(thé)! Phare!de!scooter!

! ! ! ! !Chèvre! Génératrice!à!manivelle! Lampe! thermomètre! Pile!

! ! ! !!

Labogaz! Miroir! Sucre! Bougie! Betterave!sucrière!

!! !

!!

Batterie! Moteur!d’automobilr! Fromage! Sonnette!électrique! Héliomètre!


Exemple'd’une'chaîne'énergétiques'Le#fer#à#repasser,#qui#stocke#de#l’énergie#thermique,#reçoit#son#énergie#au#travers#de#la#prise#électrique,#elle#même#alimentée#au#travers#du#compteur#électrique.#L’énergie#que#mensure#ce#compteur#vient#de#l’installation#électrique#de#l’immeuble#alimentée#à#partir#d’un#transformateur#de#quartier.#Ce#transformateur#reçoit#son#énergie#d’une#ligne#électrique#(haute#tension)#dans#laquelle#l’énergie#est#injectée#via#un#transformateur#placé#à#la#sortie#d’une#centrale#électrique#solaire.#Enfin,#bien#sûr,#cette#centrale#solaire#reçoit#son#énergie#du#Soleil#qui#stocke#une#quantité#d’énergie#pharamineuse.#

#

## # # #

Soleil# Capteur#photovoltaïque# Ventilateur#électrique# Soleil# Nuage#et#pluie#

#

#

# # #Champ#de#blé# Transformateur#haute#tension# Centrale#solaire#(Odeillo)# Herbe#(fourrage)# Lac#de#retenue#hydroélectrique#

# !# # # #Farine#de#blé# Ligne#électrique# Transformateur#de#quartier# Vache#laitière# Centrale#hydroélectrique#

# ## # #

Pain# Compteur#électrique# Introduction#électrique#d’immeuble# Lait# Puits#de#pétrole#

# # # # #Personne#qui#court# Prise#électrique# Personne#qui#pédale# Essence# Raffinerie#de#pétrole#

# # # # #Fer#à#repasser# SècheRcheveux# Réchaud#électrique# Moteur#d’automobile# Réservoir#à#essence#

##

## #

Soleil# Air#chaud# Casserole#d’eau# Alternateur#d’auto#recharge#la#batterie#

Batterie#d’automobile#

#

#

## #

Feuilles# Chenille# Luciole# Eau#chaude#(thé)# Phare#d’automobile#


Trace&des&chaînes&énergétiques,&numérote5les&et&décris5les&selon&l’exemple&donné&Règles'à'suivre':'1. En'remontant'une'chaîne'depuis'le'dernier'maillon,'chaque'maillon'doit'recevoir'au'moins'une'partie'de'son'énergie'du'

maillon'précédent'2. La'chaîne'peut'se'dessiner'horizontalement'ou'de'bas'en'haut'verticalement'ou'en'diagonale'3. Une'chaîne'doit'comprendre'3'vignettes'(maillons)'au'moins'4. Chaque'vignette'peut'être'utilisée'pour'plusieurs'chaînes'(croisement'ou'superpositions'possibles'5. On'encercle'les'vignettes'représentant'des'objets,'installations'ou'êtres'vivants'dans'lesquels'l’énergie'est'

provisoirement'stockée''

''

' ''

Soleil' Capteur'photovoltaïque' Ventilateur'électrique' Soleil' Nuage'et'pluie'

''

' ' 'Champ'de'blé' Transformateur'haute'tension' Centrale'solaire'(Odeillo)' Herbe'(fourrage)' Lac'de'retenue'hydroélectrique'

' !' ' ' 'Farine'de'blé' Ligne'électrique' Transformateur'de'quartier' Vache'laitière' Centrale'hydroélectrique'

' ' ' ' 'Pain' Compteur'électrique' Introduction'électrique'd’immeuble' Lait' Puits'de'pétrole'

' ' ' ' 'Personne'qui'court' Prise'électrique' Personne'qui'pédale' Essence' Raffinerie'de'pétrole'

' ' ' ' 'Fer'à'repasser' SècheYcheveux' Réchaud'électrique' Moteur'd’automobile' Réservoir'à'essence'

''

'' '

Soleil' Air'chaud' Casserole'd’eau'Alternateur'd’auto'recharge'la'batterie' Batterie'd’automobile'

'

'

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Feuilles' Chenille' Luciole' Eau'chaude'(thé)' Phare'd’automobile'




Pagesuivante:

Questionnaireàchoixmultiplederéponses

(QCM)

Pour chaque question, coche toutes les réponses qui te semblent correctes Page 1Tu peux ajouter des réponses qui te conviennent mieux sur les lignes blanches

SaisieCode pour groupe items d'un atelierQCM Atelier 1 ChEnà rédiger selon la sélection choisie et placer dans les fiches avant impression

L'énergie existe sous différentes formes : électricité, mazout, bois de chauffage, gaz naturel, biogaz (produitpar la fermentation de matières organiques), soleil (énergie captée avec des panneaux solaires), etc.Certaines énergies sont dites renouvelables, d'autres sont dites non renouvelables.

elle vient de la nature et on peut la consommer en plusieurs fois

elle n'est pas produite par la nature

la nature en produit autant ou plus qu'on n'en consomme

les réserves naturelles sont très grandes

1EN 26

D'après moi, une énergie estdite renouvelable quand...

1

Énergie renouvelables

1 ChEn 3 NatE 14 Clim

L'énergie existe sous différentes formes : électrique, thermique, chimique, mécanique, rayonnement.L'énergie se transforme. Par exemple, dans une pile électrique, de l'énergie chimique se transforme enénergie électrique. En général, lorsque de l'énergie change de forme, il y a des "pertes" : une partie del'énergie n'est pas transformée dans la nouvelle forme.

chimique

mécanique

électrique

thermique

2EN 28

Il existe une certaine forme Xd'énergie particulière : touteénergie, quelque soit sa forme,peut se transformer à 100%dans cette forme X. Selon moi,la forme X est ...

2

Énergie dégradation

1 ChEn 2 FTSE

Réponses - concepts - compétences SaisiePage 1 Code pour groupe items d'un atelierQCM Atelier 1 ChEn à rédiger selon la sélection choisie et placer dans les fiches avant impression

EN 26

X

D'après moi, une énergie estdite renouvelable quand...

Concepts: énergie_renouvelable Compétence: représentation savoir1

elle vient de la nature et on peut la consommer en plusieurs fois

elle n'est pas produite par la nature

la nature en produit autant ou plus qu'on n'en consomme

les réserves naturelles sont très grandes

EN 28

X

Il existe une certaine forme Xd'énergie particulière : touteénergie, quelque soit saforme, peut se transformer à100% dans cette forme X.Selon moi, la forme X est ...

Concepts: dégradation_énergie Compétence: représentation savoir2

chimique

mécanique

électrique

thermique