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LE DÉFI ÉNERGÉTIQUE Eclipse à Chéraute
ÉNERGIE : BESOINS ET RESSOURCES
1... Quantifier les besoins: puissance P(W) et énergie E(J) (P210 Livre Nathan)
Expérimenter :
Réaliser l'expérience et noter les mesures et observations.
Eau
Volume V= 1.0 L
Bouilloire de puissance
P = W
Conditions
initiales
t=0 s
Temps dechauffe
t1= 30s
Temps dechauffe
t2(s) = t1+30s
Température
θ(°C)
Observations :
Energie électrique reçue
Eelec (J) =
Etherm(chaleur) stockée dansl'eau (Energie Interne)
QEAU (J )=mEAU .C EAU . Δθ
Rendement η=QEAU
Eelec
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BOUILLOIRE 2200W, 1L EAU ROBINET, 2CHAUFFAGES DE DIFFÉRENTES DURÉES Δ t
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LE DÉFI ÉNERGÉTIQUE Eclipse à Chéraute
EXPLOITER pour obtenir la relation entre Energie(J) , Puissance P(W) et durée t(s)
0 50 100 150 200 250 300 350
0
50
100
150
200
250
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Chauffage par Chauffe biberon 230W de:200ml d'eau + 103g de galets du gave(Calcaire)
Eelec(Wh) reçue et Pelec (W)
P(W)E(Wh)
t(s)
Pu
iss
an
ce
P(W
)
En
erg
ie E
(Wh
)
0 50 100 150 200 250 300 350
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Chauffage par chauffe biberon 230W de :200ml d'eau + 103g de galets du gave(Calcaire)
Eelec(Wh) reçue et Température (°C)
E(Wh)(°c)
t(s)
E(W
h) e
t Tem
péra
t ure
(°C
)
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On remarque que la pente de croissance de la température est plus faible pour les températures élevées del'eau ,alors que la puissance de chauffage est constante P=2200W.
Ceci est probablement causé par les pertes thermiques vers l'air Ambiant qui sont proportionnelles à :
Pertes(W)= a. [ T°(EAU) – T°(Air_Ambiant) ]
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RESSOURCES ÉNERGÉTIQUES §4 P216
Classer les ressources énergétiques (Renouvelable ou non ? )
Durées caractéristiques d'une ressources :
• Durée d'exploitation . • Durée de renouvellement.
Une source d'énergie est renouvelable si sa durée d'exploitation est supérieure ou égale à sa durée de renouvellement.
Le pétrole est-il une source renouvelable ?• Durée d'exploitation :• Durée de renouvellement :
Le Bioéthanol est-il une source renouvelable ?• Durée d'exploitation :• Durée de renouvellement :
http://citizenzoo.files.wordpress.com/2010/12/maree-noire-par-stc3a9phane-kautzmann.jpg
Marée noire et à D pétrole brut d'OUGANDA
http://www.interet-general.info/spip.php?article13569
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DISTILLATION ON CHERCHE À SÉPARER D'UN MÉLANGE HOMOGÈNE LES COMPOSÉS AYANT DES
TEMPÉRATURES D'ÉBULLITION DIFFÉRENTES.
La distillation repose sur le fait que la vapeur est plus concentrée en composé le plus volatil, que le liquide(loi de raoult)
ECRIRE LE RÔLE DE CHAQUE ÉLÉMENT DU SYSTÈME DE DISTILLATION CI-CONTRE. :
La température baisse en montant dans la colonne
• Les corps purs se vaporisent à Température d'ébullition Teb, constante si la pression P est constante.Exemple: L'eau sous P=1atm bout à Teb_eau = ____________ °C
• Repérer sur la courbe les corps presque purs qui s'évaporent .
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p://www.pollution-chimique.com/fr/produit-chimique/production.php Tour de distillation de pétrole brut, Allemagne
Quels sont les corps qui se retrouvent en tête de colonne à distiller ?
ht http://www.bape.gouv.qc.ca/sections/mandats/reservoirs_petrole/documents/pr8
-7-5. pdf
Pour produire du bioéthanol (P7 du document), ontfait produire par des levures de l'éthanol à partir du sucre tiré des plantes.
C'est la fermentation alcoolique
COMMENT les levures peuvent faire lever les pâtes farineuses ?
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RESSOURCES FOSSILES
Ce sont des résidus d'êtres vivants(contenant donc du carbone) qui, au bout de quelques millions d'années,se transforment en charbon , pétrole ou gaz .
L'utilisation de la ressource nécessite :
• EXTRACTION : Procédés physicochimiques lourds (Recherche, Forage, injection de produits chimiques,...)
• TRANSPORT : Oléoduc, Gazoduc, Bateau, Trains, Camions.
• RAFFINAGE : Distillation du pétrole, Désulfuration, …
• CONTRÔLE DES RISQUES à chaque étape , y compris lors de l'utilisation:Explosion, Inflammation, Toxicité...(marées noires...)
RESSOURCES FISSILES
Un élément fissile, possède un noyau atomiquepouvant se scinder spontanément ou par stimulation.
La fission d'un noyau produit du rayonnement(radioactivité ) et d'autres noyaux stables ou instables
(fissiles) . C'est la chaîne de désintégration.
Dans les centrales nucléaires classiques, on utilise de l'uranium dont un des ISOTOPES est fissile, U92
235 .
Le minerai d'Uranium en contient seulement 0,7 % et il en faut de 3 à 5 % dans une centrale nucléaire.
L'ISOTOPE le plus courant est U92238 .
On doit donc ENRICHIR l'uranium naturel enU92
235 .
On doit donc CONCENTRER U92235 , par
CENTRIFUGATION en cascade . Opération longue et délicate .
Centrifugeuse Zipp.
Cette opération présente des risques decontamination et radiation.
Les isotopes ont mêmes propriétés chimiques, maisdes masses différentes .
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GÉOTHERMIE
Proche des zones volcaniques, en profondeur sous terre, la température de la croûte terrestre est très élevée . L'eau qui s'infiltre à haute température s'échappe sous forme de vapeur par le puits creusé . Conduite vers une turbine, elle entraîne l'alternateur.
Guadeloupe : Pc = 4.7MWBesoins de la Guadeloupe:235MW.
Nombre de centrales Nc nécessaire :
ÉOLIENNES
L'énergie mécanique(cinétique) du vent permet d'entrainer les pales de l'olienne reliées à l'alternateur.
La france a un des meilleur potentiel éolien d'europe.
De même on peut utiliser l'énergie mécanique des courants marins ou de la houle (vagues) avec des Hydroliennes.
C'est le cas de l'usine marémotrice de la Rance en Ile et vilaine (35) . Pionnière de ce type dans le monde.
Le marnage de ce site exceptionnel atteint 15m .
L'inconvénient est l'envasement du fleuve causé par l'usine .
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CONVERSION, TRANSPORT ET STOCKAGE DE L'ÉNERGIE1. CONVERSION D'ÉNERGIE
L'ÉNERGIE E(J) ne se crée pas, ne se perd pas , mais se TRANSFORME (ou convertit) (Lavoisier).
A chaque transfert ou conversion, il y a des PERTES(Thermiques, mécaniques, électromagnétiques,...)
Exemple : Centrale hydraulique
EXPÉRIENCE : Principe de l'ALTERNATEUR. Induction électromagnétique (Loi de Faraday)
On agite l'aimant près de la bobine et on induit à sesbornes une tension alternative.
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CENTRALES THERMIQUES : Etherm(J) → Eelec(J)CONVERSION DE L'ÉNERGIE THERMIQUE EN ÉNERGIE ÉLECTRIQUE:
1. Production de l'énergie thermique par combustion d'un combustible (Charbon, Pétrole, Gaz) :
Dans les centrales thermiques à Flamme, l' ENERGIE CHIMIQUE est convertie en énergie thermique lors de la COMBUSTION . [ Combustible+Comburant+Energie → Etherm(J) + produits (CO2 , H2O, …) ]
La combustion rejette des produits POLLUANTS (CO2, CO, NOx, SOx, fumée...)
2. Production de l'énergie thermique par FISSION ou FUSION dans les Centrales nucléaires :Lors de la transformation des noyaux des atomes, beaucoup d'énergie est libérée (1g → 1Tep)
2.1. Fission Nucléaire (séparation/division du noyau):La production d'un neutron lors de la fission du noyau peut stimuler la fission d'un autre noyau, et ainsi
de suite, provoquant un RÉACTION EN CHAÎNE sous certaines conditions(masse critique).
La fission nucléaire est utilisée dans les centrales nucléaire s actuelles, mais aussi responsable de la chaleur interne de la terre (volcanisme).
Vidéo 14' C'est pas sorcier: $ clive http://www.youtube.com/watch?v=qTTSBWvyHfg (~5' Fission)Vidéo 12' C'est pas sorcier(suite):$ clive www.youtube.com/watch?v=Q0q5s9hCraI ou complet http://vimeo.com/22884301/download?t=1366790894&v=48198343&s=305fec312edd937a2a9b5914f2968e4d en mp4
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2.2. Fusion Nucléaire: DEUX noyaux légers fusionnent pour donner UN noyau plus lourd .
C'est l'énergie produite au coeur des étoiles à partir del'Hydrogène H1
1 qui possède deux isotopes, H12
et H13 .
Cette énergie n'est pas maîtrisée par l'humanité , mais est en recherche( ITER, laser Mégajoule). C'est l'énergie utilisée dans les bombes H .
DégradationOu
Pertes :Thermiques
Rayonnement...
Vapeur
Chaîne énergétique d'une centrale thermique
3. TRANSPORT ET STOCKAGE DE L'ÉNERGIE :
L'ÉLECTRICITÉ est la forme d'énergie la plusfacilement TRANSPORTABLE . Le transport est
moins risqué et moins coûteux. Les pertes en lignesont été diminuée de 30 % à 3 % en quelques
décennies.
PÉTROLE :
GAZ :
On remarque l'usine marémotrice de la Rance marqué comme Centrale Hydraulique.
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• STOCKAGE DE L'ÉNERGIE :
L'énergie électrique ne se stocke pas en quantité suffisante pour un pays ou même une ville, mais seulement pour un village, un hôpital, des véhicules .
On utilise des barages (Energie potentielle de pesanteur), des piles et des accumulateurs en batteries ( Energie ) .
Animation :http://www.youtube.com/watch?v=xtM0JBnVJZw
H
H
H
H
OÙ EST L'ANODE ?
H
H
H
H
Que rejette la pile-à-combustible H2 ? Quel est le comburant injecté ou prélevé dans l'air ? Où se fait la réduction ?
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4. PROBLÈMES LIÉS À L'EXPLOITATION DES RESSOURCES ÉNERGÉTIQUES :
4.1. Décroissance radioactive :La FISSION et la FUSION nucléaire produisent des rayonnements ionisants (arrache un e⁻ à un atome). Ceci sont très nocifs pour la santé(Mutation génétique...) et pour les matériels.
• Le rayonnement alpha (constitué de noyaux d'hélium) est simplement arrêté par une feuillede papier.
• Le rayonnement bêta (constitué d'électrons ou de positrons) est arrêté par une plaque d'aluminium.
Le rayonnement γ (photons très énergétiques n'est atténué que par des éléments très denses et épais (Béton, plomb).
Ce rayonnement spontané est quantifié par l'activité de l'échantillon radioactif . C'est le nombre de noyaux qui se désintègrent(fission)durant 1s .
L'activité décroît avec le temps :Elle est divisée par 2 durant la « demi-vie » ou période caractéristique du noyau.
On peut remarquer que le noyau U92238 , le plus
courant dans l'uranium naturel, a une « demi-vie » de l'âge de la terre . Il est ainsi utilisé pour dater les roches . Il se désintègre en donnant du plomb (Pb) .
Le Cesium137 Cs55137 a une demi-vie de 30ans.
Existe-t-il à l'état naturel ?
On peut dater au Cs55137 sur des durées de quel
ordre ? Et pour le C614 ?
http://fr.wikipedia.org/wiki/Rayonnement_ionisant
http://fr.wikipedia.org/wiki/Nucl%C3%A9ide Les radionucléides NATURELS sont ceux dont la demi-vie (ou celle d'un précurseur) est au moins aussi longue que l'âge de la Terre (4,6×109 années), autrement ils auraient déjà « disparu » depuis la formation de laTerre. Par exemple, l'isotope d'uranium le plus répandu, 238U, a une demi-vie de 4,5×109 années, et le radium 226Ra qui n'a qu'une demi-vie de 1609 années est naturellement présent en tant que descendant de l'uranium-238 .
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4.2. EFFET DE SERRE http://www.picstopin.com/1206/le-rayonnement-solaire-global-somme-du-direct-et-diffus-/http:||e-cours*univ-paris1*fr|modules|uved|envcal|html|vegetation|veget
ation|ressources|images|productiviteb*png/
Le rayonnement solaire absorbé partiellement par le sol, le réchauffe . • Le sol échauffé réémet une partie de cette chaleur en rayonnement thermique Infra-Rouge (IR).
La terre se refroidit ainsi. • Des gaz, vapeur d'eau, CO2, Méthane (CH4) ,.... absorbent le rayonnement IR et le diffusent .
La terre est ainsi réchauffée . Les nuits nuageuses sont douces. • Il y a donc un équilibre entre le refroidissement et le réchauffement pour maintenir une
température moyenne de la terre autour de 15 °C. • Si l'on modifie la proportion de gaz à effet de serre (CO2 produit par les combustions
humaines...), cet équilibre est rompu . • Actuellement la terre se réchauffe en grande partie par augmentation du taux de CO2 rejeté par
les activités humaines. (Voir études du GIEC :groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat)
http://www.les-crises.fr/climat-1-gaz-a-effet-de-serre/ http://www.youtube.com/watch?v=gZ1KerGbZRs Effet Serre 5'13'' à 6'39''
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EFFET DE SERRE (suite)Sans l'effet de serre, la terre aurait une température moyenne de -18°C.
Avec l'effet de serre naturel, la surface de la terre a une température moyenne de 15°C.
En augmentant la proportion et la nature des Gaz à effet de serre (GES) , on provoque une augmentation du réchauffement par effet de serre.
Cette augmentation, provoque en cascade d'autres évènements mal connus actuellement .
Cependant certains mécanismes provoquent un déséquilibre de la régulation naturelle de la température terrestre.
Par exemple, le réchauffement induit, par évaporation , une augmentation de la vapeur d'eau dans l'atmosphère. Ce gaz étant lui même un GES, contribue donc encore au réchauffement. Il produit donc un « effet boule de neige » .
http://www.les-crises.fr/climat-1-gaz-a-effet-de-serre/#!prettyPhoto
N:Bleu ; Cl:Vert ; F:Jaune ; O : rouge ; H:blanc ; C:noir ;
LES ''GES'' NATURELS
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ISOTOPES ET SYMBOLES
Les isotopes ont mêmes propriétés chimiques, mais des masses différentes .
On concentre l'uranium en une poudre grossièreyellowcake, concentré sous la forme d'octaoxyde detriuranium U3O8. Dans les échanges boursiers cette
matière première est aussi nommée U308.
http://fr.wikipedia.org/wiki/Enrichissement_de_l%27uranium
L'enrichissement de l’uranium est le procédé consistant à augmenter la proportion d'isotope fissile dans l’uranium. L'opération la plus commune est l'enrichissement de l'uranium naturel en son isotope 235. Par extension, l'enrichissement est aussi la teneur en matière fissile.
Centrifugation :
Il existe plusieurs méthodes d’enrichissement. Toutes reposent sur la légère différence de masse entre uranium 235 et 238, à l'exception de la séparation par laser qui exploite les différences de spectre électromagnétique. Toutes également nécessitent la mobilité des atomes individuels, donc l'utilisation d'uranium sous forme de vapeur, de gaz d'hexafluorured'uranium UF6 voire de liquide pour la diffusion
thermique.
Ce procédé consiste à utiliser des centrifugeuses tournant à très grande vitesse. Les molécules les plus lourdes (238UF6) se retrouvent projetées à la
périphérie, alors que les plus légères (235UF6) migrent
vers le milieu de la centrifugeuse.
Les centrifugeuses sont donc montées en cascades, le gaz passant de l'une à la suivante en augmentant progressivement sa teneur en (235UF6).
Centrifugeuse Zipp.
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CENTRALE NUCLÉAIREhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Centrale_nucl%C3%A9aire
Circuit de refroidissement semi-ouvertCe circuit assure le refroidissement du condenseur. L'eau de refroidissement est échangée directement avec la mer, un fleuve ou une rivière, par l'intermédiaire de pompes de circulation. Pour ces deux derniers cas, l'eau peut être refroidie par un courant d'air dans une tour aéroréfrigérante d'où une petite partie (environ 0,75 m3 s⋅ -1 soit 1,7 litre par kWh produit25) de l'eau s'évapore puis se condense sous forme du panache blanc de vapeur d'eau.
LE RENDEMENT THÉORIQUE des centrales nucléaires françaises actuelles est d'ENVIRON 33 %26. Les centrales électriques alimentées au fioul ou au charbon possèdent un rendement un peu supérieur (environ 40 %) car elles fonctionnent avec une température de vapeur plus élevée (moins de contraintes de sécurité).Avec de nouveaux générateurs de vapeur, la pression secondaire des nouveaux réacteurs EPR atteint quasiment80 bars ce qui, d'après ses promoteurs, représente la valeur conduisant au maximum de rendement pour un cycle à eau vapeur saturée soit sensiblement 36 % (cf EPR "Différences en termes de performances").Contrairement à certains autres pays, en France les réacteurs nucléaires électrogènes ne sont pas utilisés pour faire de la cogénération 27 ,28.
Selon CDC climat, l'arrêt pour trois mois des sept centrales nucléaires allemandes décidé au lendemain de l'accident nucléaire de Fukushima, aurait dû entraîner une augmentation de près de 13 % des émissions de CO2en Allemagne dans l'immédiat33. Pourtant, l'Allemagne n'a pas eu recours au charbon pour compenser l'arrêt de 8 de ses 17 réacteurs, en 2011, année plutôt douce34.Cependant, l'Allemagne, exportatrice d'électricité en 2009, est ainsi devenue importatrice de courant .
http://fr.wikipedia.org/wiki/Liste_des_r%C3%A9acteurs_nucl%C3%A9aires_en_FranceEn 2011, en France : 58 réacteurs nucléaires produisant de l'électricité dans 19 centrales nucléaires. Deux centrales sont en cours de démantèlement, 12 réacteurs électronucléaires sont définitivement arrêtés, et un réacteur est en construction(EPR Flamanville).
JAPON : 52 réacteurs sur 54 sont à l'arrêt(12/2012) depuis le tsunami de mars 2011, privant le pays de près de 30% de sa production électrique(955TWh)(France 460TWh).
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LA DÉPENDANCE À L'ÉNERGIE NUCLÉAIRE DANS LE MONDE Magasine La Recherche N°482 Déc 2013
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ANNEXE 1. DISTILLATION
Nommer chaque repère :
1.
2.
3.
4. Thermomètre de tête de colonne ou de front de vapeur .
5.
6.
7.
8.
http://tpearomes2010.e-monsite.com/pages/i-l-extraction-naturelle/2-methodes-d-extractions-naturelles.html
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http://www.operationcarbonelycee.org/index.php?rubrique=postes&page=elec-1 LA PRODUCTION D'ÉLECTRICITÉ D'ORIGINE NUCLÉAIRE OU HYDRAULIQUE NE
PROVOQUE PAS D'ÉMISSIONS DE GAZ À EFFET DE SERRE.
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LE DÉFI ÉNERGÉTIQUE Eclipse à Chéraute
ANNEXE_1. DATATION DES MILLÉSIMES DU VIN AU CESIUM 137 http://www.laradioactivite.com/fr/site/pages/datation_vin.htm
Depuis les essais nucléaires atmosphériques dans les années 1950, de grandes quantités de radionucléides artificiels issus de la fission de l’uranium ont été rejetés dans l’atmosphère. Aujourd’hui, il ne subsiste que ceux possédant une longue période tel que le césium-137 (Cs137) avec une demi-vie de 30 ans. Suite aux essais nucléaires, ce dernier s’est déposé au cours du temps de manière homogène sur toute la surface du globe et notamment sur les vignes.
Bouteille en cours de mesureBouteille d’un grand millésime de Bordeaux en cours d’analyse au-dessus d’un détecteur germanium bas bruit de fond entouré d’un blindage de plomb et de cuivre. CENBG
A droite, Variation de l'activité du Cs137 au cours du tempsCourbe de l’activité du Cs137 (mBq/L) des vins de Bordeaux en fonction de leurannée de production. Cette courbe est utilisée comme référence pour déterminer si un vin est authentique ou frauduleux. CENBG
Le grand avantage de cette technique est qu’elle est non destructive. En effet, le Cs137 émet un rayonnement gamma de 662 keV qui passe aisément à travers le verre de la bouteille pour être ensuite détecté.Mise en évidence d'un faux grand cruSpectre partiel enregistré pour une bouteille d’un grand cru du bordelais millésimée 1928. La présence de la raie gamma du 137Cs à 661 keV montre tout de suite qu’elle est fausse. La raie voisine à 665 keV provient du verre de la bouteille."
CENBGComment sait-on que ce grand cru est faux ?
Cet isotope radioactif du césium (Cs) est principalement produit dans les réacteurs nucléaires à partir de la fission des noyaux d’uranium 235 contenus dans les barres de combustible. La fission de ces noyaux crée des produits dits de fission secondaire comme le césium 137 au terme de réactions successives. Cs137 est un métal liquide en condition standard, Argenté . http://www.connaissancedesenergies.org/d-ou-vient-le-cesium-137
Avec le strontium 90, le césium 137 constitue le principal produit de fission à vie moyenne (demi-vie(1) de 30,2 ans). Il est intégré par les organismes, dans les couches supérieures du sol et par la végétation. Le césium 137 émet des rayonnements bêta et gamma.
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ANNEXE_2. Transport des combustibles : Oléoducs et gazoducs https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/8c/Oil_wells_and_refineries_France_map-fr.svg
http://www.geomondiale.fr/pipelines/france_belgium_pipelines.jpg
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