L’énergie et sa conservation - plandetudes.ch

S7-21 ÉNERGIE p.

FICHE DESYNTHÈSE7 ÉNERGIE

L’énergie et sa conservationL’énergie est difficile à définir. Malgré tout, on sait que :• l’énergie peut prendre des formes différentes, on dit qu’elle se transforme ;• l’énergie peut être transférée d’un objet à un autre ; • l’énergie peut être stockée ;• l’énergie est une quantité mesurable.

Elle est régie par un principe de conservation

« L’énergie n’est ni créée, ni détruite ». L’énergie ne peut être que transférée d’un dispositif à un autre ou changée de forme dans un dispositif.

Modes de transfertLe transfert de l’énergie d’un composant à un autre ou au milieu environnant peut se faire selon l’un des quatre modes suivants : • transfert mécanique, noté TRméca

• transfert électrique, noté TRélec

• transfert thermique, noté TRtherm

• transfert par rayonnement de lumière, noté TRray

UN PEU D’HISTOIREC’est au 18e siècle que fut développée la machine à vapeur qui transforme la chaleur (énergie thermique) en travail (énergie mécanique).En 1765, James Watt améliore le système et dépose un brevet pour produire ses machines en quantité. Dès lors, la question de la transformation de différentes formes d’énergie et de leur équivalence sera un sujet d’étude et d’expérimentation.James Prescott Joule travaillera à trouver une équivalence entre l’énergie mécanique (mesurée en Joule) et la chaleur (mesurée à l’époque en calorie). Grâce à ses expérimentations, il obtiendra en 1845, le premier équivalent mécanique de la chaleur, soit 4,41 joules qui équivaut à une calorie (la valeur officielle est actuellement : 4,18 joules pour une calorie).C’est à cette période qu’il établira avec d’autres physiciens le premier principe de la thermodynamique : la conservation de l’énergie.

Toutes les formes d’énergie (mécanique, électrique, chimique,…) peuvent se transformer les unes dans les autres,

mais l’énergie totale reste constante.En 1905, Albert Einstein apportera la dernière pierre à l’édifice en montrant que la masse elle-même peut être considérée comme équivalente à de l’énergie :

E = m . c2

James Prescott Joule

L’appareil qui a permis à Joule de mesurer l’équivalent mécanique

de la chaleur

Pour aller plus loin...

S7-22 ÉNERGIE p.


Comment reconnaître les modes de transfert de l’énergie ?On identifie les modes de transfert en observant ce qui se manifeste lors du transfert de l’énergie entre deux composants.

Ce qui se manifeste lors du transfert d'énergie entre les deux composants

Mode du transfert de l’énergie entre les deux composants

Mouvement résultant des forces exercées par l’un des composants sur l’autre

➡Transfert mécanique

(TRméca)Exemple : mouvement d’une hélice sous l’effet du vent

Manifestations d’un courant électrique

➡Transfert électrique

(TRélec)Exemple : moteur électrique en fonctionnement

Augmentation de la température de l’un des composants (ou du milieu environnant) par contact direct

➡Transfert thermique

(TRtherm)Exemple : cuillère chauffée par un thé chaud

Manifestations lumineuses

➡Transfert par

rayonnement de lumière (TRray)

Exemple : émission de lumière par un écran d’ordinateur

Dans la vie quotidienne, on utilise le terme « chauffer » pour désigner plusieurs types de transfert de l’énergie. «Chauffer» peut avoir lieu :

- par conduction, c’est-à-dire par propagation de l’agitation moléculaire entre deux corps en contact (ou deux parties d’un corps) à températures différentes. Exemple : le manche d’une cuillère devient chaud lorsqu’elle est plongée dans de l’eau chaude ;

- par convection, c’est-à-dire par le mouvement d’un fluide entre une région chaude et une région froide (sous l’effet d’une différence de masse volumique de ce fluide). Exemple : l’air chaud qui monte au-dessus d’un radiateur ;

- par rayonnement de lumière (en particulier, rayonnement infrarouge), c’est-à-dire par chauffage à distance sans nécessité d’un milieu matériel intermédiaire. Exemple : les rayons du soleil qui nous réchauffent.


S7-23 ÉNERGIE p.


Comment modéliser les transferts d’énergie d’un dispositif ?

Qu’est-ce qu’un modèle? Voir la définition dans l’aide-mémoire

Diagramme de fonctionnement On peut modéliser un dispositif par un diagramme en indiquant la fonction de chacun de ses composants vis-à-vis du composant suivant. Un composant du dispositif est représenté par un cercle avec son nom inscrit à l’intérieur.La fonction d’un composant sur un autre composant est désignée au moyen d’un verbe d’action qu’on écrit à côté d’une flèche qui relie les deux composants. Les verbes d’action suivants sont utilisés :

Très souvent, il y a des « fuites » d’énergie tout au long du dispositif, essentiellement sous forme de chaleur. Pour en rendre compte, on complète le diagramme de fonctionnement de la façon suivante :On désigne par le terme « milieu environnant », le voisinage du dispositif affecté par son fonctionnement.

Diagramme d’énergieComme la fonction de chaque composant d’un dispositif correspond à l’un des quatre modes de transfert de l’énergie, on peut remplacer le nom de chaque fonction par le nom du transfert d’énergie correspondant :• fait avancer, tourner,

monter, déforme, entraîne • alimente TRélec • chauffe TRtherm et TRray

• éclaire TRray Dans le cadre de ce modèle, les « fuites » évoquées précédemment sont interprétées

par des transferts inutiles d’énergie vers le milieu environnant. Les autres actions sont interprétées, elles, en termes de transferts utiles d’énergie.

L’énergie n’étant jamais perdue, il est plus pertinent de parler de fuites d’énergie que de pertes.

Nom du composant

Verbe d'action

Nom du composant

Verbe d'action

Nom du composant

Nom du composant

chauffe chauffe

Milieu environnant

fait tourner éclaire Gaz qui

brûle (réactifs et

produits)

Alterna-teur

chauffe Lampe

alimente

Turbine entraîne Milieu

environ-nant

Marmite à vapeur

chauffe Eau (liquide+vapeur)

éclaire

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tourner alimente entraîne

Marmite à vapeur

chauffe

chauffe chauffe chauffe éclaire chauffe

Turbine Eau

(liquide + vapeur)

Lampe Alterna-

teur

Gaz qui brûle

(réactifs et produits)

Milieu environnant

Eau (liquide + vapeur)

Alterna-teur

Lampe TRélec

3

Turbine Marmite à vapeur

TRméca

TRméca

TRtherm

TRtherm

TRtherm TRtherm

TRtherm

TRtherm

TRray

Gaz qui brûle


Milieu environnant

TRray

TRélec

TRméca

TRtherm

TRtherm

TRtherm

TRtherm

TRtherm

TRtherm

Eau (liquide + vapeur) relais

TRray

Marmite à vapeur

relais

TRméca

Alterna-teur

relais

Lampe relais

Milieu environnant réservoir

3

Turbine relais

Gaz qui brûle

réservoir

Nom du composant

Verbe d'action

Nom du composant

Verbe d'action

Nom du composant

Nom du composant

chauffe chauffe

Milieu environnant



produits)

Alterna-teur

chauffe Lampe

alimente


environ-nant

Marmite à vapeur


éclaire

chauffe fait


Marmite à vapeur

chauffe


Turbine Eau

(liquide + vapeur)

Lampe Alterna-

teur

Gaz qui brûle


Milieu environnant


Alterna-teur

Lampe TRélec

3


TRméca

TRméca

TRtherm

TRtherm

TRtherm TRtherm

TRtherm

TRtherm

TRray

Gaz qui brûle


Milieu environnant

TRray

TRélec

TRméca

TRtherm

TRtherm

TRtherm

TRtherm

TRtherm

TRtherm


TRray

Marmite à vapeur

relais

TRméca

Alterna-teur

relais

Lampe relais


3

Turbine relais

Gaz qui brûle

réservoir

TR … Nom du

composant Nom du

composant

TR …

TR …

Milieu environnant

entraîne fait avancer fait tourner fait monter déforme chauffe alimente éclaire

Etape 1

Etape 2

Etape 3

S7-24 ÉNERGIE p.


Un exemple de dispositif: la centrale thermique Il est possible de faire briller une lampe en brûlant un gaz combustible :

Centrale à gaz de laboratoire et schéma d’un élève

En brûlant le gaz dans l’air, on chauffe la marmite à vapeur et l’eau qu’elle contient. Lorsque l’eau bout, elle se vaporise progressivement. On utilise cette vapeur pour faire tourner une turbine qui entraîne un alternateur et alimente électriquement la lampe.

Schéma d’une centrale à gaz

� euve

condenseur

vapeur

TURBINE

ALTERNATEUR

transformateur

combustible : gaz naturel, charbon, � oul

chaudière

S7-25 ÉNERGIE p.


Modéliser le dispositif de la centrale thermique

Diagramme de fonctionnement

Etape 1

Nom du composant

Verbe d'action

Nom du composant

Verbe d'action

Nom du composant

Nom du composant

chauffe chauffe

Milieu environnant



produits)

Alterna-teur

chauffe Lampe

alimente


environ-nant

Marmite à vapeur


éclaire

chauffe fait


Marmite à vapeur

chauffe


Turbine Eau

(liquide + vapeur)

Lampe Alterna-

teur

Gaz qui brûle


Milieu environnant


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3


TRméca

TRméca

TRtherm

TRtherm

TRtherm TRtherm

TRtherm

TRtherm

TRray

Gaz qui brûle


Milieu environnant

TRray

TRélec

TRméca

TRtherm

TRtherm

TRtherm

TRtherm

TRtherm

TRtherm


TRray

Marmite à vapeur

relais

TRméca

Alterna-teur

relais

Lampe relais


3

Turbine relais

Gaz qui brûle

réservoir

Ce dispositif est très peu efficace : il chauffe le milieu environnant plus qu’il ne l’éclaire et la flamme du brûleur éclaire davantage que la lampe qu’il fait fonctionner. Cela s’explique par des « fuites » d’énergie, essentiellement sous forme d’énergie thermique, tout au long du dispositif. Pour en rendre compte, on complète le diagramme de fonctionnement de la façon suivante :Etape 2

Nom du composant

Verbe d'action

Nom du composant

Verbe d'action

Nom du composant

Nom du composant

chauffe chauffe

Milieu environnant



produits)

Alterna-teur

chauffe Lampe

alimente


environ-nant

Marmite à vapeur


éclaire

chauffe fait


Marmite à vapeur

chauffe


Turbine Eau

(liquide + vapeur)

Lampe Alterna-

teur

Gaz qui brûle


Milieu environnant


Alterna-teur

Lampe TRélec

3


TRméca

TRméca

TRtherm

TRtherm

TRtherm TRtherm

TRtherm

TRtherm

TRray

Gaz qui brûle


Milieu environnant

TRray

TRélec

TRméca

TRtherm

TRtherm

TRtherm

TRtherm

TRtherm

TRtherm


TRray

Marmite à vapeur

relais

TRméca

Alterna-teur

relais

Lampe relais


3

Turbine relais

Gaz qui brûle

réservoir

Diagramme d’énergieEn remplaçant les verbes par les noms des transferts, on obtient le diagramme d’énergie :Etape 3

Nom du composant

Verbe d'action

Nom du composant

Verbe d'action

Nom du composant

Nom du composant

chauffe chauffe

Milieu environnant



produits)

Alterna-teur

chauffe Lampe

alimente


environ-nant

Marmite à vapeur


éclaire

chauffe fait


Marmite à vapeur

chauffe


Turbine Eau

(liquide + vapeur)

Lampe Alterna-

teur

Gaz qui brûle


Milieu environnant


Alterna-teur

Lampe TRélec

3


TRméca

TRméca

TRtherm

TRtherm

TRtherm TRtherm

TRtherm

TRtherm

TRray

Gaz qui brûle


Milieu environnant

TRray

TRélec

TRméca

TRtherm

TRtherm

TRtherm

TRtherm

TRtherm

TRtherm


TRray

Marmite à vapeur

relais

TRméca

Alterna-teur

relais

Lampe relais


3

Turbine relais

Gaz qui brûle

réservoir

S7-26 ÉNERGIE p.


Réservoir et relaisLa fonction de réservoir est attribuée aux composants qui stockent ou déstockent de l’énergie de telle sorte que l’énergie qu’ils contiennent varie au cours du temps. La fonction de relais est attribuée aux composants dont l’énergie contenue ne varie pas en régime permanent (elle a été stockée dans le dispositif lors de la mise en marche ; elle sera déstockée lors de son arrêt). Le rôle d’un relais est d’assurer les transferts d’énergie dans le dispositif en cédant, au fur et à mesure, toute l’énergie qu’il reçoit. Exemple de la centrale thermique :

TRélec

TRméca

TRtherm

TRtherm

TRtherm

TRtherm

TRtherm

TRtherm


TRray

Marmite à vapeur

relais

TRméca

Alterna-teur

relais

Lampe relais


3 Turbine

relais

Gaz qui brûle

réservoir

TRray

Comment choisir les éléments pertinents d’un diagramme d’énergie ?Pour modéliser le fonctionnement d’un dispositif par un diagramme d’énergie, on dispose d’une certaine liberté de choix au niveau des composants et de leurs regroupements éventuels. Un composant n’est probablement pas pertinent : • si la quantité d’énergie qu’il contient est minime ; • si, de plus, les modes de transfert de l’énergie à l’entrée et à la sortie sont

identiques ;• si les fuites qu’il occasionne dans le milieu environnant sont négligeables.Il est souvent pertinent de réunir plusieurs composants du dispositif en un seul élément de la chaîne pour pouvoir l’analyser le plus simplement possible.

Exemple Le dispositif qui permet à la prise électrique de transférer de l’énergie à un appareil électrique est modélisé par le diagramme suivant :

Secteur

1) Barrage 2) Eolienne 3) Centrale nucléaire

Turbine TRméca

TRélec

1) Eau

2) Vent 3) Uranium 4) …

Réseau de distribution (dont la prise

fait partie)

Alternateur TRméca TRélec

TRtherm

Fission des

atomes d’uranium

TRtherm TRméca

Eau

TRméca

TRtherm

TRélec

TRtherm

Réseau

Milieu environnant

Turbine

Alterna-

teur

Soleil Réseaux domesti-que et

publique

TRray

Panneau photovol-

taïque

TRélec

TRtherm TRtherm

Milieu environnant

TRtherm

TRtherm

Eau dans le ballon

de stockage

Panneau solaire

thermique

TRtherm

TRtherm TRtherm TRtherm

Soleil Fluide dans le circuit

primaire

Milieu environnant

TRméca TRméca Alterna-

teur Les

pales de l’hélice

TRméca

TRtherm

Masse d’air en mouve-ment

Multipli-cateur

Milieu environnant

TRtherm

TRtherm

Combus-tion du

combus-tible

TRtherm TRméca

Eau

TRméca

TRtherm

TRélec

TRtherm

Réseau

Milieu environnant

Turbine

Alterna-

teur

On désigne par le terme « secteur » les quatre éléments de cette chaîne et on modélise le secteur de la manière suivante :

Secteur

1) Barrage 2) Eolienne 3) Centrale nucléaire

Turbine TRméca

TRélec

1) Eau

2) Vent 3) Uranium 4) …

Réseau de distribution (dont la prise

fait partie)

Alternateur TRméca TRélec

TRtherm

Fission des

atomes d’uranium

TRtherm TRméca

Eau

TRméca

TRtherm

TRélec

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Réseau

Milieu environnant

Turbine

Alterna-

teur

Soleil Réseaux domesti-que et

publique

TRray

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TRtherm TRtherm

Milieu environnant

TRtherm

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Eau dans le ballon

de stockage

Panneau solaire

thermique

TRtherm

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Soleil Fluide dans le circuit

primaire

Milieu environnant

TRméca TRméca Alterna-

teur Les

pales de l’hélice

TRméca

TRtherm

Masse d’air en mouve-ment

Multipli-cateur

Milieu environnant

TRtherm

TRtherm

Combus-tion du

combus-tible

TRtherm TRméca

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TRélec

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Réseau

Milieu environnant

Turbine

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teur

S7-27 ÉNERGIE p.


Les différentes sources d’énergie

Le rayonnement solaire

La s

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S7-28 ÉNERGIE p.


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Cette

eau

est

vapo

risée

et s

e re

froidi

t en

s’élev

ant d

ans

la tou

r (pa

nach

e bla

nc à

la s

ortie

de

la tou

r). P

our c

ompe

nser

ce

tte pe

rte, d

e l’ea

u est

pomp

ée da

ns un

e rivi

ère p

roch

e.

Diag

ram

me d

’éner

gie d

’une c

entra

le nu

cléair

e :

TRra

y

TR

ther

m

Eau

dan

s le

bal

lon

de

stoc

kage

Pan

neau

so

laire

th

erm

ique

T

Rth

erm

TRth

erm

TR

ther

m

TRth

erm

Sol

eil

Flu

ide

dans

le

circ

uit

prim

aire

Mili

eu e

nviro

nnan

t

Sol

eil

Rés

eaux

do

mes

ti-qu

e et

pu

bliq

ue

TR

ray

P

anne

au

phot

ovol

-ta

ïque

T

Rél

ec TR

ther

m

TRth

erm

Mili

eu e

nviro

nnan

t

TRth

erm

Fiss

ion

des

atom

es

d’ur

aniu

m

TR

ther

m

TRm

éca

Ea

u TR

méc

a

T

Rth

erm

TRél

ec

TRth

erm

R

ésea

u

Mili

eu e

nviro

nnan

t

Tu

rbin

e

Al

tern

a-te

ur

TRm

éca

TRm

éca

Al

tern

a -te

ur

Les

pale

s de

l’h

élic

e

T

Rm

éca TR

ther

m

Mas

se

d’ai

r en

mou

ve-

men

t

Mul

tipli-

cate

ur

M

ilieu

env

ironn

ant

TRth

erm

TRth

erm

Com

bus-

tion

du

com

bus-

tible

TR

ther

m

TRm

éca

Ea

u TR

méc

a

T

Rth

erm

TRél

ec

TRth

erm

R

ésea

u

Mili

eu e

nviro

nnan

t

Tu

rbin

e

Al

tern

a-te

ur

TRth

erm

Com

bus-

tion

de la

bi

omas

se

TR

ther

m

TRm

éca

Ea

u TR

méc

a

T

Rth

erm

TRél

ec

TRth

erm

R

ésea

u

M

ilieu

env

ironn

ant

Tu

rbin

e

Al

tern

a-te

ur

Leibs

tadt (

Argo

vie)

Phén

omèn

es

expl

oité

sÉ

chau

ffem

ent

du c

ombu

stib

le

nucl

éaire

résu

ltant

de

la fi

ssi

on c

ontrô

lée

des

noya

ux d

es

atom

es d

’ura

nium

qu

’il c

ontie

nt e

n vu

e de

la p

rodu

ctio

n d’

un

cour

ant é

lect

rique

. S

uite

à c

ette

fi s

sion

de

nou

veau

x at

omes

app

arai

ssen

t do

nt c

erta

ins

sont

radi

oact

ifs e

t co

nstit

uent

des

dé

chet

s ra

dioa

ctifs

.

Réac

teur

à Ea

u Pr

essu

risée

(REP

)Nu

age

Air

hum

ide

Tour

dere

froisi

ssem

ent

Trans

form

ateu

r

Alte

rnat

eur

Cond

ense

ur

Pres

suris

eur

Com

busti

ble

Cuve

Réac

teur

Géné

rate

ur de

va

peur

Ence

inte d

e co

n� n

emen

t

Barre

s de

cont

rôle

Eau à

l’éta

t liqu

ide

Fleuv

e ou m

erCir

cuit

de re

froidi

ssem

ent

Pom

pe

Turb

ine

Le combustible nucléaire

S7-29 ÉNERGIE p.


Le vent

La s

ourc

e d’

éner

gie

(phé

nom

ène

natu

rel

asso

cié

à la

sou

rce

d’én

ergi

e) e

st :

LE V

ENT

Dép

lace

men

t de

mas

ses

d’ai

r ré

sulta

nt d

u ra

yonn

emen

t sol

aire

.

Cet

te s

ourc

e es

t re

nouv

elab

le

Car s

on re

nouv

ellem

ent

natur

el pe

ut av

oir lie

u sur

la

duré

e d’un

e vie

huma

ine.

Inst

alla

tions

et t

echn

ique

s d’

expl

oita

tion

Eolie

nne

Le ve

nt fai

t tour

ner l’

hélic

e qui

entra

îne un

alter

nateu

r qui

prod

uit de

l’élec

tricité

.

Diag

ram

me d

’éner

gie d

’une é

olien

ne :

�ls

élec

triq

ues

tran

sfor

mat

eur

hélic

e

éolienne

alte

rnat

eur

ligne

sél

ectr

ique

s

TRra

y

TR

ther

m

Eau

dan

s le

bal

lon

de

stoc

kage

Pan

neau

so

laire

th

erm

ique

T

Rth

erm

TRth

erm

TR

ther

m

TRth

erm

Sol

eil

Flu

ide

dans

le

circ

uit

prim

aire

Mili

eu e

nviro

nnan

t

Sol

eil

Rés

eaux

do

mes

ti-qu

e et

pu

bliq

ue

TR

ray

P

anne

au

phot

ovol

-ta

ïque

T

Rél

ec TR

ther

m

TRth

erm

Mili

eu e

nviro

nnan

t

TRth

erm

Fiss

ion

des

atom

es

d’ur

aniu

m

TR

ther

m

TRm

éca

Ea

u TR

méc

a

T

Rth

erm

TRél

ec

TRth

erm

R

ésea

u

Mili

eu e

nviro

nnan

t

Tu

rbin

e

Al

tern

a-te

ur

TRm

éca

TRm

éca

Al

tern

a -te

ur

Les

pale

s de

l’h

élic

e

T

Rm

éca TR

ther

m

Mas

se

d’ai

r en

mou

ve-

men

t

Mul

tipli-

cate

ur

M

ilieu

env

ironn

ant

TRth

erm

TRth

erm

Com

bus-

tion

du

com

bus-

tible

TR

ther

m

TRm

éca

Ea

u TR

méc

a

T

Rth

erm

TRél

ec

TRth

erm

R

ésea

u

Mili

eu e

nviro

nnan

t

Tu

rbin

e

Al

tern

a-te

ur

TRth

erm

Com

bus-

tion

de la

bi

omas

se

TR

ther

m

TRm

éca

Ea

u TR

méc

a

T

Rth

erm

TRél

ec

TRth

erm

R

ésea

u

M

ilieu

env

ironn

ant

Tu

rbin

e

Al

tern

a-te

ur

Phén

omèn

es

expl

oité

sR

otat

ion

d’un

e hé

lice

soum

ise

à l’a

ctio

n d’

air e

n m

ouve

men

t en

vue

de la

pro

duct

ion

d’un

co

uran

t éle

ctriq

ue

S7-30 ÉNERGIE p.


Le combustible fossile

La s

ourc

e d’

éner

gie

(phé

nom

ène

natu

rel

asso

cié

à la

sou

rce

d’én

ergi

e) e

st :

LE C

OM

BU

STIB

LE

FOSS

ILE

Com

bust

ible

form

é su

r une

éch

elle

de

tem

ps tr

ès lo

ngue

(p

lusi

eurs

mill

ions

d’

anné

es) r

ésul

tant

de

la tr

ansf

orm

atio

n d’

orga

nism

es

végé

taux

et a

nim

aux

enfo

uis.

Cet

te s

ourc

e es

t no

n re

nouv

elab

le

Car s

on re

nouv

ellem

ent

natur

el ne

peut

avoir

lieu s

ur la

du

rée d

’une v

ie hu

maine

.

Inst

alla

tions

et t

echn

ique

s d’

expl

oita

tion

Cen

tral

e th

erm

ique

à c

ombu

stib

le fo

ssile

Le

comb

ustib

le es

t br

ûlé

et l’e

au d

e la

chau

dière

se

vapo

rise.

La va

peur

d’ea

u sou

s pr

essio

n fait

tour

ner u

ne tu

rbine

qu

i en

traîne

un

alt

erna

teur

qui

prod

uit

de

l’élec

tricité

. Un

circ

uit d

e re

froidi

ssem

ent

peut

être

mis

en

march

e lor

squ’i

l es

t né

cess

aire

de

refro

idir

la ch

audiè

re

(pou

r co

ntrôle

r sa

tem

péra

ture)

.Mo

teur

de v

éhicu

les

Dans

le ca

s de l

a pro

pulsi

on de

véhic

ules,

on

brûle

de

l’e

ssen

ce

(par

ex

emple

) da

ns

un

moteu

r à

explo

sion.

L’exp

losion

me

t en

mouv

emen

t les

pist

ons

qui e

ntraîn

ent u

n ax

e en

rotat

ion e

t per

met d

e fai

re to

urne

r les

roue

s.

Diag

ram

me d

’éner

gie d

’une c

entra

le fon

ction

nant

avec

une é

nerg

ie fos

sile :

� euve

cond

ense

ur

vape

ur

TURB

INE

ALT

ERNA

TEUR

trans

form

ateu

r

com

busti

ble : g

az

natu

rel, c

harb

on, �

oul

chau

dière

TRra

y

TR

ther

m

Eau

dan

s le

bal

lon

de

stoc

kage

Pan

neau

so

laire

th

erm

ique

T

Rth

erm

TRth

erm

TR

ther

m

TRth

erm

Sol

eil

Flu

ide

dans

le

circ

uit

prim

aire

Mili

eu e

nviro

nnan

t

Sol

eil

Rés

eaux

do

mes

ti-qu

e et

pu

bliq

ue

TR

ray

P

anne

au

phot

ovol

-ta

ïque

T

Rél

ec TR

ther

m

TRth

erm

Mili

eu e

nviro

nnan

t

TRth

erm

Fiss

ion

des

atom

es

d’ur

aniu

m

TR

ther

m

TRm

éca

Ea

u TR

méc

a

T

Rth

erm

TRél

ec

TRth

erm

R

ésea

u

Mili

eu e

nviro

nnan

t

Tu

rbin

e

Al

tern

a-te

ur

TRm

éca

TRm

éca

Al

tern

a -te

ur

Les

pale

s de

l’h

élic

e

T

Rm

éca TR

ther

m

Mas

se

d’ai

r en

mou

ve-

men

t

Mul

tipli-

cate

ur

M

ilieu

env

ironn

ant

TRth

erm

TRth

erm

Com

bus-

tion

du

com

bus-

tible

TR

ther

m

TRm

éca

Ea

u TR

méc

a

T

Rth

erm

TRél

ec

TRth

erm

R

ésea

u

Mili

eu e

nviro

nnan

t

Tu

rbin

e

Al

tern

a-te

ur

TRth

erm

Com

bus-

tion

de la

bi

omas

se

TR

ther

m

TRm

éca

Ea

u TR

méc

a

T

Rth

erm

TRél

ec

TRth

erm

R

ésea

u

M

ilieu

env

ironn

ant

Tu

rbin

e

Al

tern

a-te

ur

Phén

omèn

es

expl

oité

sC

ombu

stio

n de

pé

trole

, gaz

nat

urel

, ch

arbo

n, o

u de

s pr

odui

ts d

e le

ur

raffi

nage

(car

bura

nts,

fio

ul…

) en

vue

de

la p

rodu

ctio

n de

co

uran

t éle

ctriq

ue,

du c

hauf

fage

de

bâtim

ents

ou

de

la p

ropu

lsio

n de

vé

hicu

les.

S7-31 ÉNERGIE p.


La biomasse

La s

ourc

e d’

éner

gie

(phé

nom

ène

natu

rel

asso

cié

à la

sou

rce

d’én

ergi

e) e

st :

LA B

IOM

ASS

EM

atiè

re v

égét

ale

com

bust

ible

fo

rmée

grâ

ce a

u ra

yonn

emen

t sol

aire

(p

hoto

synt

hèse

), ou

ani

mal

e (m

étab

olis

me)

, su

r une

éch

elle

de

tem

ps c

ourte

: éc

helle

de

la v

ie

hum

aine

. C

ette

sou

rce

est

reno

uvel

able

Car s

on re

nouv

ellem

ent

natur

el pe

ut av

oir lie

u sur

la

duré

e d’un

e vie

huma

ine.

Inst

alla

tions

et t

echn

ique

s d’

expl

oita

tion

Sous

l’effe

t du

solei

l, la

matiè

re v

égéta

le se

dév

elopp

e en

pre

nant

du C

O 2 d

ans

l’air

et de

s ma

tière

s mi

néra

les et

de l’e

au da

ns le

sol.

Cent

rale

ther

miq

ue d

e bio

mas

se

La b

iomas

se e

st br

ûlée

dans

une

insta

llatio

n sim

ilaire

à c

elle

utilis

ée p

our l

es c

ombu

stible

s fos

siles

lorsq

u’on

désir

e pr

oduir

e de

l’élec

tricité

(la

cha

leur p

rodu

ite e

st ég

aleme

nt uti

lisée

pou

r du

cha

uffag

e à

distan

ce o

u po

ur u

ne u

tilisa

tion

indus

trielle

sur p

lace)

. Ch

audi

ère

à bo

is (b

ûche

, pell

ets,

plaq

uette

s)

Pour

cha

uffer

les

bâtim

ents,

la b

iomas

se e

st br

ûlée p

our c

hauff

er de

l’eau

qui c

ircule

(grâ

ce à

une

pomp

e) d

ans l

es ra

diateu

rs ou

le ch

auffa

ge

au so

l des

bâtim

ents.

Mote

ur d

e véh

icules

Da

ns le

cas d

e la p

ropu

lsion

de vé

hicule

s, on

brûle

l’étha

nol (p

ar ex

emple

) dan

s un m

oteur

à ex

plosio

n. L’e

xplos

ion m

et en

mou

veme

nt les

pist

ons q

ui en

traîne

nt un

axe

en

rotat

ion e

t per

met d

e fai

re to

urne

r les

roue

s.Di

agra

mm

e d’én

ergi

e d’un

e cen

trale

therm

ique f

oncti

onna

nt av

ec de

la bi

omas

se :

TRra

y

TR

ther

m

Eau

dan

s le

bal

lon

de

stoc

kage

Pan

neau

so

laire

th

erm

ique

T

Rth

erm

TRth

erm

TR

ther

m

TRth

erm

Sol

eil

Flu

ide

dans

le

circ

uit

prim

aire

Mili

eu e

nviro

nnan

t

Sol

eil

Rés

eaux

do

mes

ti-qu

e et

pu

bliq

ue

TR

ray

P

anne

au

phot

ovol

-ta

ïque

T

Rél

ec TR

ther

m

TRth

erm

Mili

eu e

nviro

nnan

t

TRth

erm

Fiss

ion

des

atom

es

d’ur

aniu

m

TR

ther

m

TRm

éca

Ea

u TR

méc

a

T

Rth

erm

TRél

ec

TRth

erm

R

ésea

u

Mili

eu e

nviro

nnan

t

Tu

rbin

e

Al

tern

a-te

ur

TRm

éca

TRm

éca

Al

tern

a -te

ur

Les

pale

s de

l’h

élic

e

T

Rm

éca TR

ther

m

Mas

se

d’ai

r en

mou

ve-

men

t

Mul

tipli-

cate

ur

M

ilieu

env

ironn

ant

TRth

erm

TRth

erm

Com

bus-

tion

du

com

bus-

tible

TR

ther

m

TRm

éca

Ea

u TR

méc

a

T

Rth

erm

TRél

ec

TRth

erm

R

ésea

u

Mili

eu e

nviro

nnan

t

Tu

rbin

e

Al

tern

a-te

ur

TRth

erm

Com

bus-

tion

de la

bi

omas

se

TR

ther

m

TRm

éca

Ea

u TR

méc

a

T

Rth

erm

TRél

ec

TRth

erm

R

ésea

u

M

ilieu

env

ironn

ant

Tu

rbin

e

Al

tern

a-te

ur

Ph

énom

ènes

ex

ploi

tés

Com

bust

ion

de la

bi

omas

se (b

ois)

ou

des

pro

duits

de

sa tr

ansf

orm

atio

n (é

than

ol, m

étha

ne,..

.) en

vue

de

la

prod

uctio

n de

co

uran

t éle

ctriq

ue,

du c

hauf

fage

de

bâtim

ents

ou

de

la p

ropu

lsio

n de

vé

hicu

les

Cend

res

Mat

ières

m

inéra

les

Pluies

Lum

ière

solai

re

S7-32 ÉNERGIE p.


L’énergie hydraulique La

sou

rce

d’én

ergi

e (p

héno

mèn

e na

ture

l as

soci

é à

la s

ourc

e d’

éner

gie)

est

:

L’ÉN

ERG

IE

HYD

RA

ULI

QU

E (B

AR

RA

GE)

Mou

vem

ent d

e l’e

au

dans

les

riviè

res

ou

dans

les

cond

uite

s fo

rcée

s.Le

rayo

nnem

ent

sola

ire p

erm

et à

l’e

au d

e re

mon

ter

au s

omm

et d

es

mon

tagn

es

(cyc

le d

e l’e

au).

Cet

te s

ourc

e es

t re

nouv

elab

le

Car s

on re

nouv

ellem

ent

natur

el pe

ut av

oir lie

u sur

la

duré

e d’un

e vie

huma

ine.

Inst

alla

tions

et t

echn

ique

s d’

expl

oita

tion

Phén

omèn

es

expl

oité

sC

hute

d’e

au

expl

oité

e en

vue

de

la p

rodu

ctio

n de

co

uran

t éle

ctriq

ue.

barra

gelac

de re

tenu

e

cond

uite f

orcé

e

ligne

à ha

ute t

ensio

n

trans

form

ateu

r

cana

l de f

uite

ALTE

RNAT

EUR

TURB

INE

Barra

ge h

ydro

élect

rique

Le b

arra

ge r

etien

t l’ea

u de

plui

e et

de fo

nte d

es g

lacier

s. Po

ur p

rodu

ire

de l’é

lectric

ité, o

n lai

sse

circu

ler l’e

au

dans

la c

ondu

ite fo

rcée

qui,

une

fois

desc

endu

e de

plus

ieurs

centa

ines d

e mè

tres,

fait t

ourn

er u

ne tu

rbine

qui

entra

îne u

n alt

erna

teur e

t pro

duit

de

l’élec

tricité

.

Cent

rale

hydr

oélec

triqu

e au fi

l de l

’eau

Dans

ce ty

pe de

centr

ale, c

’est le

cour

ant

de la

rivièr

e qui

fait to

urne

r la tu

rbine

.

Diag

ram

me d

’éner

gie d

’une c

entra

le fon

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S7-33 ÉNERGIE p.


L’énergie géothermiqueLa

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S7-34 ÉNERGIE p.


Formes sous lesquelles l’énergie est stockéeL’étude de différents dispositifs d’allumage d’une lampe permet de définir les différentes formes sous lesquelles l’énergie peut être stockée.

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S7-35 ÉNERGIE p.


Cara

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S7-36 ÉNERGIE p.


Quantification de l’énergie

Cas des transferts électriques

L’énergie transférée chaque seconde est, par définition, la puissance P du transfert de l’énergie. P =

tE

avec E : énergie transférée en joules, J t : durée du transfert en secondes, s P : puissance du transfert en watts, W (un watt équivaut à un joule

transféré chaque seconde)En conséquence, la quantité d’énergie transférée pendant le temps t peut être calculée à l’aide de la formule suivante : E = P . t

UnitésL’unité internationale d’énergie est le joule. Cette unité est très petite. Par exemple, un carré de chocolat au lait (7 grammes) contient environ 160 000 joules !

D’autres unités sont également utilisées : • 1 kilowattheure, kWh, est l’énergie transformée en une heure par un appareil fonctionnant à une puissance de

1000 watts (un sèche-cheveux, par exemple). 1 kilowattheure = 3 600 000 joules

• 1 calorie, cal, correspond à l’énergie thermique transférée lorsqu’on élève d’un degré Celsius la température d’un gramme d’eau.

1 calorie = 4,18 joules


Cas des transferts thermiquesTempérature et agitation des molécules

La température d’un solide, d’un liquide ou d’un gaz correspond à l’agitation moyenne de ses molécules. Son unité est le degré Celsius (°C).

Plus la température d’un corps est élevée, plus l’agitation moyenne des molécules est grande et plus les chocs entre les molécules sont fréquents et violents.

Sur les figures ci-contre,chaque flèche indique la vitesse de la molécule

Température basse Température élevée

TRtherm

Combus-tion de la biomasse

TRtherm TRméca

Eau

TRméca

TRtherm

TRélec

TRtherm

Réseau

Milieu environnant

Turbine

Alterna-

teur

TRélec

TRméca TRméca

Turbine

Réseau Eau qui s’écoule

Alterna-teur

TRtherm TRtherm

Milieu environnant

TRtherm

TRméca

TRélec

TRtherm

TR

Alterna-teur

Eau + vapeur

Réseau

TRtherm

Terre

Turbine

Milieu environnant

TRtherm

Dispositif TRreçu TRutile

TRinutile

Milieu

environnant

…

…

méca

S7-37 ÉNERGIE p.


Principe d’égalisation des températures, transfert d’énergie thermiqueLorsque deux corps sont mis en contact, leurs températures s’égalisent après un temps plus ou moins long. Le corps le plus froid se réchauffe (sa température augmente) et le corps le plus chaud se refroidit (sa température baisse). De l’énergie thermique est transférée du corps le plus chaud au corps le plus froid. Lorsque la température des deux corps est la même, le transfert cesse.Exemple Lorsque nous touchons un objet dont la température est plus basse que celle de notre main, de l’énergie thermique est transférée de notre main à l’objet. L’objet se réchauffe, la main se refroidit, et nous éprouvons une sensation de froid.

Comment calculer le transfert d’énergie thermique ?L’énergie nécessaire pour chauffer un objet ou le contenu d’un récipient dépend de plusieurs facteurs :

• de la quantité de matière chauffée, donc de la masse m ;• de la nature de la matière exprimée par sa chaleur massique c ;• de la différence de température Tfinale-Tinitiale

Chaleur massiqueToutes les matières n’ont pas la même capacité à stocker de l’énergie sous forme thermique. Cette propriété - propre à chaque matière - s’appelle la chaleur massique. Elle correspond à l’énergie qu’il faut transférer à un kilogramme de matière pour élever sa température d’un degré Celsius.On trouve les valeurs des chaleurs massiques des matières courantes dans les tables. La formule qui permet de calculer la quantité d’énergie transférée lors du changement de température d’un objet est donc la suivante :

Etherm = m . c . (Tfinale - Tinitiale)

avec Etherm : énergie thermique transférée, J

m : masse de substance, kg

c : chaleur massique de la substance,

CkgJ. °

Tinitiale : température au début du chauffage, °C

Tfinale : température à la fin du chauffage, °C

ExempleLa quantité d’énergie nécessaire à chauffer 3 kilogrammes de fer de 20°C à 300°C est :

Etherm = 3 . 440 . (300 - 20) = 369 600 J

S7-38 ÉNERGIE p.


Qualité de l’énergie, rendement, prix et impact sur l’environnementPour fonctionner et effectuer une certaine tâche, un dispositif reçoit de l’énergie (TRreçu). Il transforme cette énergie et la transfère sous deux formes : − l’énergie utile qui permet de faire la tâche souhaitée (TRutile) ;− l’énergie inutile pour effectuer la tâche souhaitée qui est transférée au milieu

environnant (TRinutile).

TRtherm

Combus-tion de la biomasse

TRtherm TRméca

Eau

TRméca

TRtherm

TRélec

TRtherm

Réseau

Milieu environnant

Turbine

Alterna-

teur

TRélec

TRméca TRméca

Turbine

Réseau Eau qui s’écoule

Alterna-teur

TRtherm TRtherm

Milieu environnant

TRtherm

TRméca

TRélec

TRtherm

TR

Alterna-teur

Eau + vapeur

Réseau

TRtherm

Terre

Turbine

Milieu environnant

TRtherm

Dispositif TRreçu TRutile

TRinutile

Milieu

environnant

…

…

méca

Le principe de conservation de l’énergie impose que Ereçue = Eutile + Einutile

Qualité de l’énergieL’énergie thermique est une énergie de qualité inférieure aux autres formes d’énergie. On dit que l’énergie thermique est dégradée.La qualité de l’énergie thermique dépend de la température : elle est d’autant plus basse, que la température est faible.Exemple Le bâteau « Simplon » (construit entre 1915 et 1920) naviguant sur le lac Léman est propulsé par un moteur à vapeur : du pétrole est brûlé pour obtenir de la vapeur d’eau très chaude. Ce type de moteur n’est pas très performant, car les fuites thermiques vers le milieu environnant sont importantes.La quantité d’énergie stockée dans l’eau du lac (même lorsque l’eau est froide) est gigantesque ! On pourrait donc penser pouvoir faire avancer le bateau en puisant de l’énergie thermique dans ce réservoir ; hors comme l’énergie thermique est d’autant plus dégradée que sa température est basse, il n’est pas possible de faire fonctionner un moteur à vapeur avec de l’eau froide.

Impact sur l’environnementL’impact sur l’environnement d’un dispositif est proportionnel aux transferts inutiles de l’énergie produits par son utilisation.

S7-39 ÉNERGIE p.


RendementPour mesurer la qualité des transferts d’énergie dans un dispositif, on peut calculer son rendement. Le rendement d’un dispositif est défini comme le rapport de l’énergie utile transférée sur l’énergie reçue par le dispositif :

Un rendement n’a pas d’unité. On l’exprime en général en %. Il est obligatoirement inférieur à 100%, car l’énergie utile transférée est toujours plus petite que l’énergie reçue en raison des fuites vers le milieu environnant. Des exemples de rendement de dispositifs de la vie quotidienne sont présentés dans l’Aide-mémoire.Exemple Une lampe à filament est allumée. Elle reçoit de l’énergie électrique du secteur qu’elle transforme et transfert par rayonnement et sous forme thermique au milieu environnant. Seul le rayonnement est utile à l’utilisateur.

TRtherm

Secteur

Lampe

TRélec Milieu environ-

nant TRray

Le rendement s’écrit dans ce cas : η = élec

ray

EE et vaut environ 0,03 = 3%

Les lampes à filament ont été interdites à la vente en Suisse, car leur rendement était de 3% environ, ce qui signifie que 3% de l’énergie électrique reçue par la lampe sert effectivement à éclairer (Eray). Les 97% de l’énergie restants chauffent (Etherm) inutilement le milieu environnant. Ces lampes étaient donc d’excellents chauffages, mais de piètres dispositifs d’éclairage ! Il vaut mieux utiliser une lampe économique ou, encore mieux, une lampe à LED dont les rendements sont bien supérieurs.

Prix de l’énergieL’énergie a un coût, c’est-à-dire que chacun d’entre nous paie pour l’utilisation d’une source d’énergie. Dans le cas de la lampe ci-dessus, cela signifie que pour chaque franc payé, seuls 3 centimes correspondent au prix de la lumière produite. Les 97 centimes restants sont payés pour chauffer inutilement le milieu environnant !

En résumé :Conformément au principe de conservation, l’énergie est toujours conservée en quantité. Comme l’utilisation d’une énergie implique toujours des fuites thermiques vers le milieu environnant, la qualité de l’énergie diminue.Les problèmes énergétiques de notre société sont donc toujours à interpréter en termes de dégradation de la qualité et conservation de la quantité d’énergie.

η = reçueEutileE

ÉNERGIE

S7-40 ÉNERGIE p.

Documents

L’énergie et sa conservation - plandetudes.ch