Energétique
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- Identifier les transferts d'énergie sous forme de chaleur, de travail (cas simple). - Identifier les types de transformation d'énergie dans une chaîne (situation réelle). - Compléter une chaîne énergétique (situation réelle). - Déterminer le rendement d'une machine ou d'une chaîne.
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D'après le Larousse:"énergie: n. f. (gr. energeia, force en action): faculté que possède un système de corps de fournir du travail mécanique ou son équivalent."
Ainsi, l'énergie est une grandeur abstraite dont on ne donnera pas de définition.
Nous nous intéressons surtout à ses effet, à ses variations. Nous utilisons l'énergie:
- Pour vivre (les aliments sont une source d'énergie);
- Pour se chauffer (avec l'électricité, le bois, l'énergie du soleil);
-Pour faire fonctionner des machines
- Pour déplacer des objets etc......
Rappelons-le, ce chapitre n'a pour seul but que d'étudier des variations, des transferts et des utilisations d'énergie dans des cas bien définis:
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Tout au long du cours nous allons nous appuyer sur l'étude d'un système (que nous appellerons grue)formé d'un moteur électrique entraînant une chaîne et un système de pince: l'ensemble permettant de coincer et de lever des charges.
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Première question à se poser:
D'où vient l'énergie permettant de lever la charge?
les matières ou objets susceptibles de fournir de l'énergie s'appellent les sources d'énergie.
Les physiciens ont l'habitude de classer les sources d'énergie en 2 catégories:
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Les sources d'énergie renouvelables |
Les sources d'énergie non renouvelables |
| L'énergie solaire:Les rayons solaires sont source d'énergie vitale pour les êtres vivants. Mais l'homme tend à canaliser cette énergie avec les panneaux solaires. | Les sources fossiles:
Allez voir ce qu'en dit le site d'EDF en cliquant ici
- le charbon
- le pétrole et le gaz naturel |
| L'énergie éolienne: est l'énergie due au
vent (air en mouvement). Elle est exploitée depuis longtemps (moulins à
vent; bateaux à voile) et depuis peu on utilise cette énergie pour
fabriquer de l'électricité.
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L'énergie nucléaire:
Allez voir ce qu'en dit le site d'EDF en cliquant ici Il y a très peu de temps que l'homme exploite cette source. L'énergie provient de l'explosion du noyau d'atome très instables (les centrales atomiques d'EDF utilisent de l'uranium).L'énergie solaire est en faite de l'énergie nucléaire car il est le siège de réactions nucléaire.
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| L'énergie géothermique: elle est issue de la chaleur régnant dans le sous sol de la Terre. On l'exploite surtout pour chauffer des locaux. | |
| L'énergie hydraulique:
Allez voir ce qu'en dit le site d'EDF en cliquant ici - on exploite l'énergie marée-motrice: elle est contenue dans le mouvement de va et viens des océans (les marées). On utilise cette énergie pour faire de l'électricité. - ainsi qu'avec des barrages ou des moulins à eaux: elle est contenue là encore dans le mouvement naturel de l'eau des rivières. |
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| La biomasse:(les végétaux)
- les végétaux comestibles sont une source d'énergie pour ceux qui les mange. - certains végétaux (comme le colza) servent à la fabrication de combustible ou sont même directement des combustibles (comme le bois) L'homme d'aujourd'hui est en train de chercher à exploiter au maximum ces sources d'énergie)
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Pour notre grue nous ne connaissons pas la source d'énergie utilisée, car l'électricité servant à faire fonctionner le moteur peut être issue de tas de systèmes (nucléaire, thermique, chimique, solaire...)
De même qu'il existe différentes source d'énergie, il existe différentes formes d'énergie (qu'on peut identifier à une forme de stockage de l'énergie):
A notre niveau, nous utiliserons 5 formes d'énergie:
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2 formes d'énergie mécanique (externe ou macroscopique): |
| Énergie cinétique (Ec):
C'est une forme d'énergie dépendant de la vitesse et de la masse du corps qui la contient: Plus la vitesse est grande, plus le corps possède de l'énergie cinétique |
Plus un corps va vite ou plus il est lourd, plus il risque
d'y avoir de dégâts s'il y a un obstacle.
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| Énergie potentielle (Ep):
C'est une forme d'énergie dépendant de la position du corps ou de ce qui le compose: -énergie potentielle de pesanteur (position relative de deux masses) - énergie potentielle électrostatique (position relative de deux charges) - énergie potentielle élastique (position de ce qui compose le système du fait de sa déformation) |
Un cas courant est celui d'un système "objet +
terre" dans lequel c'est l'énergie potentielle de pesanteur qui
intervient: plus l'objet est à une altitude élevée, plus il possède
une énergie potentielle élevé (il fera plus de dégâts arrivé au
sol!):
Une pomme dans un arbre possède une énergie potentielle inférieure à cette même pomme en haut de la tour Effel.
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3 formes d'énergie interne (ou microscopique) |
| Énergie thermique:énergie due à l'agitation moléculaire |
| Énergie chimique:énergie due aux réactions chimiques (position des molécules entres-elles et position des électrons par rapport aux noyau) |
| Énergie nucléaire:énergie due à la position des particules des noyaux et intervient dans les réactions nucléaires. |
Dans le cas de notre grue: l'effet de l'utilisation du moteur est:
- l'élévation de charges.
- dégagement de chaleur dû aux frottements des pièces mécaniques et de l'échauffement des composants électriques.
Ainsi, il y a dégagement d'énergie mécanique et d'énergie thermique.
Le moteur est convertisseur: il transforme une forme d'énergie en une autre forme d'énergie
Pour rendre compte de ce qui se passe au niveau énergétique, nous allons faire un schéma:
| Nous allons représenter les
réservoirs d'énergie par des rectangles à l'intérieur
duquel on note la forme d'énergie: exemples:
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Les convertisseurs
d'énergie seront représenté:
-soit par des rectangles avec une diagonale de tracé (on note au dessus du rectangle à quoi il correspond)
- soit par un cercle:
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Si l'électricité alimentant notre moteur provient d'une centrale nucléaire d'E.D.F. alors nous pouvons partiellement rendre compte du phénomène énergétique par ce schéma incomplet:
Les flèches représentent des transferts d'énergie:ce sont en fait des transports d'énergie et ils peuvent de 4 ordres:
- travail électrique (noté We): "transporté" par les électrons en mouvements.
- travail mécanique (noté Wm):"transporté" par des forces mécaniques.
- rayonnement (ou énergie rayonnante Wr): "transporté" par la lumière (ou plus généralement par les ondes électro-magnétiques).
- la chaleur (noté Q)
Nous pouvons ainsi compléter notre schéma nous appelons chaîne énergétique:
Dans notre système, seulement deux formes d'énergie nous intéresse: l'énergie nucléaire (car elle est nécessaire à l'utilisation du moteur) et l'énergie mécanique (car c'est pour cela qu'existe le moteur). L'énergie thermique n'est qu'un perte d'énergie (si vous voulez vous chauffer, il existe les chauffage!!!).
Notre système :
absorbe une énergie (appelé énergie absorbée Ea), pour fournir une énergie utile (Eu).
L'énergie se mesure en Joule (noté J) par les physiciens, mais dans l'industrie ou la vie quotidienne, on utilise le Wattheure (Wh) ou le kiloWattheure (kWh)
1 Wh = 3 600 J et 1 kWh = 1 000 Wh
Des ordres de grandeur:
- Chaque seconde, le rayonnement solaire apporte, à la surface de la terre, une énergie en moyenne égale à 340 J/m².
- Une balle de fusil sort du canon avec une énergie mécanique (énergie cinétique) de l'ordre de 9 000 J)
On se rend bien compte que Eu
est inférieur à Ea car il y a des pertes sous forme de
chaleur. Pour mesurer l'efficacité d'un système on utilise le
rendement: noté 
(lettre grec se prononçant éta)
Ce nombre s'exprime sans unité et sera toujours compris entre 0 et 1.
Plus
sera proche de 1
meilleur sera le convertisseur car cela veut dire que les pertes sont minimales.
Un convertisseur est parfait si =1
mais l'homme est incapable de fabriquer un tel convertisseur.
Principe de conservation de l'énergie:
Lorsqu'on étudie un système, il faut se représenter le système et l'extérieur du système:
On dit qu'un système est isolé s'il n'y a aucun échange d'énergie ou de matière avec l'extérieur.
La fameuse phrase "rien ne se perd, rien ne se crée mais tout se transforme" est valable pour l'énergie d'un système isolé: Aucune énergie ne se perd ou ne se crée spontanément mais elle se transforme d'une forme à une autre:
La quantité totale d'énergie d'un système isolé reste constante.
Ce principe est important car il veut dire concrètement qu'on ne peut pas fabriquer plus d'énergie qu'on en fabrique:
-le mouvement perpétuel n'existe pas : car l'énergie mécanique produite doit venir de quelque part;
- on ne peut pas fabriquer l'électricité en utilisant une partie de celle sortant d'une centrale...
Ainsi, si on inventait un groupe électrogène parfait (sans pertes), alors avec 1 kg d'essence, on pourrait alimenter 25 milliards de lampes (100W - 230 V) pendant 10H.
En ce qui concerne le transfert d'énergie, on mesure le débit d'énergie, c'est à dire le nombre de joule transféré en 1 seconde.
Le débit d'énergie s'appelle la puissance (noté P) du transfert et se mesure en Watt (W)
Les sources d'énergie
