01 formes d energie

L’ENERGIE
I.
QU'EST-CE QUE L'ENERGIE ?
Dans la Grèce antique, energeia voulait dire « en travail », « en action ».
L'énergie caractérise la capacité à produire des actions, par exemple à engendrer du mouvement,
modifier la température d'un corps, produire de la lumière, transformer la matière...
Un système possède une certaine quantité d’énergie, mais s’il change d’état (déplacement, température,
transformation…) c’est qu’il a reçu ou perdu de l’énergie. On arrive à faire le lien entre le transfert d’énergie
et le changement d’état. L'énergie est un peu une monnaie d'échange commune entre les phénomènes
physiques.
C’est la quantité d’énergie reçue ou perdue par un système (donc la variation d’énergie) qui permet
d’appréhender le changement d’état.
Elle peut prendre différentes formes : chaleur, énergie mécanique, chimique, énergie électrique par
exemple.
I.1) LES PROPRIÉTÉS DE L'ÉNERGIE
I.1.1)
L'énergie se transforme
L'énergie se présente ainsi sous des formes très diverses. Les transformations de l'énergie sont utilisées dans
la vie courante, mais chacune d'entre elles génère des pertes.
Généralement les systèmes « intéressants » (chauffage, lampe, moteur…) reçoivent de l’énergie sous une
forme et la transforment sous une autre forme dont une bonne partie est « utile ».
Eabsorbée
Système
Eutile
Eperdue
Exemple : Dans un moteur électrique, l’énergie électrique est transformée en chaleur et en énergie
mécanique. Seule l'énergie mécanique est directement utile.
I.1.2)
L’énergie peut se transmettre d’un système à un autre
Exemple : l’énergie thermique d’un radiateur (système 1) est transmise à l’air de la pièce (système 2).
Les modes de transfert de l’énergie sont :
 Le transfert mécanique : il est lié à un mouvement (un moteur transfère l’énergie à sa charge au
travers de la rotation de son arbre).
 Le transfert électrique : il est lié à un mouvement de charge électrique (une pile transfère
électriquement son énergie à une lampe).
 Le transfert thermique : il est lié à un transfert de chaleur (exemple eau chaude circulant dans les
radiateurs).
 Le transfert par rayonnement : il est lié à la propagation d’une onde électromagnétique (exemple :
transfert de l’énergie du soleil vers la Terre).
I.1.3)
L'énergie se conserve
La caractéristique la plus remarquable de l’énergie est qu’elle se conserve toujours. Lorsqu’elle est
transférée d’un système à un autre, ou lorsqu’elle change de nature, il n’y a jamais ni création ni
destruction d’énergie. Si un objet a perdu de l’énergie, la même quantité d’énergie a obligatoirement été
gagnée par un autre objet en communication avec le premier. De même, lorsque l’énergie change de
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forme, le bilan est toujours exactement équilibré.
L’énergie ne peut être ni créée ni perdue.
Pour les systèmes électrotechniques, on est souvent
appelé à raisonner sur les transferts d’énergie.
On utilisera le bilan d’énergie :
Eabsorbée = Eperdue + Eutile
Eabsorbée
Système
Eutile
Eperdue
Le bilan global de cette conversion est caractérisé par un rendement :  
E utile
E absorbée
Plus le rendement est élevé, moins il y a d’énergie perdue dans la conversion.
On rencontre fréquemment des systèmes constitués de plusieurs sous-systèmes. La chaîne énergétique d’un
tel système correspond à la représentation ci-dessous :
E1
Sous
système 1
η1
E2
Sous
système 2
η2
E3
Sous
système 3
η3
E4
Le rendement total du système est égal au produit des rendements des sous-systèmes.
Sur l’exemple précédent :  
E4
 1  2  3
E1
I.1.4)
L’énergie se mesure
La propriété de conservation de l’énergie nous permet de mesurer les diverses formes de l’énergie, à l’aide
d’une seule et même unité.
Dans le système international, l'énergie s'exprime en joules (J), mais dans le langage courant, elle s'exprime
plus souvent en kilowatt-heure (kWh).
1 kWh = 3600.103 J
I.1.5)
La puissance
Elle donne la quantité d’énergie échangée en une seconde :
Un appareil de 1000 W peut fournir une énergie de 1000 J en 1s.
E
P=
t
E en J

avec t en s
P en W

Rem :
Pour effectuer une même tâche, plus un appareil est puissant, plus il fournira un travail rapide.
Le rendement peut être exprimé en fonction des puissances :  
E utile
E utile / t
P

 utile
E absorbée Eabsorbée / t Pabsorbée
TD Energie exercices 1 à 6
II.
VOCABULAIRE DE L'ENERGIE :
Le système : Un système est un ensemble d’éléments en interaction.
Un système peut être :
-
isolé : aucun échange d’énergie et de matière entre le système et l’extérieur.
-
non isolé : échange d’énergie et/ou de matière avec le milieu extérieur.
Le transfert :
Le transfert est la transmission d’énergie d’un système à un autre ou entre diverses parties d’un système.
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Forme :
Une forme est un terme permettant de qualifier l’énergie que possède un système.
Chaîne :
Une chaîne est une succession d’étapes ordonnées décrivant les formes et les transferts d’énergie à
l’intérieur d’un système ou entre plusieurs systèmes.
Convertisseur :
Un convertisseur transforme une forme d’énergie en une autre forme d’énergie.
Convention de symboles 1 :
Energie
……………………..
Le lieu de stockage (il contient l’énergie) d’une
forme d’énergie est symbolisé par un rectangle
Les convertisseurs sont schématisés par des cercles
ou des ellipses.
…………
Les transferts sont schématisés par des flèches.
……………
Exemple 1 : chaine énergétique d’une perceuse portative
travail mecanique
Energie
mécanique
travail électrique
Énergie
chimique
Batterie
Outil
Moteur
Energie perdue
(thermique )
chaleur
Air ambiant
Exemple 2 : chaine énergétique (partielle) d’une éolienne
Une éolienne transforme l’énergie du vent en énergie électrique. Cette transformation se fait en plusieurs
étapes.
Énergie
cinétique
Turbine
Energie
mécanique
Alternateur
Energie
électrique
Vent
Energie
perdue
Energie
perdue
Exemple 3 :
Nous disposons d’un groupe électrogène ou l’on peut mesurer les quantités d’énergie utilisées.
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1. Compléter dans les rectangles, les noms des formes d’énergie.
2. Compléter :
Moteur : Ea =
Alternateur : Ea =
Eu =

=
Pompe :
Ea =
Eu =
Eu =
=
=
3. Calculer le rendement global de la chaîne.
Convention de symboles simplifiée :
Souvent, pour simplifier la représentation, les lieux de stockage et les convertisseurs sont représentés par des
rectangles. Le nom du système considéré suffit à déterminer si c’est un convertisseur ou un lieu de stockage.
Le lieu de stockage ou convertisseur
……………………..
Les transferts sont schématisés par des flèches.
……………
Exemple :
Batterie
Hacheur
Eélec
Eélec
Machine à
courant continu
Pompe
Eméca
Activité
III. LES DIFFÉRENTES SOURCES D'ÉNERGIE
III.1)
HISTOIRE
DE L'ENERGIE
Quelle est la forme d’énergie la plus ancienne utilisée par l’homme ?
C’est sans aucun doute le feu !
Nos lointains ancêtres ont appris à utiliser le bois pour se chauffer et
faire cuire les aliments.
L’énergie de la biomasse, c'est-à-dire l’énergie mobilisée sous forme
chimique par les êtres vivants.
Ensuite, vient le vent ! On date les premiers bateaux à voile de 3000
ans avant Jésus-Christ. L’utilisation de l’énergie éolienne venait de
naître.
Les premiers moulins à vent font leur apparition chez les Perses, vers
200 avant Jésus-Christ. Ce n’est qu’au XIIe siècle que cette
technologie sera importée en Europe, mille ans plus tard.
Au XIVe siècle fleuriront les célèbres moulins hollandais servant
principalement à moudre le grain, à pomper de l’eau, faire tourner des
scieries ou encore fabriquer de l’huile.
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Après l’air… l’eau !!! Cousins des moulins à vent, les moulins à eau
remontent également à l’Antiquité. On les utilisait pour les mêmes
besoins que les moulins à vent.
Les barrages existent aussi depuis très longtemps. Le premier aurait
été construit en Egypte 2900 avant Jésus-Christ. Ils servaient à
stocker de l’eau pour les cultures et la consommation humaine et
animale.
Mais d’autres formes sont entrées en scène. Ce sont d’abord les
énergies qui ont permis les deux grandes révolutions industrielles : le
charbon, au XIXe siècle, et le pétrole (et le gaz) au XXe siècle.
C’est grâce à ces combustibles fossiles qu’on a pu mettre à la
disposition de tout le monde des quantités qui ont énormément
changé la vie de tous.
Enfin, la découverte de la radioactivité naturelle en 1896 a ouvert la
voie à la maîtrise de l’atome. L'énergie nucléaire de fission était née.
Il s'agit de casser de très gros atomes d’uranium pour libérer de
l’énergie. Pour les pays qui ont fait ce choix (comme la France) c'est
un moyen important de produire de l’électricité. Cette énergie est la
plus récente, les premières centrales nucléaires datent en effet des
années 1950.
III.2)
COMPARATIF
DES SOURCES D'ENERGIE
(source  www.nucleaire-info.com)
 Quantités de combustibles nécessaires pour produire 1 GW pendant 1 an
Source d’énergie
Requit
Photovoltaïque
Éolien
Charbon
Pétrole
Fission
100 km2
(ρ = 10% en Europe centrale)
5600 éoliennes de 600 kW
2 600 000 tonnes de charbon
1 800 000 tonnes de pétrole
25 tonnes d’U enrichi à 4%
 Émission de CO2 selon la source d'énergie
Source d’énergie
Émission de CO2 (en gramme de CO2 par kWh)
Charbon
Gaz
Solaire
Biomasse
Éolien
Fission / Fusion
Hydraulique
900 à 1150
400 à 420
25 à 130
20
25 à 20
10 à 15
10 à 50
L’essentiel des sources d’énergies utilisées actuellement est d’origine fossile (charbon, pétrole, gaz) ou
nucléaire. Ces sources d’énergies s’épuisent irrémédiablement. En outre les énergies fossiles produisent des
rejets importants de CO2 susceptibles de participer au réchauffement climatique.
Problématique : Trouver des solutions énergétiques pérennes, permettant de réduire nos rejets en CO2
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III.3)
QU’EST-CE
QU’UNE ENERGIE RENOUVELABLE
?
Une énergie renouvelable est une source d'énergie qui se renouvelle assez rapidement pour être
considérée comme inépuisable à l'échelle de l'homme. Les énergies renouvelables sont issues de
phénomènes naturels réguliers ou constants, provoqués principalement par le Soleil (rayonnement), mais
aussi la Lune (marée) et la Terre (énergie géothermique).
III.3.1) Quelles sont les énergies renouvelables ?
L’énergie des végétaux :
Il s'agit d'énergie solaire stockée sous forme organique grâce à la photosynthèse. Cette énergie est exploitée
par combustion. Cette énergie peut être considérée comme renouvelable à condition que les quantités
brûlées n'excèdent pas les quantités produites. On peut citer notamment le bois et autres biocarburants.
L’énergie du soleil :
On distingue :
- L’énergie solaire passive (utilisation directe de la lumière pour le chauffage)
- L’énergie photovoltaïque (production d’électricité à partir de la lumière)
L’énergie de l’eau :
 Energies d’écoulement : barrage ou utilisation direct du débit d’un cours d’eau
 Energie des vagues : utilise la puissance du mouvement des vagues,
 Energie marémotrice : issue du mouvement de l'eau crée par les marées
L’énergie du vent
L’énergie interne de la Terre : géothermie
III.3.2) Avantages et inconvénients des énergies renouvelables
L’avantage principal des énergies renouvelables est qu’elles ne sont pas limitées par l’épuisement de leur
gisement.
Ce n’est cependant pas le seul avantage :
 La production de gaz à effet de serre est quasiment nulle. Dans le cas de la biomasse, le gaz
carbonique est normalement réabsorbé par la flore.
 Les risques d'accident grave sont beaucoup plus faible comparés à ceux de l'industrie nucléaire ou
pétrolière.
 Le coût d'une énergie renouvelable dépend peu des variations des cours du pétrole, du gaz ou des
matières premières.
 Les déchets produits par un système de production d'énergie renouvelable sont souvent peu
nombreux, peu dangereux et peu coûteux.
 Les ressources exploitées sont locales, permettant ainsi un développement local (cohésion du
territoire, pays en développement, emplois non délocalisables) et l'amélioration de l'indépendance
énergétique.
Quels sont les inconvénients de l’utilisation des énergies renouvelables ?
 Conditions géographiques
 L’irrégularité des phénomènes exploités.
 Risque pour la faune
III.4)
PRODUCTION D’ENERGIE
ELECTRIQUE
Enjeu : L’utilisation de l’énergie électrique est très fluctuante en fonction des jours, des heures mais
également d’autres facteurs tels que la météo (grand froid, canicule, …). L’énergie électrique se stockant
très mal, la production doit s’adapter perpétuellement à la demande.
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III.4.1) Comment produit-t-on de l’énergie électrique ?





Via les centrales thermiques, ou nucléaires (chaleur -> vapeur -> turbines)
Via les centrales hydrauliques (chute d’eau -> turbine)
via les éoliennes (vent -> hélice)
via les panneaux photovoltaïques (conversion directe)
via les sources d’énergie autonomes (piles, accumulateurs et piles à combustible).
III.4.2) Comment utilise-ton l’énergie éolienne ?
On utilise l’énergie du vent pour faire tourner les pales des éoliennes. L'éolienne est accouplée à un
générateur électrique pour fabriquer du courant continu ou alternatif.
Une éolienne peut être raccordée au réseau électrique. Une éolienne raccordée au réseau doit fournir une
fréquence de 50Hz quel que soit la vitesse du vent. Cette fréquence constante passe par une vitesse de
rotation constante des pâles. Cette dernière est obtenue par régulation notamment avec l'orientation des
pâles.
III.4.3) Comment utilise-t-on l’énergie photovoltaïque ?
Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière (photons), génère une
tension électrique (volt) (cet effet est appelé l'effet photovoltaïque).
Le courant obtenu est un courant continu et la tension obtenue est de l'ordre de 0,5 V pour une cellule.
Un panneau solaire photovoltaïque est un panneau constitué d'un ensemble de cellules photovoltaïques
reliées entre elles électriquement.
Compte tenu d'un rendement d'environ 10%, la puissance crête d'un panneau photovoltaïque est de l'ordre de
100 à 180 watts par mètre carré.
L'énergie captée par un module dépend de la surface du panneau mais aussi de la latitude et de
l'ensoleillement du lieu où il se trouve. La durée de vie d'un panneau est supérieure à 20 ans.
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