Physique : L`énergie

Enseignement secondaire 2015-2016
Physique : L'énergie
1. L'énergie et les transformations
Il existe différentes sources d’énergie : les matières premières et les phénomènes naturels. Les
premières fournissent les énergies dites fossiles alors que les autres fournissent les énergies dites
renouvelables.
Les énergies fossiles proviennent de la combustion de matières
premières comme le charbon, le pétrole ou encore le gaz naturel. Ces
combustibles se sont élaborés durant des centaines de millions
d’années. C’est pourquoi on les appelle les combustibles fossiles et
l’énergie ainsi produite est l’énergie fossile. Les réserves en matières
premières sont abondantes, mais malheureusement non renouvelables.
Le gaz naturel est le moins polluant des combustibles fossiles, car sa
combustion émet moins de particules et produit moins de CO2.
L’énergie nucléaire provient également d’une matière première qui
est l'uranium, c’est donc une énergie fossile. Cependant, on la
considère comme une alternative aux autres énergies fossiles car elle
n'émet pas de CO2 et offre une certaine indépendance énergétique
même si elle suscite des problèmes de sécurité et de stockage des
déchets radioactifs.
Les énergies renouvelables, comme leur nom l’indique, ne sont pas
tarissables au contraire des énergies fossiles. Appelées aussi énergies
propres car provenant des phénomènes naturels (vent, rayonnement
solaire), leur exploitation est en plein essor : elles ne permettent pas encore
de remplacer les autres sources d’énergie, mais elles offrent la possibilité
de réduire de façon significative l’utilisation des combustibles fossiles.
L’électricité fournit par l’énergie hydraulique porte le nom d'hydroélectricité. Les centrales
hydrauliques convertissent l’énergie des cours d’eau, des chutes d’eau et même des marées pour
constituer une source d’énergie inépuisable. Elles n'émettent pas de dioxyde de carbone. En
revanche, les conséquences sur le milieu aquatique ou l'environnement en général peuvent être
importantes, notamment si la construction d'un barrage conduit à l'inondation de terres sur grande
superficie.
L'énergie éolienne est dite verte. Elle est promise à un bel avenir au vu de son caractère inépuisable
(capter un millième de l'énergie éolienne disponible sur Terre permettrait théoriquement de subvenir
à la totalité des besoins mondiaux en électricité). Cependant, elle reste à l’heure actuelle assez
capricieuse puisqu’elle dépend de la force des vents et pose des problèmes de surface au sol et de
nuisances sonores et visuelles.
Pr. Iacobellis 1

L’énergie lumineuse du soleil est recueillie grâce à des capteurs sur des panneaux solaires et est
convertie en énergie électrique (solaire photovoltaïque) ou thermique (solaire thermique, comme
pour les chauffe-eaux solaires).
Le principe de l'énergie géothermique consiste à e exploiter le flux géothermique naturel à la
surface du globe. En général, ce flux est assez faible et nécessite des dispositifs importants
(forage…) pour pouvoir être capté. Ce type d’énergie ne dépend pas des conditions atmosphériques
et a donc l’avantage d’être quasi continu.
L’énergie de la biomasse est produite par combustion directe de matière biologique comme le bois
ou par conversion en biocarburants. Même si la combustion produit des gaz à effet de serre, la
biomasse reste une énergie renouvelable : la croissance des arbres absorbe autant de CO2 que leur
combustion n'en libère dans l'atmosphère.
A l'aide du schéma ci-dessous et du texte ci-dessus, explique les différentes transformations
d'énergie.
Réponse :
Pr. Iacobellis 2

Stockée dans les objets, les molécules, les atomes, l’énergie se manifeste de multiples façons. Mais
qu’elle soit mécanique, cinétique, thermique, chimique, rayonnante ou encore nucléaire, l'énergie
peut se convertir d’une forme à une autre. Nous allons détailler ces transformations.
2. Energie potentielle et cinétique
L’énergie cinétique est l’énergie du mouvement. Plus la vitesse d’un objet est grande, plus son
énergie cinétique est importante. L’énergie des cours d’eau (énergie hydraulique) et celle du vent
(énergie éolienne) sont des énergies cinétiques. Elles peuvent être transformées en énergie
mécanique (moulin à eau, moulin à vent, pompe reliée à une éolienne) ou en électricité, si elles
entraînent un générateur.
L’énergie mécanique, associée aux objets est la somme de deux autres énergies : l’énergie cinétique
et l’énergie potentielle : l’énergie cinétique est l’énergie des objets en mouvement comme cité plus
haut et l’énergie potentielle est l’énergie stockée dans les objets immobiles, elle dépend de la
position de ces derniers. Comme son nom l’indique, elle existe potentiellement, c’est-à-dire qu’elle
ne se manifeste que lorsqu’elle est convertie en énergie cinétique. Par exemple, une balle acquiert,
quand on la soulève, une énergie potentielle dite de pesanteur, qui n’est apparente que lorsqu’on la
laisse tomber.
L’énergie thermique est la chaleur. Elle est due à l’agitation, au sein de la matière, des molécules et
des atomes. Dans une machine à vapeur ou une turbine, elle est transformée en énergie mécanique ;
dans une centrale thermique, elle est convertie en électricité. Le sous-sol renferme de l’énergie
thermique (géothermie), qui est utilisée soit pour produire du chauffage, soit pour générer de
l’électricité.
L’énergie chimique est l’énergie associée aux liaisons entre les atomes constituant les molécules.
Certaines réactions chimiques sont capables de briser ces liaisons, ce qui libère leur énergie (de
telles réactions sont dites exothermiques). Lors de la combustion, qui est l’une de ces réactions, le
pétrole, le gaz, le charbon ou encore la biomasse convertissent leur énergie chimique en chaleur et
souvent en lumière. Dans les piles, les réactions électrochimiques qui ont lieu produisent de
l’électricité.
L’énergie rayonnante est celle transportée par les rayonnements. L’énergie lumineuse en est une,
ainsi que le rayonnement infrarouge. Les deux sont émis, par exemple, par le Soleil ou les filaments
des ampoules électriques. L’énergie des rayonnements solaires peut être récupérée et convertie en
électricité (énergie photovoltaïque) ou en chaleur solaire (solaire thermique).
Pr. Iacobellis 3

L’énergie nucléaire est l’énergie stockée au cœur des atomes, plus précisément dans les liaisons
entre les particules (protons et neutrons) qui constituent leur noyau. En transformant les noyaux
atomiques, les réactions nucléaires s’accompagnent d’un dégagement de chaleur. Dans les centrales
nucléaires, on réalise des réactions de fission des noyaux d’uranium et une partie de la chaleur
dégagée est transformée en électricité. Dans les étoiles comme le Soleil, l’énergie des atomes est
libérée par des réactions de fusion.
Compare l'énergie cinétique et l'énergie potentielle. Donne un exemple.
Pour casser une vitre, on peut utiliser deux méthodes:
• exercer une force contre la vitre, de manière à la déformer jusqu'au point de rupture: il s'agit
donc d'effectuer un certain travail;
• confier le soin de faire le travail à un objet, une brique, par exemple.
Pour que la brique soit capable d'effectuer le travail que j'attends d'elle, il faut que je la lance dans la
direction de la vitre: je vais donc exercer un certain travail sur la brique (au moment du lancer).
Quand la brique touchera la cible, elle va rendre le travail que j'ai exercé sur elle et casser la vitre.
Durant tout le temps du trajet, la brique avait en elle la capacité d'effectuer le travail.
La capacité d'effectuer un travail est l'énergie. L'énergie est égale au travail qui peut être
effectué.
L'énergie cinétique est la capacité d'effectuer un travail qui se trouve dans un objet en mouvement.
La brique qui vole en direction d'une vitre contient de l'énergie cinétique. Une voiture mise en
mouvement (par la poussée du moteur ou d'une personne) contient de l'énergie cinétique.
L'énergie cinétique est l'énergie acquise par le fait d'être en mouvement. Elle augmente
avec la vitesse.
Une personne exerce une force de 100 N sur une voiture en panne. Pour faire démarrer la
voiture, il faut exercer cette poussée sur une distance de 50 mètres.
Quel est le travail effectué?
Lorsque cette voiture heurtera un obstacle, elle sera capable d'effectuer un travail de 5000 Joules car
elle contient 5000 Joules d'énergie, de capacité à effectuer un travail.
Pr. Iacobellis 4

Peut-on calculer la quantité d'énergie présente dans la voiture en mouvement par la simple
observation de cette voiture?Un camion de 10 tonnes lancé à 50 km/h contient plus d'énergie qu'une
voiture de 500 kg, lancée à la même vitesse: le camion peut faire beaucoup plus de dégâts! Une
voiture lancée à la vitesse de 120 km/h contient plus d'énergie que la même voiture lancée à 10
km/h!
Il est évident que l'énergie contenue dans ces véhicules dépend de leur masse et de leur vitesse.
Puisque le travail effectué pour les mettre en mouvement est égal à l'énergie qu'ils contiennent, on
peut écrire
Énergie cinétique = Travail Ec = T
Ec = F . ∆x
or, la force exercée
F = m . a
donc Ec = (m . a) . ∆x
et, puisqu'il s'agit d'un m.r.u.a.,
la distance parcourue pour
mettre le véhicule en
mouvement est donnée par la
formule
∆x = a . ∆t2/2
On écrit alors Ec = (m . a) . (a . ∆t2/2)
c'est-à-dire Ec = m . (a2 . ∆t2)/2
et comme dans un m.r.u.a.,
∆v = a . ∆t
E=m.v2
2
Quelle est l'énergie cinétique d'un coureur de 100 mètres qui pèse 70 kg lancé à la vitesse de
30 km/h ? (R= 2431 Joules)
Le fait d'élever un objet qui a une masse lui confère la propriété d'effectuer un travail. Si je lève une
brique à la hauteur de 2 mètres et que je la laisse tomber sur mon pied, je pourrai sentir qu'elle
contenait de l'énergie.
L'énergie potentielle gravifique est l'énergie acquise par un objet élevé près de la surface
de la terre. Elle augmente avec l'altitude.
A quoi peut-on voir que l’enclume de l’illustration ci-contre contenait de l’énergie?
Peut-on calculer la quantité d'énergie contenue dans un objet dont on augmente la hauteur? Il est
évident que l'énergie contenue dans cet objet dépend de la variation de hauteur ∆h que je lui fais
subir.
Pr. Iacobellis 5