1. Généralités sur les énergies

1—1
ENERGIES
THERMIQUE, RAYONNANTE, NUCLEAIRE
D31 - O6X5
29 pages
SOMMAIRE
1. GENERALITES SUR LES ENERGIES ................................................................................................. 1—3
ETAPE 1 – GRANDEURS ET UNITES ................................................................................................................ 1—3
Notions fondamentales ...................................................................................................................... 1—3
Relations fondamentales entre force, travail et puissance ................................................................ 1—3
ETAPE 2 – LES FORMES D’ENERGIE ET LEURS TRANSFORMATIONS ................................................................ 1—4
Sources et formes d’énergie .............................................................................................................. 1—4
Transformations mutuelles d’énergie ................................................................................................ 1—4
ETAPE 3 – RENDEMENT DES TRANSFORMATIONS D’ENERGIE, PRINCIPE DE CONSERVATION ......................... 1—5
Rendement d’une transformation ...................................................................................................... 1—5
Rendement de puissance ................................................................................................................... 1—5
Ordres de grandeur de rendements ................................................................................................... 1—5
Principe de conservation de l’énergie............................................................................................... 1—5
2. L’ENERGIE THERMIQUE .................................................................................................................... 2—6
ETAPE 1 – NOTIONS DE BASE ET UNITES ....................................................................................................... 2—6
Changements d’état ........................................................................................................................... 2—6
Les échelles de température .............................................................................................................. 2—6
Chaleur et température ..................................................................................................................... 2—6
ETAPE 2 – ECHANGES DE CHALEUR .............................................................................................................. 2—7
Modes de transfert de chaleur ........................................................................................................... 2—7
Expression de la chaleur transférée lors d’une variation de température sans changement d’état . 2—7
Mesurer la chaleur transférée lors d’un changement d’état ............................................................. 2—7
ETAPE 3 – MESURES CALORIMETRIQUES ...................................................................................................... 2—8
Principes de calorimétrie : mesurer les échanges de chaleur ........................................................... 2—8
Une enceinte pratiquement adiabatique : le calorimètre .................................................................. 2—8
Mesure de la capacité thermique massique du fer, connaissant celle de l’eau ................................. 2—9
Mesures d’une chaleur de réaction ................................................................................................... 2—9
Mesure de la chaleur latente de fusion de la glace ......................................................................... 2—10
3. LA LUMIERE : ONDE, CORPUSCULE, ENERGIE RAYONNANTE ............................................3—11
ETAPE 1 – PROPRIETES DE LA LUMIERE : OPTIQUE GEOMETRIQUE ...............................................................3—11
Sources de lumière et propagation .................................................................................................. 3—11
Lois de Descartes pour la réflexion et la réfraction ........................................................................ 3—12
ETAPE 2 – LES ONDES LUMINEUSES .............................................................................................................3—13
Etude des ondes mécaniques ........................................................................................................... 3—13
Autres propriétés de la lumière ....................................................................................................... 3—15
ETAPE 3 – CARATERE CORPUSCULAIRE DE LA LUMIERE ..............................................................................3—15
l’effet photoélectrique ..................................................................................................................... 3—15
La dualité onde-corpuscule ............................................................................................................. 3—16
Vue d’ensemble sur les rayonnements électromagnétiques ............................................................ 3—17
LES LENTILLES ............................................................................................................................................3—17
LA SPECTROSCOPIE .....................................................................................................................................3—17
Les différents types de spectres ....................................................................................................... 3—17
L’interprétation des spectres ........................................................................................................... 3—18
Niveaux d’énergie moléculaire ....................................................................................................... 3—19
L’absorption quantifiée d’énergie par les molécules ...................................................................... 3—19

1—2
4. L’ENERGIE NUCLEAIRE .....................................................................................................................4—22
ETAPE 1 – L’ORIGINE DE L’ENERGIE NUCLEAIRE ........................................................................................4—22
Position du problème ...................................................................................................................... 4—22
Relation d’Einstein .......................................................................................................................... 4—22
Énergie de cohésion ........................................................................................................................ 4—23
ETAPE 2 – REACTIONS NUCLEAIRES SPONTANEES ........................................................................................4—24
Composition du rayonnement radioactif ......................................................................................... 4—24
Mécanismes des transformations radioactives ................................................................................ 4—24
Les familles radioactives, notion de période radioactive ................................................................ 4—25
Les principales applications de la radioactivité ............................................................................. 4—25
Les unités de mesure de la radioactivité ......................................................................................... 4—27
ETAPE 3 – LES REACTIONS NUCLEAIRES PROVOQUEES ................................................................................4—27
La fission ......................................................................................................................................... 4—28
La fusion .......................................................................................................................................... 4—29
5. RESUME ...................................................................................................................................................5—31

1—3
1. GENERALITES SUR LES ENERGIES
ETAPE 1 – GRANDEURS ET UNITES
Notions fondamentales
Grandeurs et unités fondamentales liées à la notion d’énergie : force, énergie, travail,
puissance
Représentation
Unité
Symbole de l’unité
Force
F
newton
N
Énergie
W ou E
joule
J
Travail
W ou E
joule
J
Puissance
P
watt
W
Recommandations
Les noms des unités ne prennent jamais de majuscule
Les symboles des unités sont en majuscule
Ne pas confondre le W symbolisant l’énergie et le W symbolisant le watt.
Les unités équivalentes pour l’énergie
Calorie
1 cal = 4,18 J
Tonne équivalent pétrole
1 tep = 1,4 x 1010 J.
électronvolt
1 eV = 1,6 x 10-19 J.
Autres unités pour la puissance
Cheval vapeur
1 ch = 736 W
Relations fondamentales entre force, travail et puissance
Le travail d’une force
Définition du travail mécanique
Exemple : un tracteur tirant un tronc d’arbre :
Le point d’application 0 de la force F se déplace, on dit que la force travaille.
Le travail est donc l’application d’une force sur une distance.
Si la force fait un angle  avec la direction de déplacement et que le point d’application se
déplace d’une distance l, l’expression du travail est donnée par la relation :
W = F x l x cos 
Unités : [J] = [N] x [m]
Le travail est :
- maximal pour  = 0° (cos ° = 1)
- nul pour  = 90° (cos 90° = 0)

1—4
Définition du travail électrique
L’énergie électrique est donnée par :
Wél = U I t exprimé en joules
Où :
- U est la tension en volts (V)
- I est l’intensité du courant en ampères (Amp)
- t est le temps en secondes.
Travail moteur et travail résistant
Travail moteur
Le travail est moteur lorsque la force exercée aide au déplacement. W > 0 et 0° <  < 90°
Travail résistant
Le travail est résistant lorsque la force exercée s’oppose au déplacement. W < 0 et 90° < 
< 180°
Cas où la force exercée est un poids
Dans ce cas, la force F est exprimée par le poids : F = mg. Donc W = mg h (h est la hauteur)
Sur terre g = 9,8 m/s2  F = m x 9.8
Relation entre travail et puissance
Définition de la puissance
La puissance est égale au travail produit par unité de temps.
Si le travail W (en joules) est fourni pendant un temps t (en secondes), alors la puissance P
(en watts) s’exprime par :
P = W / t et W = P x t
Dans l’application d’une force linéaire :
P = (F x l x cos / t
ETAPE 2 – LES FORMES D’ENERGIE ET LEURS TRANSFORMATIONS
Sources et formes d’énergie
Sources d’énergie
Soleil, pétrole, charbon, gaz, atome, vent, barrages, maré-motrices …
6 formes d’énergie
Thermique, rayonnante, combustible (chimique), nucléaire (fissile), mécanique, électrique.
Transformations mutuelles d’énergie
Avec des moyens technologiques variés, l’homme cherche à obtenir certaines formes
d’énergie à partir des sources disponibles.
Différents transformateurs
Forme d’énergie initiale
convertisseur
Forme d’énergie obtenue
Électrique
Moteur électrique
Mécanique
Rayonnante
Photosynthèse
Chimique
Électrique
Fer à souder
Thermique
Thermique
Moteur thermique
Mécanique
Mécanique
Frottement
Thermique

1—5
Nucléaire
Centrale atomique
Électrique
Mécanique
Arbre de transmission
Cinétique
Mécanique
Turbine
Électrique
ETAPE 3 – RENDEMENT DES TRANSFORMATIONS D’ENERGIE, PRINCIPE DE
CONSERVATION
Rendement d’une transformation
La transformation d’une forme d’énergie vers une autre s’accompagne toujours de pertes, en
général par échauffement. La chaleur apparaît donc comme une forme dégradée de l’énergie,
qui apparaît selon l’équation :
Énergie absorbée  convertisseur  énergie restituée + chaleur « perdue »
On définit le rendement comme le rapport de l’énergie absorbée divisé par l’énergie restituée.
Rd = EnergieRestituée / EnergieAbsorbée = WR / WA
Rendement de puissance
C’est le plus souvent la puissance qui caractérise une machine. On préfère alors exprimer le
rendement à l’aide des puissances plutôt qu’à partir des énergies absorbées et restituées.
Le rendement est :
Rd = PuissanceRestituée / PuissanceAbsorbée = PR / PA
Ordres de grandeur de rendements
Exemples de rendements
Moteur électrique
80 %
moteur à explosion
25 %
Piles et accus
50 %
Lampe à incandescence
2 %
Photosynthèse
2 %
Radiateur électrique
100 %
Noter que le rendement de la photosynthèse est très faible… mais la ressource est « infinie ».
Principe de conservation de l’énergie
On a observé ce qui se passe dans le cas d’une transformation, par exemple un moteur
électrique :
E électrique = E mécanique + E thermique
(E tot = E utile + E entropique)
Cette formule décrit le principe de conservation de l’énergie.
Pour vérifier expérimentalement cette conservation, il faut effectuer l’expérience à l’intérieur
d’un système énergétiquement isolé : une enceinte adiabatique.
L’énergie totale du système se conserve mais se dégrade en évoluant vers la forme thermique.