Energie, puissance et production d`énergie

Denis Rabasté IUFM Aix Marseille 1/8
Energie, puissance et production d’énergie
Le skateur
Un skateur part, à l’arrêt du haut de la rampe d’un skate parc de hauteur 5 m. La masse du skateur
est de 50 kg (on prendra g=10 pour l’accélération de la pesanteur).
Tous les frottements sont négligeables.
;
Quel transfert d’énergie se réalise lorsqu’il s’élance dans la rampe ?
Que vaut la somme de ces deux énergies ? Justifier.
Quelle est sa vitesse au bas de la pente ?
Peut-il remonter en haut de la pente en face de lui (de même hauteur que celle qu’il vient de
descendre) ?
Que doit-il faire pour remonter cette pente si les frottements ne sont plus négligeables ?
Puissance et énergie
Pour chauffer une pièce d’habitation, on utilise un radiateur électrique de puissance 1 kW ; pour
arriver de la température de départ de 15°C à celle d’arrivée de 20°C, le radiateur doit fonctionner
pendant 2h de manière continue.
Sachant que le distributeur d’énergie facture le kWh à 0,1 € , combien coutera l’opération ?
Pour chauffer la pièce, on utilise maintenant un radiateur de 2 kW ; on supposera que pour chauffer la
pièce, le radiateur doit fonctionner en continu pendant 1h.
Quel sera le prix de l’opération ?
Une fois la pièce à 20°C, pour maintenir la tempéra ture, le radiateur de 2 kW fonctionne en
intermittence pendant un quart du temps grâce à son thermostat.
A combien revient une journée de chauffage ?
Une centrale hydraulique
La figure suivante propose un schéma simplifié détaillant une centrale hydraulique :
Une retenue d’eau permet de faire circuler de l’eau dans une conduite forcée, ce qui a pour effet de
faire tourner une turbine.

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Celle-ci entraine un alternateur qui produit de l’énergie électrique.
Pour une raison que nous verrons par la suite, la tension de cette énergie sera élevée par un
transformateur afin d’être acheminée vers les lieux de consommation où elle sera abaissée de
nouveau au potentiel de 230 V par un autre transformateur, afin d’être utilisé dans des conditions de
sécurité acceptables.
D’après http://rascol.free.fr/2A_99_2000/hydro/les_centrales_hydro.htm
Donner les différentes transformations que subit l’énergie dans ce processus ; on précisera à
chaque fois où se trouve l’énergie et sous une forme donnée (on utilisera les termes suivants :
retenue d’eau, conduite forcée, turbine, alternateur, transformateur).
On supposera dans une première approximation, que la totalité de l’énergie potentielle de l’eau se
retrouve au niveau de la turbine.
L’alternateur est par contre le siège de pertes :
frottement au niveau de l’axe de rotation ;
échauffement dans les conducteurs en cuivre et matériaux magnétique.
On estime que pour une puissance de 100 kW entrant au niveau de l’alternateur via la turbine, 10 kW
passent en pertes diverses.
Quelle puissance se retrouve alors en sortie sous forme électrique ? Justifier votre réponse.
On détermine le rendement d’un appareil par le quotient de la puissance de sortie sur celle d’entrée.
Entre quelles valeurs peut être compris un rendement ?
Calculer celui de l’alternateur.
Le transformateur a un rendement de 95%.
Proposer un schéma faisant apparaître les puissances en entrée et en sortie dans les différents
éléments de la centrale. On précisera le rendement de chaque élément.
A partir de la définition du rendement énoncée plus haut, montrer que le rendement global de
la centrale est le produit des rendements de chaque élément.
L’énergie fournie par le barrage est elle renouvelable ?
Y a-t-il génération d’une pollution pour la produire ?
Citer d’autres exemples où l’eau permet de produire de l’énergie électrique.
Transport de l’énergie électrique
Nous avons pu que constater que la centrale précédente intégrait un dispositif, nommé
transformateur, permettant d’élever la tension électrique.

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La puissance électrique peut s’exprimer sous la forme :
P=k.U.I
- U étant la tension en volts ;
- I le courant en ampères ;
- P la puissance en watts ;
- k un facteur que l’on considérera constant dans cette approximation.
Comme on peut le voir sur la figure suivante, les lieux d’utilisation et de production sont souvent
éloignés ce qui nécessite un transport, parfois sur plusieurs milliers de km, sur des lignes électriques.
La circulation d’un courant dans une ligne électrique crée un échauffement dans la résistance R de la
ligne, engendrant une perte de puissance proportionnelle à R.I², la résistance R étant d’autant plus
importante que la ligne est longue.
La figure suivante montre que la tension subit plusieurs transformations, délimitant ainsi plusieurs
zones :
le réseau basse tension de production et d’utilisation à 230 V par exemple.
le réseau moyenne tension (aujourd’hui nommée HTA) à 20 kV par exemple ;
le réseau haute tension (aujourd’hui nommé HTB) à 220 kV par exemple.
D’après http://www.energies-services.org/page411-409-le-transport-d-electricite.html
Pourquoi éloigne-t-on les lieux de production de ceux de consommation ?
En supposant le rendement des transformateur unitaire, justifier ces changements de tension
successifs.
Exemple de transformateur et centrale de transformation.
Centre de distribution local Gros plan d’un transformateur du
centre de distribution Transformateur de quartier
D’après http://perso.id-net.fr/~brolis/softs/domodidac/transfo.html

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Une centrale thermique
La figure suivante schématise le principe de fonctionnement d’une centrale à charbon.
D’après http://perso.id-net.fr/~brolis/softs/domodidac/transfo.html
Expliquer les différentes formes que prend l’énergie, avant d’arriver sous forme électrique
(remarque : la partie « transformation haute tension » n’a pas été représentée ici)
L’énergie d’un kilogramme de charbon est estimée à 4 kWh et le rendement (rapport entre l’énergie
électrique fournie et l’énergie primaire fournie) d’une centrale thermique à vapeur à environ 40% .
La figure suivante schématise une centrale nucléaire. Son rendement est estimé à 30% et l’énergie
primaire disponible dans un kilogramme d’uranium à 50 000 kWh.
Expliquer le fonctionnement et comparer par rapport à une centrale thermique classique.
Quelle énergie mécanique dans un kWh ?
On souhaite monter une charge d’une tonne (1000 kg) en haut de la tour Effel (324 m). On dispose
pour cela d’un treuil et d’un moteur électrique, le rendement de l’ensemble étant de 88% (on prendra
9,8 m/s² pour g).
Déterminer l’énergie nécessaire à l’opération (en Joule puis en kWh).

Denis Rabasté IUFM Aix Marseille 5/8
Combien de temps sera nécessaire pour effectuer l’opération, avec un moteur de 1 kW ? avec
un moteur de 10 kW ?
L’énergie d’un kilogramme d’orange
Albert Einstein à démontré avec la théorie de la relativité, qu’il y avait une équivalence entre l’énergie
et la matière, donnée par la relation : E=m.c²
où « E » représente l’énergie équivalente en Joules à la masse « m » en kg, « c » étant la vitesse de
la lumière 3.10
8
m/s.
En supposant, ce qui est loi d’être le cas, que l’on sache extraire toute l’énergie d’un kg de
matière (1kg d’orange par exemple), quelle quantité d’énergie aurions nous alors ?
La consommation électrique annuelle en France étant estimée à 500 TWh, pendant combien de
temps pourrions nous alimenter ce pays en électricité ?
Citez des exemples où une partie de cette transformation matière énergie est réalisée.
L’expérience de Joule
En 1842 James Prescott Joule a voulu montrer l’équivalence entre l’énergie potentielle et l’énergie
calorifique ; il a utilisé pour cela le dispositif suivant, pouvant être schématisé par la figure de droite :
D’après et http://www.ac-nancy-metz.fr/enseign/physique/phys/bts-main/Cours_1.pdf et
http://fr.wikipedia.org/wiki/Exp%C3%A9rience_de_Joule
Expliquer le principe de cette expérience.
Calculer l’énergie potentiel au début de l’expérience et à la fin. Quelle est la variation d’énergie
potentielle ?
Qu’est devenue cette énergie.
On sait que l’accroissement de chaleur (d’énergie) Q reçu par un liquide de masse M vaut :
Q=M.C. ∆
∆∆
∆ T,
où C représente la capacité thermique massique du liquide (4180 pour l’eau),
et ∆
∆∆
∆ T l’accroissement de température (attention de ne pas confondre m la masse du solide et M
la masse de l’eau).
Quel accroissement de température doit mesurer le thermomètre si h vaut 10 m (on prendra
g=10 m/s²), m=10 kg, le liquide étant 1 litre d’eau ?
Que se passe t-il si on remonte la masse avec la poignée ?