L’ENERGIE UN DEFI A RELEVER Qu’est-ce que c’est ? Qu’est ce que ça évoque chez vous ? Laboratoire LCM UMR CNRS 6607 Antenne La RSY 2 Sept. 2010 L’ENERGIE POSE T-ELLE PROBLEME ?? Le bâtiment Pollution due aux transports : Les émissions de polluants des Moteurs à Allumage Commandé 3 La pérennité du système énergétique ?? L’eau, une force naturelle, une source d’énergie 4 Réserves Ultimes = Production cumulée + Réserves prouvées Réserves + Encore à découvrir (yet-to-find) Réserves Ultimes Récupérables Production Cumulée Une première définition de l’Énergie "Grandeur caractérisant un système et exprimant sa capacité à modifier l’état d’autres systèmes avec lesquels il entre en interaction " Travail Energie Système Transformation Application Interaction 5 6 Une seconde définition de l’Énergie Concept crée par les scientifiques pour quantifier les interactions entre phénomènes différents INTERACTIONS Échanges Echanges d’énergie Transformation d’énergie en une autre 7 Échanges d’Énergie Description Transformation Formes Lois de la thermodynamique Notions de travail et de chaleur 8 Formes d’Énergie Cinétique Potentielle Mécanique Formes inattendues: La lumière transporte de l’énergie: E=hv Chimique Électrique La masse se transforme en Energie: E=∆mc2 Thermique Nucléaire… Présence de l’énergie dans le vide: fluctuations et naissance des particules élémentaires de l’univers 9 Comprendre les Phénomènes de l’Énergie λGrandeurs λ physiques fondamentales en Thermique Les 3 modes de transfert de chaleur 10 Grandeurs physiques fondamentales en thermique • • • • • Quantité de chaleur Température Flux de chaleur Capacité thermique massique Chaleur latente de fusion Quantité de chaleur Le travail mécanique W est une grandeur scalaire exprimée en Joules: W = ∫ b a F ds ( produit scalaire du vecteur FORCE F par le vecteur DEPLACEMENT ds) La chaleur est une forme particulière de travail, qui correspond au déplacement des particules élémentaires constituant la matière . Le premier Principe de la Thermodynamique exprime l'équivalence de la chaleur et du travail, qui sont deux formes différentes d'un même concept: L'énergie, qui doit se concevoir comme du travail ou de la chaleur emmagasinée. Travail, Chaleur et Energie sont 3 grandeurs équivalentes s'exprimant en Joules. 11 12 Expérience de James Joule (1843) 13 Température Grandeur physique qui décrit l'état thermique d'un corps. C'est une mesure de l'énergie cinétique moyenne des constituants élémentaires du corps. L'unité légale (S.I) de température est le KELVIN (symbole: K) 14 Point Triple 15 Echelle Celcius t (en °C) = T (en K) - 273, 15 K t Point triple de l'eau = 273,16 K - 273,15 K = 0,01 °C 16 Flux de chaleur Quantité de chaleur transférée par unité de temps Un flux de chaleur s'exprime donc en Joules/s, c'est-à-dire en Watt : C'est une puissance 17 Flux de chaleur Noter l'analogie avec la mécanique des fluides: Un débit fluide est un flux de matière (des m3) par seconde. Pour obtenir un débit d'un fluide, il faut une force motrice: Elle s'obtient par une différence de pression. Différences de pression et différence de températures sont équivalentes: Ce sont des différences de potentiel moteur. Capacité thermique massique 18 La capacité thermique massique d'une substance est la quantité de chaleur nécessaire pour élever de 1K la température d'une masse de 1 kg de cette substance. Elle s'exprime en J. kg-1. K-1 Pour l'eau liquide (ci-contre): C = 4187 J / (kg. K) 19 Chauffage d'un solide 20 Chaleur latente de changement d'état Pendant le changement d'état, la température ne varie plus. Mais on doit continuer à fournir de la chaleur. Chaque kg de matière solide requiert pour opérer sa fusion la fourniture d'une quantité d'énergie L Variation de la température en fonction de la quantité de chaleur fournie à un corps solide L, en Joules/kg, est la chaleur latente de fusion 21 Les 3 modes de transfert de chaleur • Conduction thermique • Convection de chaleur • Rayonnement thermique 22 Les 3 modes de transfert de chaleur 23 Conduction thermique A B Dans cette barre métallique chauffée en son extrémité A, on observe un gradient longitudinal de température T(x): T(A) > T(B) Cette différence du potentiel température T(A) - T(B) provoque un flux de chaleur Φ : Φ = h S [ T(A) - T(B) ] en J/s h est défini comme un coefficient de transfert de chaleur 24 Conduction thermique 25 Conduction thermique Conduction thermique 26 27 Convection de chaleur C'est le transfert de chaleur par des courants de fluides, liquides ou gazeux. Ce phénomène peut se développer naturellement, les différences de potentiel motrices étant des différences de densité: c'est la CONVECTION NATURELLE. On peut aussi le générer mécaniquement à l'aide de pompes ou de ventilateurs: c'est la CONVECTION FORCEE. Rayonnement thermique 28 Cette forme de transfert d'énergie n'a besoin d'aucun véhicule de transport. Ce transfert a également lieu dans le vide. Principe d'un four solaire: Le rayonnement solaire concentré par le miroir parabolique élève la température du récepteur jusqu'à 300 °C La différence de potentiel motrice est la différence entre les puissances quatrièmes des températures de la source et du récepteur.