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SC23 - Séquence complémentaire valaisanne 11H

L’ENERGIE

A) INTRODUCTION

Une machine qui marche toute seule...

Une machine de ce type a été mise au point par le physicien Robert Fludd en 1619. Elle était conçue pour fonctionner là où il n'y avait pas d'eau courante: l'eau qui chute fait tourner la grande roue, qui fait tourner la pompe (vis d'Archimède) qui remonte l'eau et permet à la roue de tourner ce qui fait que l'eau chute ... ce qui fait tourner la roue ... Le mouvement sans fin, le mouvement perpétuel.Avec cette machine le courant d'eau pourrait ne pas s'arrêter. Qu'en penses-tu?(Note de l'auteur: sur le dessin, le moulin à blé d'origine a été remplacé par un ventilateur)

Énergie – 11H 1 document élève

Q

Avec ou sans énergie?

Parmi tout ce que tu peux observer sur ce dessin, quelles sont les activités ou phénomènes qui n'ont pas besoin d'énergie pour être réalisés ou pour fonctionner. Classe alors les activités ou phénomènes en deux catégories :

- l'une où tu nommeras ceux qui n'ont pas besoin d'énergie.- l'autre où tu nommeras ceux qui ont besoin d'énergie; nomme alors la

forme d'énergie nécessaire.


Q

Débat

Quelles énergies pour demain?

Le Valais est un grand producteur d'énergie électrique grâce à ses barrages. Environ le 10% de l'énergie électrique produite en Suisse l'est en Valais. Mais pour l'instant, la plus grande source d'énergie que nous employons en Valais provient du pétrole. Mais, alors que les quantités mondiales de pétrole consommées sont de plus en plus importantes, celles qui sont découvertes le sont de moins en moins : actuellement, nous découvrons chaque année deux à trois fois moins de pétrole que nous en consommons. Cette tendance ne pourra pas se prolonger indéfiniment...Un pic pétrolier est prévu pour cette décennie. Le pic pétrolier est le moment où la production mondiale de pétrole plafonne avant de commencer à décliner du fait de l'épuisement des réserves de pétrole exploitable. Alors, la production, bloquée à son maximum, sera insuffisante pour satisfaire la demande mondiale: on parlera alors de pénurie. Peut-on éviter cette pénurie? Devons-nous nous y préparer dès maintenant, comment?De plus, il semblerait que les réserves mondiales de ce pétrole peuvent encore nous en fournir pour une quarantaine d'années. Après, ce sera terminé! Que se passera-t-il alors?Que ferons-nous alors sans pétrole? Comment ferons-nous pour nous déplacer? Comment ferons-nous pour nous chauffer? Peut-on encore construire d'autres centrales hydroélectriques, en Valais, en Suisse dans le monde? Des éoliennes? Une centrale nucléaire? Une centrale à gaz? Des voitures électriques? Existe-t-il une source d'énergie pour remplacer le pétrole? Devons-nous tout de suite arrêter de gaspiller? Augmenter les économies d'énergie? Doit-on miser seulement sur des énergies basées sur le développement durable? Peut-on inventer de nouvelles énergies?


Q

B) HISTOIRE DE L’ENERGIE

Consommation d'énergie et population

1) Décris le graphique ci-dessous (titre, axes, courbes, unité).Décris l'évolution de chacune de ces courbes. Essaie de donner une explication à l'évolution de chacune des courbes.

2) On peut diviser ce graphique en quatre parties:

Inscris les sources d'énergie employées par l'homme lors de chacune de ces quatre périodes ainsi que l'emploi (machine, ...) que l'homme faisait de ces énergies.On appelle source d'énergie, un phénomène physique ou chimique dont il est possible d'exploiter l'énergie. Exemple de source d'énergie: pétrole.Et après 2050? Pourrais-tu esquisser la suite de ce graphique?

C) SOURCE, FORME, TRANSFERT DE Énergie – 11H 4 document élève

dès 1950entre 1900 et 1950entre 1850 et 1900avant 1850

Q

L’ENERGIE

Les sources d'énergie

L'eau pour les barrages hydroélectriques Un barrage retient de l'eau en altitude. Cette eau provient principalement des glaciers qui se forment grâce aux précipitations provenant des nuages. Les nuages, eux, contiennent de l'eau qui provient de l'évaporation des étendues d'eau et de la végétation. Et c'est le soleil qui fournit l'énergie nécessaire pour vaporiser cette eau qui va former des nuages (cycle de l'eau). C'est ainsi le soleil qui est le moteur de l'énergie hydraulique.

Le pétrole pour nos voituresLe pétrole s'est formé à partir de plantes qui se sont fossilisées, il y a plusieurs centaines de millions d'années (on parle alors d'énergie fossile). Pour se fossiliser, une plante doit être recouverte de plusieurs couches de sédiments et doit subir des conditions très particulières: absence d'oxygène, pression et température élevées. Ces plantes, avant de se fossiliser, ont dû se développer et pour cela une plante utilise la photosynthèse. Cette photosynthèse n'est possible qu'avec l'apport du soleil. C'est donc aussi grâce au soleil que nous avons du pétrole!

L'uranium pour l'énergie nucléaireL'uranium est l'atome le plus lourd présent naturellement sur la terre. Il est plus répandu que l'or ou l'argent. Sa concentration normale est de l'ordre de 3 grammes par tonne de roches mais on peut le trouver à une concentration plus élevée, 2 kg par tonne. On va alors l'exploiter. L'uranium est un métal radioactif, ainsi son noyau se désintègre en dégageant de l'énergie. Sa désintégration naturelle est une des sources qui entretient la chaleur présente dans le magma terrestre. Afin d'augmenter son rendement, on enrichit l'uranium avant de l'employer pour l'énergie nucléaire.


D

E

A l'aide des textes (ci-dessous) tirés de wikipedia, crée toi aussi des résumés (50-80 mots) qui expliqueront l'origine des sources d'énergies que nous utilisons: géothermie, charbon, vent, marée, biomasse.

Le charbon (adapté de wikipedia)Le charbon est un kérozène formé à partir de la dégradation de la matière organique des végétaux. Utilisé comme combustible dès le XIe siècle, son extraction dans les mines a rendu possible la révolution industrielle au XIXe siècle. Depuis, il reste le combustible fossile le plus utilisé dans le monde.Au cours de plusieurs millions d'années, l'accumulation et la sédimentation de débris végétaux dans un environnement de type tourbière provoque une modification graduelle des conditions de température, de pression et d'oxydo-réduction dans la couche de charbon qui conduit, par carbonisation, à la formation de composés de plus en plus riches en carbone : la tourbe (50 à 55%), le lignite (55 à 75%), la houille (75 à 90%) et l'anthracite (> 90%).La formation du charbon a commencé au Carbonifère, vers -360 à -295 Ma.Dans son appellation courante, le terme désigne généralement la houille. Autrefois, il était appelé charbon de terre en opposition au charbon de bois.Le charbon est une roche sédimentaire combustible composée essentiellement de carbone, d'hydrogène et d'oxygène. Il se forme sur plusieurs millions d'années à partir de l'accumulation de débris végétaux qui vont sédimenter et carboniser progressivement suite à une modification graduelle des conditions de température et de pression.Les propriétés physiques et chimiques du charbon dépendent donc essentiellement du degré de carbonisation du charbon (le « rang » du charbon).Plus le charbon a un rang élevé, plus sa teneur en eau est faible et sa teneur en carbone est forte et donc plus son pouvoir calorifique est important. Les charbons de rang supérieur sont donc des combustibles de meilleure qualité.Les charbons de rang inférieur sont plus brunâtres, plus ternes et plus friables tandis que les charbons de rang supérieur sont plus noirs, plus durs et plus résistants.Au cours de plusieurs millions d'années, l'accumulation et la sédimentation de débris végétaux dans un environnement de type tourbière provoque une modification graduelle des conditions de température, de pression et d'oxydo-réduction dans la couche de charbon qui conduit, par carbonisation, à la formation de composés de plus en plus riches en carbone : la tourbe (50 à 55%), le lignite (55 à 75%), la houille (75 à 90%) et l'anthracite (> 90%).La qualité du charbon, appelée « maturité organique », dépend donc des conditions physico-chimiques, ainsi que de la durée de sa formation.

La géothermie (adapté de wikipedia)

Il s'agit principalement d'extraire la chaleur contenue dans la croûte terrestre afin de l'utiliser pour les besoins en chauffage. Pour les forages peu profonds à basse température, on utilise, comme véhicule thermique, de l'eau ou de l'eau avec un glycol ou directement le fluide frigorigène. La profondeur de forage est en fonction de la température désirée et du gradient thermique local qui peut varier sensiblement d'un site à l'autre (en moyenne 4 °C par 100 m de profondeur). La méthode utilisée, dans les forages plus profonds, pour les transferts thermiques est plus simple (échangeur de température à contre courant) et ne nécessite pas de fluide caloporteur comme cela est le cas avec la géothermie peu profonde basse température.Plus on creuse profond dans la croûte terrestre, plus la température augmente. En moyenne, l'augmentation de température atteint 20 à 30 degrés par kilomètre. Ce gradient thermique dépend beaucoup de la région du globe considérée. Il peut varier de 3 °C / 100 m (régions sédimentaires) jusqu’à 1 000 °C / 100 m (régions volcaniques, zones de rift comme en Islande ou en Nouvelle-Zélande).Le manteau terrestre étant chaud, la croûte terrestre laisse filtrer cette chaleur. La plus grande partie de Énergie – 11H 6 document élève

la chaleur interne de l'eau (87%), est produite par la radioactivité des roches qui constituent le manteau et la croûte terrestre : radioactivité produite par la désintégration naturelle de l'uranium, du thorium et du potassium . Il existe dans la croûte terrestre (épaisse de 30 à 70 km en moyenne) un gradient de température : plus on creuse, plus la température augmente ; en moyenne de 3 °C par 100 mètres.La géothermie vise à étudier et exploiter ce phénomène d'augmentation de la température en fonction de la profondeur.

Les marées (adapté de wikipedia)

La marée est le mouvement montant (flux) puis descendant (reflux ) des eaux des mers et des océans causé par l'effet conjugué des forces de gravitation de la Lune et du Soleil.Le niveau le plus élevé atteint par la mer au cours d'un cycle de marée est appelé pleine mer (ou couramment « marée haute »). Par opposition, le niveau le plus bas se nomme basse mer (ou « marée basse »). On parle aussi d'« étale de haute mer » et d'« étale de basse mer ». Parler de « marée haute » et de « marée basse » est ce qui est le plus courant, bien que le mot marée désigne normalement un mouvement.Selon l'endroit de la Terre, le cycle du flux et du reflux peut avoir lieu une fois (marée diurne) ou deux fois par jour (marée semi-diurne). Lors de la pleine Lune et de la nouvelle Lune, c'est-à-dire lorsque la Terre, la Lune et le Soleil sont sensiblement dans le même axe, ces derniers agissent de concert et les marées sont de plus grande amplitude (vives-eaux). Au contraire, lors du premier et du dernier quartier, lorsque les trois astres sont en quadrature, l'amplitude est plus faible (mortes-eaux). Les marées les plus faibles de l'année se produisent normalement aux solstices d'hiver et d'été, les plus fortes aux équinoxes.Le phénomène est dû à la déformation de la surface des océans par suite des attractions combinées des autres corps célestes. Ce mouvement peut même détruire l'astre qui le subit : si la force de marée l'emporte sur la force de gravitation de ses constituants, l'astre se désagrège.L'attraction gravitationnelle étant inversement proportionnelle au carré de la distance, l'astre (principalement la Lune dans le cas de la Terre) attire plus fortement les masses (liquides et solides) proches. En particulier, le point le plus proche de la Lune est plus attiré que le point à l'opposé. Si l'on fait la moyenne des actions, on peut décomposer la force en chaque point de l'axe Terre-Lune en deux forces :

- une force d'attraction moyenne , - une force centripète (par rapport au barycentre Terre/Lune).

Il s'ensuit une déformation de la surface des mers, mais aussi des sols, qui diffère donc de ce qu'elle serait sans la présence de notre satellite et du soleil. Pour la mer, on peut comparer cette déformation à une énorme vague qui serait de forme régulière si les fonds des océans « étaient réguliers et s'il n'y avait pas de côtes ».

Le vent (adapté de wikipedia)

Les causes principales des grands flux de circulation atmosphérique sont la différence de température entre l’équateur et les pôles, qui cause une différence de pression, et la rotation de la Terre qui dévie le flot d'air qui s'établit entre ces régions. Des différences locales de pression et de températures vont quant à elle donner des circulations particulières comme les brises de mer ou les tornades sous les orages.

Cas général: La pression atmosphérique en un point est le résultat du poids de la colonne d’air au-dessus de ce point. Les différences de pression qu’on note sur le globe terrestre sont dues à un réchauffement différentiel entre ces points[11]. En effet, l’angle d’incidence du rayonnement solaire varie de l’équateur aux pôles. Dans le premier cas, il est normal à la surface de la Terre alors que dans le second, il est rasant. Cette variation conditionne le pourcentage d’énergie solaire reçue en chaque point de la surface terrestre. De plus, les nuages reflètent une partie de cette énergie vers l’espace et elle est absorbée différemment selon le type de surface (mer, forêt, neige, etc.). La différence de pression ainsi créée est la force qui déplace l’air. Si la Terre ne tournait pas sur son axe, la circulation serait donc directe entre les centres de haute et de basse pression. Cependant, cette rotation dévie l’air


dans la direction perpendiculaire au déplacement par rapport à un observateur au sol. En fait, c’est l’observateur qui bouge mais on l’appelle quand même force de Coriolis. Elle est proportionnelle à la vitesse de l’air déplacé mais vers la droite dans l’hémisphère Nord et à gauche dans celui du sud. À grande échelle dans l'hémisphère nord, les vents tournent donc dans le sens horaire autour d'un anticyclone, et anti-horaire autour des dépressions. L'inverse est vrai pour l'hémisphère sud où la force de Coriolis est inverse. On peut déterminer notre position entre ces deux types de systèmes selon la loi de Buys-Ballot : un observateur situé dans l'hémisphère nord qui se place dos au vent a la dépression à sa gauche et l'anticyclone à sa droite. La position des zones de pressions est inversée dans l'hémisphère sud. Ainsi, les vents sont provoqués par un réchauffement inégalement réparti à la surface de la planète par l’énergie solaire, et par la rotation de la planète. Les vents sont généralement classifiés selon leur ampleur spatiale, leur vitesse, leur localisation géographique, le type de force qui les produit et leurs effets. La vitesse du vent est mesurée avec un anémomètre mais peut être estimée par une manche à air, un drapeau, etc.

La biomasse (adapté de wikipedia)

Le terme de biomasse désigne l'ensemble des matières organiques d'origine végétale, animale pouvant devenir source d'énergie par combustion, après méthanisation (biogaz) ou après de nouvelles transformations chimiques (biocarburant).

L'énergie tirée de la biomasse est considérée comme une énergie renouvelable et soutenable tant qu'il n'y a pas surexploitation de la ressource, mise en péril de la fertilité du sol.

Mais, bien que présentant de nombreux avantages écologiques et en termes de développement local, la biomasse peut être polluante (CO, CO2, fumées, goudrons) si elle est mal utilisée ou si la biomasse utilisée était polluée par des métaux lourds.

Comme dans le cas des ressources fossiles (pétrole), il s'agit en quelque sorte d'une forme de stockage provenant des plantes grâce à la chlorophylle. La biomasse libère du CO2 en brûlant, comme le charbon, le gaz ou le pétrole, mais ce carbone a récemment été extrait de l'atmosphère via la photosynthèse et peut théoriquement être à nouveau capté par les plantes, alors que ce processus pour le pétrole a eu lieu il y a des millions d'années.

La biomasse est utilisée par l'homme depuis qu'il maîtrise le feu. Elle reste la première énergie renouvelable utilisée dans le monde, pour le chauffage et la cuisson surtout, mais essentiellement dans les pays peu industrialisés. L'énergie tirée de la biomasse intéresse à nouveau les pays riches confrontés au dérèglement climatique et à la perspective d'une crise des ressources en hydrocarbures fossiles. C'est une filière en développement rapide, y compris sous des formes industrielles avec les agrocarburants et le bois énergie à usage industriel.

Sources, formes et utilisation de l'énergie


Q

En t'aidant du schéma conceptuel « sources d'énergie, formes d'énergie, utilisation » (page 10)

1) Cite les sources d'énergie présentes dans le schéma.les formes d'énergie présentes dans le schéma (une forme d'énergie est le résultat de la transformation d'une source d'énergie). les usages des formes d'énergie (usages présents dans le schéma).

2) Dans ce schéma, il manque une source d'énergie qui était la principale source avant 1850, quelle est cette source?Qu'est-ce que la biomasse?

3) a) A l'aide du schéma, inscris les sources possibles de l'énergie chimique. Explique le transfert possible d'une énergie chimique en une autre énergie (indique le processus de transformation) et l'utilisation possible de cette énergie.

b) Fais de même avec l'énergie mécanique, (on peut définir l'énergie mécanique comme l'énergie liée au mouvement ou à la capacité de créer un déplacement). Fais de même avec l'énergie électrique, ...

c) Un radiateur électrique fonctionne grâce à un barrage situé en Valais. A l'aide de ce schéma, explique les transferts d'énergie nécessaires pour passer de l'eau accumulée dans un barrage à la chaleur émise par le radiateur.

4) En Suisse, les 40% de la production électrique est nucléaire. Décris le cheminement entre la source d'énergie et l'éclairage qui est un des usages possibles de cette électricité.

5) Mon vélomoteur fonctionne à l'aide d'un moteur à explosion. Décris les transferts d'énergie nécessaires entre la source d'énergie et le fait que je roule avec mon vélomoteur.

6) On peut classer les énergies en deux catégories: renouvelables et non renouvelables.Répartis les énergies par ces deux catégories. (Une source d'énergie renouvelable est une source d'énergie exploitée par l'homme de telle manière que ses réserves ne s'épuisent pas).


D


so urc e é ne rgie utilisa tio na to m e

s o le il

u ra n iu m

p é tro leb io m a s s ec ha r bo nm é th a n e

é ne r g ie n uc lé a ire

é ne r g ie ra y o nn a n te

g é o th e r m ieé c la ir

é ne r g ie m é c a n iq u e ( lié e a u d é p la c e m e n t)

é ne r g ie c h im iq ue

e a u d e s b a r ra g e s (h y d ra u liqu e )

m a ré ev e n t

é ne r g ie th e rm iq u e

c ellule photovoltaïque

é ne r g ie the rm iq u e

réac teurs nuc léaires

c om bustionfours solaires alternateurs

é ne r g ie c h im iq u e

photosynthèse

é ne r g ie m é c a n iq u eé ne r g ie é le c tr iq u ealternateur

é c la ir a g e

piles

v é g é ta tio n tr a n s p o r t

é ne r g ie é le c tr iq u e

c ha u f f a g e m o te u rs é le c tro n iq ueté lé c o m m un ic a tio n

S o urc e s d'é ne rg ieFo rm e s d 'é ne rg ie

U tilis a tio ng ra v ita tio n

M

so urc e é ne rgie utilisa tio n

Créer une pileMatériel: 1 litre de vinaigre, 5 gobelets en plastique ou en verre (plus stable), 5 bandes de cuivre et 5 bandes de zinc (largeur inférieure au verre, longueur supérieure au verre). Une diode. Des fils électriques et des pinces crocodiles. Mettre du vinaigre (¾) dans les verres. Placer une bande de cuivre et une bande de zinc dans chaque verre sans qu'elles se touchent. Relier le zinc de chaque verre au cuivre d'un autre verre. Une chaîne est ainsi créée: cuivre-zinc-cuivre-zinc- etc.Relier alors le cuivre restant à la grande patte (+) de la diode et le zinc restant à la petite patte (-) de la diode. Elle devrait s'allumer.Avec un verre, on a déjà une pile. Avec plusieurs verres, on a des piles en série. Trois verres au minimum sont nécessaires pour allumer la diode.On peut remplacer un verre de vinaigre par un citron ou une patate.

Construire un chauffe-eau solaire Comment chauffer 1 dl d'eau en construisant un chauffe-eau solaire le plus efficace possible?Tu as à ta disposition le matériel suivant mais tout ce matériel n'est peut-être pas nécessaire, à toi de voir! Explique la construction que tu pourrais faire et le pourquoi de tel ou tel matériau.Matériel: Deux boîtes de cartons à chaussures dont l'une s'emboîte dans l'autre, divers déchets de cartons, de la laine, de la peinture noire, de la peinture blanche, des feuilles de papier aluminium, une plaque de verre, un tuyau en plastique (diamètre 5-10 mm) avec des bouchons en liège, un bocal (de confiture), une feuille de plastique transparente.Outils: un cutter, de la colle, du scotch, un pinceau.

Réalisation possibleLe petit carton s'emboîte dans le grand; entre les deux de la laine comme isolant (isolation). A l'intérieur du petit carton, place des feuilles de papier d'alu de manière à ce que un maximum de rayons du soleil soient réfléchis sur le verre ou le tuyau (réflexion). Des déchets de carton pourraient être le support du papier alu. Attention un côté aluminium est plus réfléchissant que l'autre. Le verre et le tuyau seront peints en noir afin de mieux transmettre la chaleur à l'eau (absorption). Le carreau de verre est à placer sur les cartons: il laisse entrer l’énergie du soleil et l’emprisonne (effet de serre). Le verre, cher à l'achat, pourrait être remplacé par le plastique.


M

A partir de ce texte, construis un schéma conceptuel qui expliquera d'où vient l'hydrogène et ce que l'on peut en faire.

L'hydrogène, l'énergie de demain?

L'hydrogène selon certains sera l'énergie de demain. C'est l'élément le plus présent sur terre. Un des principaux intérêts de l’hydrogène est sa capacité de générer de l’énergie sans émettre de polluants ni de CO2. Et ceci de deux manières: dans un moteur et dans une pile.Dans un moteur à combustion, l’hydrogène entre en combustion avec l'oxygène et produit ainsi de l’énergie thermique puis mécanique; les produits de la combustion sont la vapeur d’eau et l'énergie. 2H2 + O2 → 2H2O + énergie. Dans une pile à combustible, l’hydrogène perd son électron (H→H++e- ). L'électron sera le courant électrique et le H+ va s'allier avec l'oxygène pour former de l'eau (H2O).

Voir l'animation:http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/animations_flash/a_la_loupe/fonctionnement_de_la_pile_a_combustible

Pour produire de l'hydrogène, ce n'est pas si simple. Certes, l'hydrogène est l'élément le plus abondant sur terre. Mais, il est toujours en combinaison avec d'autres atomes, par exemple avec l'eau (H2O), avec le méthane (CH4) ou avec des hydrocarbures (pétrole par exemple) qui sont formés principalement de deux atomes C: carbone et H: hydrogène. Pour isoler l'hydrogène (H2), il faudra alors casser ses liaisons avec les autres atomes.Deux possibilités existent :

A partir de sources d'énergie fossile (gaz, charbon essence), on injecte de la vapeur d’eau surchauffée sur des sources d'énergie fossiles (gaz, charbon, essence) ce qui a pour effet de séparer l'hydrogène contenu dans ces énergies fossiles et de l'isoler. Cette technique émet beaucoup de CO2.

L'électrolyse de l'eau: l'eau est décomposée en hydrogène et oxygène par un courant électrique.

Mais pourquoi employer de l'électricité pour isoler de l'hydrogène, hydrogène qui va servir à créer à nouveau de l'électricité? L'hydrogène est facilement transportable et stockable, contrairement à l'électricité, ce qui lui donne un atout certain.


E

Les aliments, source d'énergie

L'homme trouve son énergie dans les aliments. L'énergie chimique qu’ils contiennent est en effet transformée en énergie mécanique et en chaleur. L'énergie mécanique, produite par les muscles, permet l'activité physique de la vie quotidienne ou sportive. Très peu d'énergie est utilisée directement au cours de l'exercice. L'énergie utilisable est stockée sous forme de glycogène (glucides) dans les muscles et le foie et sous forme de graisse de réserve (lipides). On peut stocker jusqu'à 1 300 Kcal sous forme de glycogène et jusqu'à 100 000 Kcal sous forme de graisse. Le muscle possède des réserves en oxygène, glucides (sous forme de glycogène) et lipides. Mais il ne peut pas utiliser directement l'énergie de ces ressources pour se contracter. Il a besoin d'un « intermédiaire énergétique » : l'ATP (adénosine triphosphate). C'est ainsi que lors de la contraction musculaire, l'énergie libérée par les nutriments est transformée en ATP et cette ATP est transformée en énergie mécanique et en chaleur. Le rendement du muscle est assez faible :- entre 20 et 25 % de l'énergie chimique est transformée en énergie mécanique pour les sportifs de très haut niveau ; - le reste, soit entre 75 et 80 %, est perdu sous forme de chaleur.

Energie apportée par les nutriments, mesurée en kilocalories (Kcal ou Cal). L'unité internationale est le kilojoule : 1 Kcal = 4,18 J.Nutriment Valeur énergétique rôle

lipide 9 Kcal/g énergie

glucide 4 Kcal/g énergie

protide 4 Kcal/g soutien structure

eau, sels minéraux 0 Kcal/g transport

oligo-éléments, vitamines 0 Kcal/g métabolisme

Energie dépensée selon l'activitéActivité Dépense énergétique

Métabolisme de base 120 Kcal/h

Marche à pied 5 km/h 240 Kcal/h

Course à pied 11 km/h 900 Kcal/h

cyclisme 360 à 900 Kcal/h

Ski de fond 750 à 1000 Kcal/h

natation 700 Kcal/h

Tiré de Energie alimentaire (www.planete-energies.com)


Les aliments sont composés de différents nutriments : lipides, glucides, protides, eau, sels minéraux, oligo-éléments, vitamines. Certains d'entre eux permettent de synthétiser les molécules propres à l'organisme, d'autres assurent les besoins énergétiques.

D

Point 1

Point 2

Point 3

D) TRANSFERT ET RENDEMENT

Transfert d’énergie et énergie dissipée

Pompage, turbinage : Il est possible de pomper l'eau de la plaine pour remplir les barrages d'altitude. Il y aura là un transfert d'énergie électrique en énergie mécanique: la pompe électrique entraine l'eau de la plaine jusqu’au barrage.Puis cette eau servira alors à produire de l'électricité. Il y aura alors un transfert d'énergie mécanique en électrique: l'eau entrainera une turbine qui entrainera un alternateur qui produira de l'électricité.On appelle cette technique le pompage/turbinage. Et elle est pratiquée en Valais. Mais pour que cette pratique soit rentable, il faudrait que ces deux transferts d'énergie dégagent un bénéfice énergétique: si on emploie 100 KWh pour pomper de l'eau, on en produirait 120 KWh avec cette même eau??? Le gain énergétique est-il possible lors d'un transfert? Mais alors, on a résolu tous nos problèmes énergétiques avec le pompage /turbinage?Il y a quelque chose qui cloche dans tout cela... Où est l'erreur?

Les montagnes russes Dans les manèges, appelés Montagnes Russes, des wagonnets profitent de leur hauteur pour dévaler des pentes vertigineuses puis remonter d’autres pentes, un peu moins hautes, grâce à leur élan. En premier lieu, on amène un wagonnet au point le plus haut du manège (point 1). A ce point, le wagonnet aura acquis une énergie potentielle qui lui permettra de redescendre la pente. Cette énergie potentielle est proportionnelle à la hauteur où se situe le wagonnet par rapport au point le plus bas. Plus la hauteur est importante, plus l’énergie potentielle sera grande. En descendant la pente, le wagonnet transformera son énergie potentielle en énergie cinétique, cette énergie est liée à la vitesse. Plus la vitesse est grande, plus l’énergie cinétique est importante. En bas de la pente (point 2), son énergie potentielle sera nulle mais son énergie cinétique sera maximale. C’est cette énergie cinétique qui permettra au wagonnet de remonter la pente et d’atteindre le point 3. Il transformera alors son énergie cinétique en énergie potentielle : il gagnera de la hauteur en perdant de la vitesse. Et ainsi de suite…


Q

D

Énergie cinétique : 90

Énergie potentielle :

81

Énergie dissipée : 9

Énergie potentielle :

100

Énergie cinétique :

90


Mais attention, en transférant l’énergie potentielle en énergie cinétique, une partie de l’énergie se dispersera sous forme de chaleur à cause du frottement : si on a 100 unités d’énergie potentielle, cette énergie ne pourra pas se transférer en 100 unités d’énergie cinétique, il y en aura moins!! Le reste sera transformé en chaleur : énergie dissipée.

Du point 1 au point 2 Du point 2 au point 3

1) Montagne russe Un wagon de « Montagne Russe » se trouve au sommet d’une « montagne » à une vitesse nulle. On estime alors son énergie potentielle à 100. Puis on le pousse dans la pente.Estime son énergie potentielle, son énergie cinétique et son énergie dissipée au point b, c, d et e.

b c d e

Energie potentielle

Energie cinétique

2) YoyoExplique le fonctionnement d’un yoyo par un croquis et en écrivant un petit texte. Utilise les termes énergie potentielle, énergie cinétique et énergie dissipée.

3) PenduleIdem avec le pendule.

4) LavoisierLavoisier, un grand scientifique, a dit : « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme ».


E

Mais n’est-ce pas faux ? Dans les montagnes russes, quelque chose s'est perdu puisque une partie de l'énergie potentielle ne s'est pas transformé en énergie cinétique. Lavoisier ne dirait que des bêtises!! Qu’en penses-tu ?

5) HydroélectricitéA l’aide d’un petit texte, explique comment on produit de l’électricité hydraulique depuis la retenue d’eau jusqu’à l’usine électrique. Utilise les termes énergie potentielle, énergie cinétique, énergie mécanique, énergie électrique.

6) Barrage d'altitudeLes barrages au fil de l’eau sont moins performants que les barrages d’altitude. Explique pourquoi.

7) Pompage/turbinageGérard affirme: « L’énergie produite grâce à 1m3 d’eau venant d’un barrage hydroélectrique jusqu’à la turbine, en plaine, est supérieure en quantité à celle qu’il faut pour pomper 1m3 d’eau de la plaine jusqu’au barrage ». Gérard ne dit-il que des bêtises ? Explique.


Unités et calculs de quantité d'énergie

1) Energie électriquePour calculer l'énergie consommée par un appareil électrique, on multiplie sa puissance par le temps d'utilisation.

L'unité d'énergie pour l'électricité est le KWh.

Exemple: si on utilise, pendant 2 heures, un aspirateur ayant une puissance 2000 Watt, on aura alors consommé: 2000 Watt . 2 = 4000 Wattheure = 4 KWh.

Il existe des appareils capables de mesurer l'énergie consommée: l'énergie-mètre

2) Autres formes d'énergieL'unité employée pour d'autres formes d'énergie est le Joule (J) ou la calorie (cal).Ceci est valable pour l'énergie potentielle, énergie cinétique, énergie thermique ou pour l'alimentation.

Calcul de l'énergie nécessaire pour chauffer 1 litre d'eau d'une température de départ (T1) à une température d'arrivée (T2):

E = Energie m = masse c = chaleur massique

La chaleur massique (c), est la capacité d’une substance à emmagasiner et à rétribuer de la chaleur.

Deux exemples:Énergie – 11H 17 document élève

Unité de puissance: Watt

Unité d'énergie: Ws (Wattseconde) ou Wh (Wattheure) ou KWh (KiloWattheure)

1 KWh= 1000 Wh

1 cal= 4,1855J 1J = 1W.s 106J= MJ (MégaJoule) 1 KWh = 3,6 MJ

Chaleur massique de l’eau : ceau= 4186 J/kg.oC

Energie = Puissance . Temps

E = m . c . (T2 – T1)

D

a) Calcul de l'énergie nécessaire pour chauffer 800 kg d'eau, de 12 degrés à 40 degrés en

sachant que la chaleur massique (c) de l'eau est de 4186 J/kg.oC.

Energie = 800 . 4186 . (40-12) = 93'766'400 J= =93,7664.106 J= 93,7664 MJ

b) Calcul de la quantité de mazout nécessaire pour chauffer 800 kg d'eau, de 12 degrés à 40 degrés en sachant que 1 kg de mazout fournit 44 MJ. Cette dernière notion est appelée pouvoir calorifique.Selon le calcul précédent, l'énergie nécessaire pour chauffer cette eau est de 93,7664 MJ. Quantité de mazout: 93,7664 : 44 = 2,13 kg. Il faudra 2,13 kg de mazout.

8) AmpouleCalcule l'énergie consommée par une ampoule de 75 Watt pendant 1 semaine.Et le prix que coûte cette consommation en tenant compte que le KWh est facturé à 0,25 frs.

9) En fonction, mise en veille, éteint ou débranché?Un PC en fonction utilise 130 Watt pour fonctionner.En veille, il utilise 30 Watt.Eteint, il utilise 5 Watt (gérer l'horloge interne et préserver la connectivité au réseau) Débranché, il utilise 0 Watt.La Suisse compte 8 millions de PC.On estime que, lorsqu'ils ne sont pas en fonction ou en veille, la trois quarts des PC sont éteints (mais pas débranchés). On estime aussi que ce temps de « éteint » représente, en moyenne, les 80 % du temps.Calcule le prix que coûtent ces ordinateurs suisses éteints (mais pas débranchés) sur une année. (Prix du KWh: 0,25 frs)

10) Énergie grise


E = m . c . (T2 – T1)

En Europe, l'équivalent de 6 centrales nucléaires sont nécessaires pour faire fonctionner des appareils électroniques éteints. Eh oui, même éteint un appareil utilise de l'énergie (horloge du four par exemple).

Pouvoir calorifique d'un combustible: c'est l'énergie de chaleur transmise par rapport à la masse de 1 kg

1 kg d'essence fournit 40 MJ

1 kg de gaz naturel 50 MJ

1 kg de mazout 44 MJ

1 kg de charbon 32 MJ

1 kg de bois 18 MJ

1 kg de bougie 40 MJ

1 kg hydrogène fournit 120 MJ

1 kg de uranium 77'000'000 MJ

E

Pour produire 1kg d'agneau, il faut utiliser beaucoup d'énergie notamment pour élever cet agneau mais aussi pour le transporter et le conserver dans de bonnes conditions (chaîne du froid par exemple). Toute cette énergie nécessaire pour produire cette viande d'agneau ou un autre produit est appelée énergie grise.Energie nécessaire pour produire un kilo de gigot d’agneau en provenance de: -Suisse : 70 MJ- Nouvelle Zélande : 290 MJQuel est le rapport entre l'énergie consommée pour un agneau provenant de Suisse ou de Nouvelle Zélande? Pourquoi une telle différence? Où se trouve la Nouvelle Zélande?

11) Prendre un bainEn principe, quand je prends un bain, j'utilise 300 litres d'eau.Calcule la quantité d'énergie nécessaire pour porter l'eau du bain de 12o à 37oC.Calcule la quantité de mazout, bois, charbon, gaz naturel qu'il faut brûler pour obtenir cette énergie.Et si j'avais pris une douche?Et si mon eau de bain est chauffée par de l'électricité? Que coûterait cette consommation électrique?

12) Chauffer de l'eau avec une bougieJe veux faire chauffer 200 ml d'eau avec une bougie. Je mets cette eau dans une boîte de conserve en fer de 50 g.Je place la bougie sous cette boîte de conserve en fer contenant 200 ml d'eau.Calcule la quantité de bougie qui sera nécessaire pour chauffer de l'eau de 12oC à 40oC.

Chauffer de l'eau avec une bougieEssaie toi aussi de calculer la quantité de bougie consommée pour chauffer de l'eau dans une boîte de conserve en fer. Attention, tu dois alors mesurer la masse de la bougie avant et après son utilisation pour vérifier si tes calculs sont exacts. Trouves-tu le même résultat? Si non, essaie de découvrir pourquoi.


Chaleur massique cfer= 444 J/kg.oC

ceau= 4186 J/kg.oC

Pouvoir calorifique 1 kg de bougie fournit 40 MJ

1 KWh = 3,6 MJ

M

Énergie reçue : 100

Énergie utile : 5


Rendement d’énergie

Les ampoules

Une ampoule à incandescence a un rendement de 5 %. C'est très faible.Seulement 5% de l'énergie électrique reçue est transformée en lumière. Les 95% restant sont transformés en chaleur. Ce qui n'est pas le but d'une ampoule. Cette ampoule est appelée « à incandescence » car la lumière est produite par un petit fil métallique torsadé, chauffé à blanc par le passage de l'électricité. Elle fonctionne de la même manière que le grille-pain.

Le rendement d'une lampe fluorescente est bien meilleur: 20 %. Ainsi pour la même quantité de lumière, on dépense 4 fois moins d'énergie qu'une ampoule à incandescence. Dans un tube fluorescent, un mélange gazeux (généralement de l'argon et un peu de mercure) est excité par l'électricité (par les électrons) et produit de la lumière ultraviolette invisible (les UV). Cette lumière invisible active une poudre fluorescente qui tapisse l'intérieur du tube. La poudre fluorescente activée émet alors de la lumière.

Un moteur à essence de voiture a un rendement de 30%. Ainsi 70% de l'énergie consommée se dissipe dans la nature et est perdue, principalement sous forme de chaleur.Un moteur électrique a un rendement bien supérieur: 70%. Faut-il alors privilégié le moteur électrique au moteur à essence?Pas sûr, il est difficile de comparer ces deux rendements car la source d'énergie n'est pas la même dans les deux cas: essence et électricité.De plus, il est nécessaire de produire cette électricité. Et une centrale nucléaire, productrice d'électricité a un rendement de 30 %, une centrale hydroélectrique a un rendement de 85%, des panneaux solaires photovoltaïques ont un rendement de 15%.Faut-il alors abandonner les panneaux solaires photovoltaïques à cause de leur faible rendement? Pas sûr. Il est aussi difficile de comparer ces trois derniers rendements. Leurs conditions de production étant très différentes. Comme le rendement d’un panneau solaire est seulement de 15 %, on peut s’attendre à une amélioration de ce rendement. Il y a une dizaine


Autrefois, on appelait les tubes lumineux des « néons » car les tout premiers (vers 1910) tubes étaient remplis du gaz néon, ce qui n'est plus le cas actuellement.

Quelques exemples de rendement

http://fr.wikipedia.org/wiki/CarburantCentrale nucléaire :30%

Moteur de voiture :30%

Moteur électrique :80 %

Pile électrique :90 %

Lampe à incandescence :5%

Lampe halogène :10%

lampe fluorescente :20%

Eolienne :25%

Centrale hydroélectrique :85%

Centrale nucléaire :30%

Capteur solaire thermique :60%

Capteur solaire photovoltaïque :15%

Installation de chauffage :70%

radiateur électrique : 100%

corps de chauffe électrique :97%

Muscle : 20%

Bicyclette : 90%

Photosynthèse : 2%

D

http://fr.wikipedia.org/wiki/Carburant#_blank

d’années, le rendement des panneaux solaires photovoltaïques étaient de 10% !La comparaison des rendements entre des ampoules à incandescence et des tubes fluorescents est pertinente car la source d'énergie est la même, de même que l'emploi de cette énergie (produire de la lumière). En plus, le choix d’une ampoule à meilleur rendement permet de moins utiliser d’énergie, donc de préserver la nature.

13) Quelle ampoule choisir?Une personne hésite entre l'achat d'une ampoule à incandescence et une ampoule fluorescente.Pour la même luminosité, la puissance d'une lampe à incandescente est de 75 W et celle de la lampe fluorescente est de 18 W. A l'achat, la lampe à incandescence coûte 2 francs et la lampe à fluorescence coûte 15.- Par contre la durée de vie de la lampe à incandescence est de 1000 heures tandis que la lampe à fluorescence est de 6’000 h.Le prix d'1 KWh est de 0,25 frsQue lui conseilles-tu ? Compare les coûts engendrés par les deux types d’ampoule.Compare l’impact de ce choix au niveau de la consommation d’énergie. Prends exemple sur ta maison si toutes les lampes à incandescence étaient remplacées par des lampes à fluorescence. 14) Bouilloire ou plaque électrique ?Une personne hésite à utiliser une plaque électrique ou une bouilloire pour chauffer 1 litre d'eau.La plaque électrique a une puissance de 1500W. La bouilloire a une puissance de 2200W.Pour chauffer 1 litre d'eau la bouilloire a besoin de 2 minutes et 45 secondes, tandis que la plaque a besoin de 5 minutes et 40 secondes.Le rendement d'une bouilloire électrique est-il meilleur que celui d’une plaque électrique? Admettons que chaque jour une famille chauffe 1 litre d’eau ; quel serait l’impact, pendant une année, sur la consommation d’énergie et sur le plan financier du choix pour l’une ou l’autre possibilité ? (Prix du KWh: 0,25 frs)

Isolation et conductionCertains matériaux conduisent mieux la chaleur que d'autres. On parle de matériaux isolants et conducteurs.Le rendement d'une chaudière à mazout est amélioré si elle est bien isolée, si les matériaux qui entourent cette chaudière conduisent mal la chaleur, qui restera alors dans la chaudière.Où mettre des glaçons afin qu'ils fondent le plus rapidement possible:sur du bois, sur de l'acier, sur de l'aluminium, sur du linoléum, enrobés de papier, enrobés de laine?Essaie, explique.Quels sont les matériaux isolants, conducteurs?


1 KWh est l'énergie consommée pendant 1 heure par un appareil ayant une puissance de 1000W. On calcule l'énergie consommée en multipliant la puissance par le nombre d'heures. 1000 W = 1KW

E

M

15) Pompage/turbinageSouvent, la nuit, les entreprises d’hydroélectricité pompent de l’eau de la plaine pour remplir leur barrage qui est situé en altitude. Cette eau servira alors à alimenter la turbine, de jour.Mais comme il y a un transfert d’énergie pour le pompage puis le turbinage, il y a alors de l’énergie qui est dissipée : pour les 100 KWh d’énergie électrique nécessaire pour faire remonter l’eau au sommet du barrage, cette eau ne pourra produire que 80 KWh d’énergie électrique. (rendement de 80%) Mais pourquoi ces entreprises font-elle ce pompage puisque le rendement n’est que de 80% ? Essaie de trouver une explication.

16) Pompage/turbinage (bis)Le rendement d’un pompage/turbinage est de 80% : pour 100 KWh d’énergie électrique nécessaire pour faire remonter l’eau au sommet du barrage, cette eau ne pourra produire que 80 KWh d’énergie électrique.Le pompage s’effectue de nuit. A ce moment, l’électricité sera achetée 5 centimes le KWh.Le turbinage et la production d’électricité se fera de jour. A ce moment, l’électricité sera vendu 8 centimes le KWh.Calcule ce que rapporte en francs le pompage/turbinage de 500'000 m3 d’eau en sachant que 1m3 d’eau rapporte 2 KWh d’énergie lors de son turbinage pour un barrage valaisan d'altitude. (500'000 m3 représente un turbinage d'une usine de la région pendant 6 heures, la nuit)

17) Usine d’incinération d’orduresL’énergie que peut produire une tonne d’ordures est de 3000 KWh. De ces 3000KWh, on arrive à retirer 2550 KWh d’énergie grâce à un bon rendement des chaudières.Le 10% de cette énergie (2550 KWh) est employée pour le lavage des fumées.Le 25% de cette énergie restante, après le lavage des fumées, est consommée pour produire de l’électricité. Le 75% de cette énergie restante, après le lavage des fumées, est utilisé pour le chauffage à distance.La perte d’énergie due à la distance entre l’usine et les maisons est estimée à 20 %.Ce chauffage à distance permet d’économiser du mazout.

Le pouvoir calorifique d’un kg de mazout est de 12.2 KWh.On pourrait ainsi calculer la quantité de mazout économisé grâce à l’incinération de 50’000 tonnes d’ordures pendant les mois d’hiver ?

Calcule le rendement des chaudières de l’usine d’incinération ?Combien de KWh d’électricité est-il possible de créer avec 1 tonne d’ordures?Combien de kg de mazout est-il possible d’économiser pendant les mois d’hiver ?


Unité d'énergie

1 KWh = 3'600'000 Joule = 3.6 MJ

Le pouvoir calorifique d’un kg de mazout est de 12,2 KWh ainsi, 1 kg de mazout est capable de produire 12,2 KWh d’énergie.

E

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