La Chaîne énergétique est un objet qui n’existe dans aucune institution avant le programme de
1992 du lycée français et qui apparaît comme un objet physique dans la réforme de 1992.
C’est un objet nouveau voire une création didactique de cette réforme.
« C’est une création didactique […] faite pour aider à l’apprentissage des concepts. Cette représentation vient de la nécessité, aussi bien en physique que dans d’autres domaines scientifiques, d’un support graphique : les schémas électriques et les représentations vectorielles d’une situation avec des forces par exemple. » (COAST-MAFPEN, p.154)
Ce nouvel objet est assorti d’une représentation nouvelle, sous forme schématique, de l’analyse énergétique. Nous allons commencer par l’analyse de cette représentation schématique. Ensuite, nous étudierons, d’un point de vue écologique, les fonctions de cette représentation et les raisons de sa mort dans le programme de 2000.
La Chaîne énergétique n’apparaissant pas dans les autres institutions considérées (université française ou lycée et université du Vietnam), nous examinerons seulement à la fin de ce chapitre, les schémas énergétiques présentes dans ces institutions.
I. Représentation schématique de la Chaîne énergétique dans le
programme de 1992
I.1. Schémas dans les manuels
Les manuels d’avant 1992 contiennent souvent des schémas de forces, de mouvement, etc., mais aucun schéma permettant de faire une analyse énergétique. Dans les manuels du programme de 1992 (Hachette et Bréal, 1994), ce type de schéma apparaît presque systématiquement sous le nom de Chaîne énergétique, en accord avec les consignes du programme : » L’usage de schémas pour décrire et analyser les chaînes énergétiques est
d’une aide importante ».
Dans le manuel étudié (Hachette, 1994), la Chaîne énergétique est introduite dans le chapitre « Conservation de l’énergie », dans le cas de l’étude d’une fusée. Elle apparaît sous la forme d’un schéma accompagné de règles de construction explicites (figure 1) : ce schéma illustre les événements énergétiques (en particulier le Transfert d’énergie) qui ont lieu dans l’ensemble des systèmes en jeu de la situation.
« L’ensemble, propergol – réacteur – fusée – environnement, constitue une chaîne énergétique. Dans une chaîne énergétique, réservoirs et convertisseurs échangent entre eux de l’énergie : on parle de
transfert d’énergie. Ils peuvent également échanger de la matière. » (Physique 1ère S, Hachette, 1994, p.130).
Figure 1. Schéma illustrant la construction d’une Chaîne énergétique du manuel Hachette (1994, p.130)
Dans les apparitions suivantes, sur les flèches représentant le Transfert d’énergie, les modes de transferts d’énergie sont aussi symbolisés de façon classique par : W, Q, R (figure 2).
Figure 2. Schéma de la Chaîne dans un exercice résolu du manuel Hachette (1994, p.149)
Dans le document COAST-MAFPEN (figure 3) la Chaîne énergétique est traitée de manière très spécifique. Elle est construite dans le cadre d’un modèle énergétique avec des règles explicites plus précises que dans le manuel d’Hachette : « L’énergie peut être caractérisée
par ses propriétés : Stockage, […] ; Transformation ; Transfert […] une chaîne énergétique complète commence et se termine par des réservoirs ; le réservoir initial est différent du réservoir final […] »1 (p.19) ; le nom de différents modes de transfert est écrit en toutes lettres et n’utilisent pas les symboles W et Q qui sont réservés à la quantité d’énergie transférée.
1 Dans le Document d’accompagnement du programme de 1992 et le document COAST-MAFPEN, le stockage est énoncé de manière indépendante du transfert. Cependant, ceci n’est pas souligné fortement ni dans le programme, ni dans le manuel. C’est pour cela que nous ne l’avons pas retenu dans la liste des objets énergétiques définie au chapitre B1.
Figure 3. Exemple d’une Chaîne énergétique dans le document COAST-MAFPEN (1998, p.22)
Soulignons que le programme de 1992 ne spécifie aucun schéma ni règles de construction. Dans le Document d’accompagnement de ce programme, la Chaîne énergétique est décrite par le biais d’exemples présentant le traitement des questions d’énergie dans des situations diverses. Elle n’a pas de définition mais le document spécifie des « notations » en légende des schémas qui précisent les différents éléments constitutifs du schéma (figure 4). C’est dans les manuels que le schéma est le plus explicite mais il varie d’un ouvrage à un autre.
Figure 4. Chaîne énergétique du Document d’accompagnement du programme de 1992 (1993, p.15)
I.2 Deux types de chaînes
Dans la plupart des manuels du programme de 1992, on trouve en réalité deux types de Chaînes qui correspondent en général à deux types d’usage différents, et à deux types de situations physiques. La première est une chaîne à « maillons multiples» (figure 2 par exemple) correspondant à un usage essentiellement qualitatif pour comprendre des situations complexes à systèmes multiples (éventuellement utilisée de manière quantitative pour certains calculs de rendement). Le second type de chaîne ne comporte qu’un « maillon unique » (figure 5). Il est en général destiné à l’analyse énergétique quantitative d’un système unique, c’est-à-dire à la réalisation du bilan énergétique de ce système. Ces deux types ne sont pas différentiés explicitement dans ce manuel : c’est le type de chaîne « à maillons multiples » qui est présenté en premier et dont le schéma est défini assez précisément par des règles de construction. Mais lors de son utilisation, ces règles ne sont pas totalement suivies. Dans l’exemple de la figure 5, le schéma de la Chaîne énergétique présente un seul objet (conducteur ohmique par exemple) : c’est donc une chaîne à « maillon unique ». Mais elle ne comporte pas « un réservoir de départ et un réservoir d’arrivé » comme le spécifient les règles
posées au départ. On rencontre souvent un tel schéma sous le titre de « Bilan énergétique », ce qui peut amener à une confusion entre ces deux objets (voir paragraphe II.2.2). Par exemple, les trois schémas de la figure 6 apparaissent dans un même chapitre. Bien que portant des titres différents (Chaîne énergétique, Bilan énergétique, Bilan de puissance), ils sont construits de façon quasi identique.
Figure 5. Différents schémas du type « maillon
unique » sous les titres différents « Chaîne » ou « Bilan » dans le manuel Hachette (1994, p.205, 207 et 208)
De la même façon, le Document d’accompagnement de ce programme (1992) présente implicitement ces deux types de schémas. Le premier (figure 4) est une chaîne à « maillons multiples » qui porte le nom de Chaîne énergétique. Le deuxième (figure 7) n’a qu’un seul
maillon et n’a ni définition, ni titre, ni légende contrairement au premier schéma nommé Chaîne. Les termes permettant d’identifier qu’il s’agit bien d’une étude de bilan énergétique sont explicités dans le titre du paragraphe « Analyse avant-après » et « schéma-bilan ».
Le document COAST-MAFPEN distingue clairement les deux types de chaînes, sous les noms de « Chaîne pendant » et de « Chaîne état initial-état final », identifiant officiellement ces deux usages. Mais contrairement au manuel et au document d’accompagnement, le deuxième type de chaîne peut être à ‘maillons multiples ».
On notera que la pratique traditionnelle du bilan énergétique, telle qu’on la trouve couramment dans les ouvrages universitaires et les manuels scolaires d’avant 1992, correspond à l’analyse d’une situation centrée autour d’un système unique. On voit donc que dans les manuels, les usages de schémas pour un Bilan énergétique correspondent à l’usage traditionnel.