ARTheque - STEF - ENS Cachan | Sciences Physiques 3e collègesCollection Libres Parcours

Collection Libres Parcours

•

seences

physiques

Classiques

Hachette

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collèges

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-Coll ection

Libr

es

Parcours

Jacqueline AGASRA

Professeur à

récole

normale de Bonneuil.

Jacq

ues

GAUTHEAIN

Professeur à lE N.

S.

E. T. de Cachan. Gérard LEM EIGNA N

Maitre-assistant

à

l'université Pierre et Marie Curie

-

Paris.

Rob ert PEZ ET

P.E.G.C., C.E.S. Marx Dormoy - Paris. Michèle VERLHAC

Professeur au lycée François Vif/on - Paris.

Avec la collaboratio n d'une èqu jpe de pro fesseurs de l'ensei gn e -ment sec onda i re et de l'ensei gne m ent supé r i eur.

•

scerces

physiques

collèges

Ce ma nuel est accompagné d'un ouvrage réser vé au professeur où ce dernier trouvera les informatio nsind ispen sable s

à

l'utilisation du présent ouvra ge.

Les droits revenant aux auteurs de cet ouvrage son t ve rsés à une assoc iat ion à but no n luc ratif don t la vocation est d' aider à l'e n-setgne memdesSciences Physiques,

C 19S0. Hac hon e -79.Houle va , d S~in l -Ge 'm a'n. l' 750Cl6 Pa,i•.

Tou, d",il'de traduc lion.de ,cp",duuion01 d'adapla lio n,,:>c,v<'~p"urtou, pa)'•.

La loidu Il ma " n·~utori' anl.au<lonne .do, alin"a, 1el3 de l'a ' licl e 41.d'unepari.que le,.oopi•• ou re prod uction. ""ic I.m.nt ,<'.crv';' , " l'usage p'ivédu 'o pi<le clnon do", ,,,é••à uneulilisat io n ,0IieCl ivo.01.d'aul' opart.quo1.,"nalyse, .1le. court.. cilation, da ns unbUId'e'empleotd' ,lIu, · tralion "Ioule '.pr....n!"lion ou rep",dua ioo inlégra lc OUparliel le. failo ,a nS1. cooSentementde l'aulour ou de ,e' al'anl' d,oll ou "yan" c"u""e'lilhcile"(alinoa 1" de l'arlicl o 40).Celto'01"<' -sentalion ou rep,oduclion. pa, quelque p,océdé que Çe,nil. çon" ilue , ail donc un~ cont,cfacon

ÉNER GIE

D

o

cu

m ent

s

8. Chaîne s énergét iq ues. 11. Productio n de l' énergie électrique.

14. Ma ch ines therm iques. 16. Rendement énergétique de s princ ipa les machin es et ap pareils usuels.

17. Contenu énergé tiq ue des alime nts.

18. Stock age.

20. CoQIéne rgé tiq ue.

MÉCA

NIQ UE

Do

cum en

ts

40. Variat ion du mouve ment. 41. Deformation. 42. Pesa nteur- fro ttement. 43. Demarrages. 46. Dynamomètres. 47. Essais en so ufflerie. 48. Reacteurs. 50. Tra nsm ission de force et de mouveme nt parpoul ies. 53. Ga lilee. Newto n et le mouvemen t.

Activité

s

Rendement - pertes 22. Rec he rches. 25. Manipulations. Puissa nce 27. Re cherches. Stockage JO. Recherches. 31. Manip ulatio ns. Coût énergét ique 32. Recherches. Machines ther miques 33. Rech erc hes. 34. Manîpu latio ns.

Production d'énergie électr ique 35. Recherches. 36. Manipulatio ns.

A

ctivité

s

Mécanique 54. Manipulatio ns. 58. Rec he rc he s sur le mouvement. 61. Recherches sur les inte racti o ns. 64. Re che rches sur poids et masse. 65. Rec he rches sur la transmission du mou vem e nt.

66. Attention! Mystè re!

SOMMAIRE

En

cyclopedie

96. Chaîne s éne rgétiq ues naturelles. 102. Energ ie. 130. Mesure d' une puissan ce. 132. Mesure d'une quantité d' éne rgie. 138. Ord re de gra ndeur. 143. Phases du mouvemen t. 153. Re nde ment - pert es.

Ency

clopédie

97. Dynamom ètres (me sure d'une force).

117. Frottements. 120. Inte ra ct io ns et forces. 125. Masse. 137. Mo uvement. 144, Poids. 147. Poulies. 148. Pro pulsion des fusées, ]

4

SO M MA I RE

C

H I MIE

Doc

u

m

e

n

t

s

68. Les étatsde la matière. 69. Cavendish et la synthèse de l'cau.

70. Corps simp les. cl corps composes. 72. Hyd ro ca rb u res gazeux et liquides.

74. Prod uits petroliers. 75. Utilisation desmatières plastiques.

76. Fa b rica tion des matières plastiques. 78. Ré ac tio nschimiques. 79 . [o ns: pH des solutions. 80. Co mb ust io n des matières plastiques. 81. Pro p ri étésphysiqueset

mécaniquesdesmatièresplastiques.

A

cti

vit

és

Acides et bases • pH

82. Reche rc he et manipulations. 83. Contrôles.

Reactio nschimiques 84 . Rec he rc hes. 85. Manipulations. 86. Contrôles, Recherche desions 88. Reche rch es et manipulations. 89. Contrôles. Organisationdes molécules 90. Re c herc hes.

9 l. Manipulations el contrôles.

Matières plastiques 92. Re c he rches. 93. Ma nip ulatio ns. 94. Contrôle.

En

cyclopédie

101. Eau.

Ill. Equations - bilans des réactions chimiques.

114. Formulesdes espèc es chimiques. 118. Hyd ro ca rb ures. 128. Ma tiè res plastiques. 129 . Mé la nges. 134. Mo léc u les.

140. Organisation des espèce s' chimiques moléculaires. 149. Ré act io ns chimiques. 154. Solutions acides- pH d'une solution aqueuse. 157. Testsde quelques ions.

A Acide , 154. Adhéren ce (fo rce d'), 117. Air , 68, 129. Aluminothe rm ie , 78, 149. Analyse. 101, 136. Argon , 70, 130 . Azo te .68. 70, 130. B Balance, 127. Ba siq ue, 155. Bila n (des fo rces), 122. Bleu de bromoth ymol , 155. Buta ne, 119.

C

Carbonate. 158. Carbone .70. 116 . 152. Ch aines énergétiques. 8.9.

Chaînes éne rgé tiq ues naturelles, 96.

Cha leu r. 105.

Change me nts d'é tal, 142. Chlo ru re de baryum, 157. Chlorure de polyviny le.80,81. Combust ible, 119. Combustion. 69. 80. 102, 119. Compressib le. 140. Conservation de l'énergie. 108. Corps composes. 70. 117. Corps simples. 70. 116. Courro ie. 147.

COOLénergéti que. 20, 21. Crista lmétallique . 68. 115. D Dé b it d' é ne rgie. 108. Dé fo rm ation. 41.97, 120. Deg rad at io nde l'énergi e. )II . Dioxyde de carbone. 70. 71. 119. Dioxyd e de soufre.vjû. 71. 15 1. Dyna mo mètre . 46, 47. 97, 147. E Eau. 101.

Electrolyse de J'eau. 101. Energie . 102.

Eq uati o n chi miq ue, III.

Équilibre . 122. Espèc e chimique. 114. Éthane, 119. Éthylène. 128. Expansi b le. 140. F Force. 37 à 53. 97. 120. Fo rce (mesured'u ne ).98. Forme sd' é nergie, 103. 104. Formulesdé velop pée s. 120. Fo rmules mo léc ulai res, 70, 116, 119.

Frotte me nt.42.43.45.47, 52. 117.

G

Ga lilée . 53. Gaz, 140.

Glissem ent (force de). 117. Gravit ation. 114.

H

Hydroc arbu res. 118.

Hydrogène. 69. 70. 101. 102.

1

Intensité (d'une force), 97. 145 . Inte ractio n, 38. 39,43.44, 120. Ions, 115.

J

Ja uge de défo rmat ion. 47.99.

I

ND EX

K Kilogram me, 126. t, Liqu ide , 141. M

Mach ine s thermique s. 14. 15. Masse , 125, 145.

Matiè res plastiques,75. 76,77 .80,

81. 128. Méla nge . 129. Mélan ge tonnant,73, 129. Mesure d'une ma sse, 126: - d'une puissance, !JO: - d'u n tra vailélec t riq ue. 132 ; - d'un tra vail mécan ique , 132. Mesure d'une varia tion

- d' énergie intern e, 133 : - d'énergie ciné tiq ue , 133; - d'énergie de nive au , 134. Mét ha ne,70, 71,72,119.

Mod èle s moléc ula ires.70,71.136. Modélisat ion . 122.

Molécul e, 70, 71, 116.134. Mon o xyde de ca rbo ne, 70,73, 119. Mot eursthermiq ues, 14 .

Mouveme nt . 38, 39, 40.43.44,51, 52, 121, 125, 137.

Mou vement re ct iligne uniforme , 124. 137.

N

Neutre(solut io n), 155. Newton , 100, 145 . Newton(Isaa c),53. Nitrate d'ar gent, 157. Nylon ,77,80, 81.

o

Octane,73.

6

I

NDEX

Ordrede grandeu r, 138 . Oxyde de cuivre. [52. Oxyde de fer, 149. Oxygèn e 70,78, 10 1. 119, 151. p Pa ra ffines, 119, 128. Pe rtes, 153. Pesanteur,42, 126. Petroles, 73, 74, 118. PH,79. 155. Pha sesdu mouve me nt, 143. Piézo-élec triqu e (dynamo mètre),

1

00.

Poids, 144. Polyéthylène , 80, 128. Pol ymère , 129. Polystyrè ne, 80,81. 128. Polyu réth ane , 80. Poulie , 50, 51, 147.

Productiond'é ner gie élec trique.10 à 13.

Pro pa ne, 119.

Prop ulsio n pa r réa ction, 48, 49, 148. Puissance, 108. R Rayon ne ment, J05. Réaction chimique, 149. Re nd e me nt. 153. Re pè re, 138. Ro ule me nt,45, 118. S Solide. 141. Solution saque uses, 155. Stockage, 18, 19.

Symbolisati on de s atom es,70. Synt hèse, 102, 136. T Testsdes ions - carbo nate, 158: - chlorure, 157; - sulfat e, 157. Tétraédriq ue, 120. Traje ct o ire , 137. Transfe rtd' é nergie. 104 à 108. Tra va il, 106. li Unité s - d'é ne rgie, 134; - de puissance . 131. V Vitesse.40, 137.

ÉNERGIE

ËNERGIE

documents

Chaîne

s

,

,

.

energetiques

A bout debras..,

• Au début de l'Humanité, l' hom-me n'avait à sa disposition que ses muscles et ceux des animaux qu'il domestiqu ait. Da nsces condi tions, lespossibilitésd' act iondel'h omm e restaientlimitées.

\

1

8

Des machines simples, mais des inventionsgéniales

• le levier, la roue, la poulie, le plan inclinéet la visperm ett ent de multiplie r la for ce musculaire (mais non la puissa nce et le travail fourn is).

• Ainsi, fure nt construits les pyra -mides égyptie nnes. les aquedu cs romains, [es canaux d'irrigation , les ca théd rales et réce mment. par exemple, un immense barrage sur lefleu veJaune,en Chine.

ËN ERGIE

d

ocuments

Comment tra vailler sanstrop se fatiguer...

• L' ho mme a d' abord utilisé de s so urces naturelles d'é ne rgie, capa -bles de fourn ir du tra vail, comme levent. l'eau coura nte.. ,

• Puis il a emplo yé d'autres re s -sourcesnatu relles , comme lesco m-bustibles pour obtenir du trava il grâce aux machinesthermiques, • Grâ ce aux alternate urs, il a

amé-lioré sa capacité d'utiliser les r es-so urces naturelles d'é ner gie ct a réussi à obte nir de l'én e rgie cleo-trique transportable1rèsfacileme nt sur de gran des dista nces. En tout lieu, cette énergie électriq ue est aisément convertible en travail pa r lesmoteursélectriqu es,

Descharnes qui libèrent...

• Pou r accomplir l'e nse mble de ses act ivités, l'homme cherc he à obt e nir du trava il, de la chale ur, de l'énerg ie rayon na nte ou de l'énergie électriqu e à partir de sources d'é nergie lesplusdiver se s, et cc, en utilisa nt des moyens t ech-nologiques très variés, Da ns ce but, J'ho mme réalise ce que nou s a ppe-lo nsdeschaî nesénergétiques.

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...

...

ËNERGIE

d

ocum ents

1/ Principe d'unecentraleIlydraulique.

2/ Principe d'une centrale thermique.

1

0

-chaudière énérateur de va eur turbine alternateur ransform at eur condenseur les centralesélectriques

• Actu elleme nt, c'est principa le-me nt au moye n d'un alternate ur qu'on produit de t'electricite. On retr ou ve don c toujours le même maillon dans les chaînes énergé-tiquesdes centrales électrique s :

alternateur

• Les centrales électriques di ffè-re nt seulemen t par le système qui transfère du trava il à l'alte rnat e ur.

ËNERGIE

Production

de l

'énergie

é

lectrique

1:réacteur 2:échangeur 3·fluide celepcn eur

. eur 4:générateurdevap 5:turbine 6:alternateur 7;condenseur B:Irans/ormateur énérateur de va eur

. , d'unecentralenucléaire.

1

1

Principe traienucléaire, d'unecen

2

1

Dessinencoupe •

d

ocum ents

turbine alternateur condenseur

Il

ËN ERGIE

Bilan d'une productionannuelled'énergie électri que

• Ci-dessous so nt indiquées. en proportion pour cha q ue type de pro

-duction. les quantités d' é ne rgie(en milliards de kWh) produites en 1978

et celles prévues po ur 1990, selo n les choix faits parl'E.D.F.

Thermique

Nucléaire Hydraulique .. Énergies Total

classique neuvelles»

1978 55% 13% 32% < 1% 100%

120 30 70

-

220

1990 15 % 70% 15%

<

1% 100%

70 330 70 - ₄₇₀

• On peut re m a rq ue r. sel on les cho ix fa its par E. D. F. pour 1990, la

part im po rta nte att ri b uée au nucl éai re par rappo rt au therm iqu e cla

s-sique , celui-ci régr essant par suite du prix du pétrole et du non-rem

-pla ce ment des cent r ales vieilliss a ntes . L'hyd ra ul ique se main tient.

• L' hypothèse fait e sur la cro issa nce glo ba le est celle observee act

uel-lement .. un doublement de la product io n et de la con sommation tous

les dix ans. Enfin. selon ces proj et s. les . éne rgies no uve lles . ne sont

pas censées se développe rde fa ço n sign ificative .

d

oc

um

e

nt

s

Productio

n

de l'

énerg

ie

é

lec

t

rique

Puissance électrique fournie par rE.DF

surunedurée de 24h {année 1968), L'unitéest lemillionde kW.

'

"

12

re

15 12 9 6 3

o

puissance

/

\

Il it

"

6 8 2 4 6 8 10 2 HIVER heures 18 15 12 9 6 3

o

puissance

'7"

1

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A" J 'it 416 8 2 2 • 6 8

o

2 heures

ÉNERGIE

Effets des cent rales thermiques sur l'environnement

d

ocu ments

source effets sur effets sur effetssur effets

d'énergie leterra in l'air l'eau (mer,rivière ) biologiques

•

boulever sement

_•

produits

_•

acidité de t'eau de

_•

problèmes

du terrain de co mb ustio n: drainage desterrils respiratoires par

•

grosses perles vapeurd'eau

_•

élé va tio n locale pollution de l'a ir charbon so lides dioxyde de carbo ne de la température

oxydesde soufre oxydesd'azot e poussières

•

problèmes

_•

produits

_•

déversem ent

_•

problèmes

des déchets so us de co mb ust io n: de pétrole... respiratoire s par

forme d' eau va pe ur d'eau (marée noire) pollution de l'air

pétrole chargée de se ls dioxyde de carbo ne

_•

élévatio n locale oxyde s d'azote de la température oxydes de soufre

hydro car bures

•

produits

_•

éléva tio n locale de co mb ustio n: de la températu re

."

vape u r d'cau

dioxyde de car bo ne quelquesoxydes d'azote

•

problème

_•

éléva tion locale

_•

no ndétectables en

de s déchets de la te mpé ra tu re fonctionnement

radioactifs

_•

risque de pollution normal

uranium radioactive

_•

risque de

contam ination grave

'"

cas d'accident

ËNE RG IE

d

o cum ents

M

achines th

ermiques

• L'ensem b!c autocuiseur. eau-vap eu r. turbine j et un moteur th er-mique.

Oans une automobile, l'ensemble1cylindre-mélange gazeu x-p iston 1est un moteurthermique.

Un réacteur d'avion , un turbo pro pulse ur so nt des mot eurs thermiques. • Toutes ces machines fonctionnent en rece vant de l'énergie so us la même forme de tran sfert : la chaleur (en grec,thermossignifi e chale ur), • To utes ces machin es fonctio nne ntsuivant le mêm e principe:

al un fluide (air, eau-va pe ur) reçoit de la chaleur d'un système fi. haute te mpé rature (comb ustion d'un mélange gaze ux, fission de noya ux ato -miques.etc.):

bl le fluide, en géné ral, met en mouvement une turbine. un piston. etc .. qui peuventainsi transme tt redu travail

à

unaut resystè me;

a

le fluide redonne de la chaleur à un systè me fi. basse tempé ra tu re. généralement à température ambiante (eaux des me rs et des rivièr es, air ambiant).

Comment allumerune lampe avecdugaz

quifait briller la rampe. la turbine entraîne un alternateur... la vapeur fait mumer laturbine... l'eau se transforme en vapeur... La combustion dumélange

gaz-air fournit de lachaleuràl'eau...

En résumé:

2

Da ns un moteu r ther miq ue, il faut une différence de températu re pour obten irdu travail.

3

1/ Allumaged'une lam pe avecdu gaz. 2/ le bateauthermiqueàserpentin, 3/ Hélicethermique.

ËNERGIE

d

ocument

s

travail 4"C O"C cha leur ote uréle ct riq ue _25"C O"C

Ccmmenrchaufferet refr oidir en même temps

• Pou r que le fluide passe de l'état liquideà l'ét at vape u r(vapo risa tio n), il fa ut Ill! fournir de la cha le u r, Ici, le fluide reçoit de la cha le ur du milie u amb ia nt 1.don t la temperature baisse .

• Quand le flu ide passe de l'ét at vape ur

à

l'éta t liqui d e (conde nsatio n), il fourn it de la chaleur. Ici, le fluide fournil de la chaleur au milie u ambiant 2, dont la tempér at ur e augme nt e.

Du côté I,ilfait froid et, en même temps. du côté 2. ilfoi!chaud. • Il existe deux so rtes de machines thermiques fon cti onnant su iva nt le mê me prin cip e.

11 Le réfrigérat eur :

le milieu ambiant 1 est l'In té rie u r du réf rigé rat eur; - le milieu ambiant 2 est l'air de la cuisine.

21 La pompe àchaleur:

- le milieu amb ian t 1 est l'eau d'u ne rivière ou l' a ir exté rie u r à la maison :

- le milieu amb ia nt 2 est l'air de la ma ison.

En résume :

Le travail reçu par le fluide perm et de crée r une différence de temper a-ture.

ËNERGIE

d

o cum ents

Re

nd

ement énergétiq

ue

des

pri

ncipa

l

es

machines

et

apparei

ls

usuels

forme de l'énergie ut ilement transférée: formede l'énergie d'ent rée : rendement

E"

E

,

production de chaleur

•

cha udiè re à fuel chi mique 0,90

•

chaudiè re àcha rbo n chimique 0,80

•

chauffage solaire rayonn ant e 0,60

productiond'énergie electrique

•

pile chim ique 0.90

•

accumulat eur electriqu e 0.80

•

cent ra le ther m ique àfue l chimique 0.40

•

ce ntralethe rmiq ue

nucléa ire nucléa ire 0.30

•

cellulesola ire rayonnante 0,15

•

cent ra le hyd ra-é le ctrique niveau 0.85

production de travail

•

gros moteur électrique élec trique 0,85

•

mot e urélectr iq ue

électro mén ager électrique 0,60

•

réa cteurd'avio n chimique 0.35

•

moteur Diese l chi mique 0,30

•

mote ur quat re te mps chimiq ue 0.25

productiond'énergie rayol/name

•

la mpe à incandesce nce élec triq ue 0,05

• lampe àfluo resce nce électrique 0,20

Rend

ement

de

la

voiture

automobi

l

e

fi = 0,25 Pl= 0,85

?, = 0,70 • De l'e sse n ce au pist on

• Du piston à l'ar b re de rou e : • De l'arbre de roue au pneu :

---'--

-- Rendement glo ba l: ?= ?l X "2 X ?).= 0.15

1

6

t:NERGIE

Co

ntenu

é

nergétique

des a

liments

(

e

n

kJ)

doc

ume nts

entrées 1 part de fromage blanc(sa nssucre) 250

1 part deca me mbe rt(1/8) 400

1 assiettede potage auxlég umes 600 1 part de gruyère 600

1assieuede bouillon de pot-au -feu 350 1portion de crème de gruyère 350

1portionde céler i oude enro ues râpées + sa uce 500 1gruyère râpé pour pâtes,etc , 400 1 portion de salad e de concombres ou detomates

+

sauce 400

1 portionde rille ttesou desauc isso n

+

beurre 950

2Sa rdines ill'huile ou 1portionde thonil l'hu ile 600 desserts

1œufdur ma yon na ise 1 150 _{1 fruit 250}

1 part dequiche ou1gnocc hi 1650 _{1crè me caramelou choc o lat 1100}

1tranche de melon 150 _{1 portion de tarte 10 50}

1 port ionde gâteau derizoudese mo ule

auchocolatouillacrè me 1650

viandeset poissons 1glac e 1 250

1 portionde compote 350

1 beefst euc kou 1 côte deve a u grillée 600 1 portionde pru neaux cuits ou defruit s ausiro p 300

1 portionde poulet frit 1000

1tra nc he de poissonfrit 700

1tranche de tho n

+

sa uce 1250 sucreries 1 portio n de croq uettes de poisson frit 700

1 portionde rago ûtde bœuf ou de blanquette 1250 1 mo rce a u de sucre norma ln''4 (5g) 150 1portion de hachi s Pa rmentier 1250 1 cuillè reilcafé desucre en poudre 100

1 portionde boudin 2000 1 bonbon 100

1 portiond'om el ette 1050 1 cuillè reilsoupe de miel 100

1œufau pla t 700 1cuillère ilso upedeco nfiture 100

1 portion decassoulet 6250 1 barredechoc olat (JOg) 700

1 portionde choucroute 7500

1 tranche de ja m bo n 1100

1 port ionde rôtideporc 1650 _sauces

vinai gre lie poursalade 400

1cuillèreilso upe de mayonnaise 850

It\gumt'setcéréales corpsgraspourcuisso n ou sauce 400

beurreou margarine(20 g) 850 1 portion de pâtes + beurreouco rps gras 1cuillè re àso u pe desauce tomate 100

- ou de riz

- ou de ha rico tsct lentille s(200g) 1250

1 port ionde pommesde terre bouillie s (200 g)

biscuit s (IOO g)

+ beurre 1000 1650

1 port ion de fr ites 3350 1 baguettede pain(250 g) 2700

1 portion de puree + beurre 1150 1 biscone(20g) 300

1 portionde cur-ettes bouillies + beurre

sso

1 portion de petits poisenboîte s 550

1 portionde salade verte vinaigre tte 400 _boissons 1portiond'endive sbraiséesou d' ép ina rds

+

sa uce 600

1 portionde cerea les pourpetit déjeune r 700 tassede lait (10cl) 550

ca fé ou thésa ns sucre (1tasse ) 0

vin (1ver re) ]50

apéritif 450

fromageset produ itslaitiers boisso nauxfruits (1 ve rr e) 250

sod a(I/41) 250

1 ya o urt (sans sucre) 250 cid re(1verre) 200

1 petitsuisse(sa ns sucre) 400 lasse (10cl) dechocolataul'l it 850

ËN ERGIE

plate-forme des transformateurs

li ne H.T. vers lepo st e

d

ocum ents

S

tockage

di ue

bassin supé rieur bassin inférieur

di ue

- -- - pompag e turbinag e __

cent ral e

Lescentralesde pompage

• La prod uc tio n d'électri cit éd'ori -gine hydraul ique à partir de sites

nature ls sera . à l'aven ir. i

nsuffi-sante pour répondre à la cons o

m-mation aux heuresde pointe.

• On me t actuel lemen t en service

des usine sde pompage.

Au moment des heures creuses,on

transfère par pompage l'eau du

bassin inférieur ve rsle bassin supé

-rieur grâc e à l'énergie éle ctrique

produ ite par les ce ntra les th

er-miques.

Au moment d'une forte dema nde

d'énergie, c'est-à-dire au moment

des heures depointe , on peut ainsi prod uire davantage d'énergie .

1/ Schéma de principe d'une centrale de pompage.

2

/

voitureàvolantd'inertie.

• L' E.D.F. a mis en serv ice àR e-vin. da ns les Ardennes, une ce n-trale de pompage d'une puissa nce de 800MW;c'e st la plus puissa nte des centra les hydrauliques fran

-çaises,

1

8

Lesvolant s d'inerti e

• Plus un mobile est animé d'une vitesse élevée, plus la quantit é

d'énergie stockée est importante.

• Ce principe peut être appliqué au stoc kag e. Po ur occuperle moins de place possible , on fait to u rne r les mo biles sur eux-mêmes. àtrès gra nde vitesse.

• Ces volants peuvent êt re lancés en utilisan t l'électricité produ ite pendant les heures creuses,

ËNERGI E

d

ocu men ts

1/ Voiture àaccum ulateurexpéri mental.

2/ Durayon nementàl'hydrogène.

le stoc kagethermique

• Da nslespaystempérés, le ra yon-nement solaire peut assurer, au moins partielleme nt, le chauffage des habitations pendant la saison froide,

2

• En effet. on peut chauffer un matériau pendant la journée et, la nuit. restituer à l'habitation J'éner-gie stockée dans ce ma té riau. Le point impo rtan t est la quantité

d'énergie que peut stoc ke r une certaine masse de matériau; à ce sujet , l'eau est le matériau Je plus intére ssant.

Un stockage d'avenir : l'hydrogène

• L'h ydrogè ne est un gaz à co m-bust ion non polluante, gaz qu'on sait stoc ker et transpo rter de façon simple,

• Po ur prod uire de l'hydrogè ne, on peut, par exem ple, à parti rde l'eau de mer:

- soit utiliserdirectement lerayo n -nement solaire pourcasserles mo -lécules d'e a u (photolyse de J'eau);

- soit utiliser le rayonnem ent so-lair e ou l'én e rgie nucléaire qui, tra nsfo rmé s en énergie élect riqu e, permettent l'électrolys e de l'eau.

ËN ERGIE

Coûténergétique desacti vitéshumaines

act ivités kJ pour 1h

dormir 200

ëtreassis :

•

repos (rêver, penser, etc. ) 300

•

lire,écouter, regarder 400

•

br icoler, coud re 400

•

écrire. faire de la musique .:;V0

êtredebout:

•

repos 350

• bricoler, repasser,etc. 700

• marcher 900

• jouer 1 400

Jaire du velo 1450

Jairedu velomoteur 850

transport encomm un 450

sport:

•

co urir 2 100

•

nager 2 400

•

sport collectif 2600

Coûténergét iquedes transports

vélo vé lomoteur moto train aut obus auto mobilesur route métro Boe ing 747 paquebot automobileen ville hél icop tè re hors-bord

do

cumen

ts

Co

ût

é

nergétique

En plus,pour 24h,ondépense1400kJ pourla digestion desrepas.

,

2 3 4 5 6 7 9 1 1 1 1 1 1 1 10 11 12 13 14 15 16 (kW h par km et par passager) Toute fabricationd'objet nécessite de l' énergie

• Pour produire les matériauxco ntenusda ns une pile électriqueordinai re

de4,5V ilfaut de l'énergie.

• Pou rconstruire les machines qui fabriquen t lapile il fautdel' énergie. • Po ur le transpo rt et ladistrib utio nde lapile , ilfaut del'énergie.

• La somme de ces quantités d'énergie s'appelle le coût énergét iquede

t:NERGIE

Coût énergétique desaliments Lorsq ue les aliments suivants fournissentàl' ho m m e une énergie de 1joule:

sucres, graisses et huiles céréales et farines légumes frais produ its lai tiers vi and es et volailles œufs

fruits hais poissons

tn nts et lég u m es traités

• En moyenne, po ur fabriquer des aliments, il faut uti lise r huit fois plus

d'é ner g ie qu'ilsn'e napp o rte ntàJ'hommeenta nt qu'alimen ts,

Cent énergét ique des proté ines

docum

ents

il a fallu utiliser une énergie de x joules pour les fa briq ue r. les transpo rter ct les préparer:

2,5 4 5 8 9,5 10 10,5 15,5 17

natu re coûténergét ique quantitéd'ufirnent coût éneegétique

desaliments de 1kg d'aliment conte nant de 1kgdeprot éines

(enMJ = I06J) 1kgde protéines (enMJ= IO~ ,I)

(enkg) via nde 45 6 270 poisson 25 6 150 la it 14 JO 420 fro m age 40 4 160

1

culture extensive 4 12,5 50 maïs cult ure intensive 7 87,5

Toute producti on agrico le nécessitedel'éner gie

• Po u r fabriquer les machinesagricoles

• Po u r fa ire fonctionner ces machines.

• Po u r fabriq ue r lesengrais

il faut de l'énergte.

il faut de l'éner gie.

ilfaut de l'éner gie. • La somme de ces quantités d'énergie s'appelle le coût énergé tique du produ it agricole .

• Mais cesquan tités d'én e rgie ne so nt pas fournies à la plante. L'énergie

sto ckée dans la plante vie nt du Soleil. Cependant, l'é ne rgieso laire n'est pas comptée dans lecouténergétique.carc' es t une énergie renouvelable,

ËN ERGIE

ac

t iv ités

1

Rendement

pertes

R

echerche

s

..

.

1. Petite histoire de l'énergiesolaire

11 Quel est le rendement énergétique de la chaîne naturelle quiaboutit au sto c kage d'én e rg ie chimique co nt e nue dans la via nd e du bœ uf! 21 La viande bovine sert à l'a limentat io n humaine. Que l est le re nd e -ment de la chaîn e qui aboutit à J'ho mme')

31Que suggérez-vou s pour améliorer le rendement de cett e chaîne aliment aire ?

(Po u r l'ensemble de ce tt e activité. voir Chaînes énergétiques naturelles,

p. 96.)

22

2, Ou cha rbon à la lampe

Il Utilisez le tableauci-d esso us pour calculerle rendement de la chaîne énergétiquequi co ndu itde l'énergie ch imiq ue.contenue danslecha rbo n, à l'énergie rayonnante émise pa r une lampe:

al incand esce nte ; bl fluorescente .

Rendementspartiels extraction du cha rbo n 0.95 transportdu charbon 0.95 prod uction d' électricit é 0.40 distribution d'électri cité 0.85 , 1. { inc a nd esce nt 0.05 ec airage fluorescent _0.20

21La lampe fournil de l'énergie rayonnante.Que devie nt-elle?

31 La lampe fournit de l'énergie sous une autre fo rme. Laq ue lle? Que devient-e lle?

41

Quelle diffé re nce existe-t-il entre une chaîne éne rgé t iq ue d'éclairage et une chaîne éne rgét iq ue de chauffage'?

3. Le cha uffageélect rique.Etes-vousd'accord?

La consommation ménagère d'électricité est utilisée, pour plus de 50%,

à

chauffer de l'eauou des locaux. C'est un gaspillagequicoûte cher en énergie.

Une centrale thermique clanique reçoit, à l'entrée, 2,5fois plus d'énergie primaire qu'elle ne fournil d'energiefinale.60%environ de l'energiefournieà

t'entree

sont rejetés dam' les mers, les rivières et l'air ambiant SOIl.~forme

d'eau chaude. Cette proportion est de 7096 pour unecentrale nucléaire.

évaporation

énerg.e

renvoyée

produc t Io n

ËN ERG IE

Lorsque le chauffage domestique par combustible est remplacé par le chauffage électrique, le résultat est catastrophiquesur leplan énergétique:

compte tenu du rendement d'un chauffage domestique,de l'ordre de 0,8,la quan tite d'énergie primaire nécessaire est environ 2fots pius grandesans

que la quantite d'énergie finale soit augmentée.

Il Représente z la chaîne éne rgét iq ue du pétrole au chauffage élec-trique. Donnezunord re de gra nde ur du re nde me nt de cette chaîne.

21 De que lle ma nièr e po urrait -on utilise r le pétro le (ou le fue l)pour se chauffe r? Rep rése ntez la chaîne énergét iq ue correspon da nte. Donnez

un ord re de grande ur du rend em ent de ce tte chaîne en utilisant le doc ume nt de la page 16.

31Quels ava ntages et inconvé nients voyez-vous au re mplacement. pa r le chauffage élec triq ue, duchauffage individuel par combustible?

4. Unepoulieen plus!

Le s expérienc es A et Bso ntsembla bles.

Une masse M to m be d'une certa ine ha ute ur et entra îne une pe tite

dynamo alluma nt une pet ite lampe. Le s poulie s so nt ide nt iq ues. Mais,

dansl'e xpérien c e B,lefil passe surune poul ie supplémentaire. al Dans l'expérience B,laquan tité d'én ergie mise enjeuest-elle:

plusgrande

1

éga le quedans l'e xpérience A?

pluspet ite

hl Da nsl'ex pér ien c e B.le rende me nt de l'opé ra tion est-il: plus gran d

1

égal quedan sl' expérien ce A? plus pe tit

cl Dans l'expéri ence Bla lampe briller a-t-e lle :

pl",

1

- de faço n égale quela lampe dans l'expérien ce A?

- m01l1s

5, La voiture lancée

Une automobile rouleà 126 km/h (35mis),

- On arrê te le mot eur et on évite de frei ner. A quelle hauteur ma

xi-male peut monterlavoituregrâc e àsonénergiecinétique?

- En fait, l'automo bile ne rem o nterajama is à cette hauteu rmaximale.

Dite s pourquoi en terme s énergét iques, et représe ntez la chaîne é ner-gétique de l' automo bile pend a nt la montée d'une côte, mote urarrêté,

6. La voitureen panne

A ca use de la défa illan ce de sa batterie, vous pousse z sur terrain

plat une voiture de masse 1000 kg afin de la faire déma rrer. Votre

for ce de 500 N, supposée constan te,do nne à la voitu re une vitesse de 2 mislo rsque celle-cis'est dépl ac éede20m.

Véri fiez que la voiture n'a pas acq uis l'énergie cor res po nda nt à votre travail. Pou rquo i? Représen te z la chaîne énergét iq ue co rres pondant à celte mise en mouvem ent de la voiture.

ac

ti

vités

ËN ERGIE

ac

tivités

1

Rendemen

t

pertes

Re

cherches

...

2

4

7. La voiture électrique

11 . 'ste d'ex cellents moyens (l'économiser l'énergie fournie par les c arbu-rants:c'est de substituer les transports par rail aux transp ortspar route.et de remplacer les transp orts individuelspar destransports collectifs.

Ce/a conduit .WII I'elllliremplacer les carburants par l'électricité. cam ille dans

le cas des trains. des trolleyb us eldureseau metropolitain. Cell e substitution

Ile presente que des avantages:la traction electrique l'SI non polluante. ce qui l'SI particuliérentent im portent l'Il milieu urbain, el a Ill! excellent

ren-denient ënerg ëttaue [environ 85%contre 25%pour lesmoteursà explosion ). 11 Re p rése ntez la chaine énergé tiq ue qui va de la ce ntrale thermique produisant l'électri cit é jusqu'à la vo it ure élect riq ue en déplacement

(voirDocuments. p. 16).

21En vous inte rrogeant su r les pertes exista nt tout au long de cette

cha ine . vous montrerez que le texte ci-dessus ne re nd pas co mpte de hl

totalité du problème.Quel les so n t lesopérations non envisagées ?

J

I

La voi ture élec triq ue VOliS paraît-ell e apporter une so lut io n au

pro-blème d'approvisionnement du pétrole dans le cas où l'énergie élec

-trique co ntinue à être produite par ce dernier'! L'aspect éne rgé tiq ue de cett e question n'est pas le seul en cau se :quels sont les aut res'!

8. Du pétrole pour nous éclairer

Au co urs d'une soirée d' h ive r. 10millionsde fami lles laissent allumées.

de 17 h à 23 h, 4 lam pes de 100 W. Quelle quantitéde pétrole brûlé

dan s la centrale ce la représente -t- il?

9. Du pétro le

à

la vie domestique

A partir d'Une quittance E.O.F.. évaluez la quantité de pétrole qu"il fa u t brûler dans une centrale thermique pour produire la quan tit é

d'énergie élec triqu e corres po nda n t à l'ind ica tio n de consommations porté e sur la quittan ce.

Quel est l'ordre de gra nd e ur de la quantité de pétro leco nso m mée pour vo uspa r I·E.O.F.pendant une année?

10. Un'orageenvoiture

On fa it un parcours de 100 km en voitu re . feux éteint s, Si on ava it fa it ce parc ou rs. feux de cro iseme n t allumés. aurait-on br ûlé plusou autant

r.N ERGIE

a

c tivités

Manipulation

s...

""

Il. Qud appare-ilchoisir?

Pour chauffer de l'eau et fa ire: la cuisine. on peut utiliser différents

appa re ils : un réchaud électrique. un cam ping-gaz. un réchaud il.alcool.

une thcrmoplongeur. etc.

Pourccchauffage,leschntn esd' énergieso nt de deux types:

E, :' nerQie "eclriqUeJ d

JE

l

1

L-

__

--'

=

=====:

1

~;'.ie

inte'"

j

ré chaud élec trique

Ihermopl onge ur

..

'

,"eruie chimique

cam ping-g az réchaud a alcool

al Que lles sont les formes de transfert d' énergie desappa reils

a

l'ea u'!

b

l

De quelle maniere proposez-vo us de conduire les expériences pour que les résutnns vo us permett e nt de choisi r l'appa reil le plus éco nome

en énergie?

cl Faites chauffer l'eau aux alentoursde 50 "C avec chacun desapp

a-re ils ruis

à

voire disposition, el mesurezles quantitésd'éne rgied' e ntrée E~ et d'éner gie utile Eu. A la vue des résultats. classezles appareils en

commencuntpar le pluséco no meen ene rgie.

dl Si011 tient co mpte de la façon dont est prod uite l'é nergie élect rique .

le classe me nt pré céden t reste-t-il lemêm e ?

cl Vo usavez pu co nsta terque dans tou s les cas : E. > E". Expliquez ce

résult at ct co mplé tez les représent uuons ci-dessus des chaînes éner

gé-tiques.

12. ,,,"cc ousanscouverclct

On peu t faire cha uffer de l'eau dans une casse role avec ou sa ns cou

-vercle.

Il A litr e de pre vision. pensez-vous que le rendeme nt d'une operatio n de chauffageso it lemêmeselon qu'o n utiliseou non uncouvercle?

21

Faites l'o pératio n de cha uffage avec ct sansco uvercl e pourquelques temperatures fina les co mprises entre JO"C el 90OC. ctcc. sanschanger lesautr es ca rac térist iq ues de l' expérie nce.

Calcule zle re nde me nt dans chaque cas. Com pa rez lesrendem entsavec

et sans couvercle. et expliquez, en termes dènergte. les résultats

obtenus.

EN ERGIE

1

Rendement

-

pert

es

Manipulations

...

13, Lemonte-charge

On peut réaliser une maquette de monte-charge avec un pet it moteur

électrique; sur l'a xe du moteur s'enroule un filservant à soulever une charge (de l'ord re de 100 g).

1

/

Trouvez le moyen de faire monter la charge lentement; calculezle travail fourni ausystème

1

charge-Terre' lorsquela cha rges'élèved'une hauteur h (de l'ordre de 2 m). y a-t-ilstockage d' énergie ? Sousquelle forme?

21

Représentez la chaîneénergétiq uede l'op érat ion delevage,

3/ Calc ulezégalement la quantitéd'én ergie électrique(énergied'en trée ) fourn ie au moteu r lorsque la charge monte d'une hauteur h.

4

1

Calculez le rende ment énergétiq ue de la chaîne. Où se produisent les pertes?

14, Un moyen d' économiser l'énergie

On peut chauffer de l'eau grâce à la combustion du gaz. Le débit du g32peut être faible, moyen ougrand.

a

l

A titre de prévision, dites dans quel(s) cas on consomme le plus

d'énergie pour obtenir le même résultat (par exemple de l'eauchaude

aux alentours de 50OC ).

bl Faites trois experiences avec des débits de gaz nettem entdifférents,

et expliquez les résultats obte nus.

a

ctivités

moteur dynamomètre charge

26

..

"

ËNERGIE

2

Puissa

nce

Recherches

.

..

15, Lestroispiles

On fait tro is expéri encesavec trois pile s électriques différente s,Pp P2 et PJ, et lamême petite ampoule danslestrois cas.

Il Avec la pile PI' la brillan ce de la lampe est maxima le :l'expéri ence

dure 2 minute s.

21 Avec la pile Pz, la brillance de la lampe est minima le: l'expér ien ce dure 2minute s.

31Avec la pile Pl' la brillance dc la lampe est maximal e, co mme dan s lapre m ière expérie nce: l'expérie ncedure 10 minutes.

Classez les pile s suiva nt la quantité d'én er giequ'elles ont fourn ie.Cl

as-sezles pilesSUiva nt la puissan ce qu'e lles ont fo urni e.

16, Le congelateur

Voici les indicati on s rele vées sur deux no t ices publicitaires, A et B. prése nta nt lemêmeco ngé late ur:

activités

- Chaque no tice vo us perme t-e lle

de connaître ladépe nse énergé tique relati ve il une utilisat ion no rma le du congé late ur?

- Pendant combie n de temps pa r jo ur le moteur élec triqu e du co m-presseur du co ngé late ur fo nc-tionne-t-il?

- Rédigez la notic e techniqu equi

vous parait la plus utile pour un achet eur éventuel.

NoticeA

220 Vmono P= 250 W

conte na nce: 530 1

4 étagères

1 panier amovi ble therm ostatil 5positions

ferme tu re il clé

.

1

the rmo mèt re

accessoires _{rac or}1 ·_{ra giv}· · _re

Not ice B 220 Vmono co ntenance : 530 1 4 étagè res 1panier amovible the rmos ta tà5positions co nsomma tio n :60 kwh/mois éclairage inté rieu r

. { th er mo mètre accessoires

l

rac loi rilgivre

17. Unelampebrille plus ou moins

Il est possible de produire de t'ëtecirtcu ëavec l'e au du robin et (voir l'ac tivité nv41).

Supposon sque ce ue chaîne d'énergiefo nct io nn ebien el permet defa ire

briller normalement une petite ampou lede lampe de poch e.

Sans rien cha nge r aux maillons interméd iair es de la chaine, que pro

po-sez -vo us de faire pour que l'ampoule brille be a uco up plusintensément ?

ËNERGIE

act

i

v

ité

s

R

echerches...

2

Puissance

19. Hon appét it

1/ En utilisa nt le document de la page 17, évalu ez le co nte nuéne rgé -tique moyen desalimentsque vo usabso rbez en une jo urné e.

2/ En utilisant le document de la page 20, éva luez le coût énergé tiq ue moyen de vos activités pour une jo urnée.

a/ Co mpa rez les résultatsdu 1/et du 2/.

b/ Que se passe-t-il. pour la mêm e journé e. si le co nte nu éne rgé tiq ue de s aliments quotidienn ement absorbés est toujours supé rie ur au coû t énergétiqu e quotidien des acti vités? Vos co nclusio ns sont-elle s id en-tiquess' ils'ag it d' un adulte ou d'un enfant en pér iode de cro issa nce? 3/ D' après vos éva lua tio ns personn elles, quelle est approxima tive me nt vot re puissan ce co rpore lle moyen ne ? So us quelle for me cette puissan ce est-el le transfér ée iltoutce quiest en relati o n avec votre corps'!

18. Heures creuses et heures de pointe(voir Docume nts, p. (2)

A quels moments, sur une durée de 24h,peut-on parler d'heures creuses et d'heures de pointe dans la distribu tion d'énergie électrique ?

Que llespeu vent être les causesde sheures creusesetdesheuresde pointe ? Comment expliquez-vous les différe nces visibles sur les co ur bes entre une journée d'h iveret une jo urné e d'é té?

A quel moment, sur une durée de 24 h. pe ut-o n faire le pompage de l'eau da ns lacent ra le de Re vin (voir Documents, p. 18)?

D'o ù peut' provenir l'éne rgie néce ssaire il ce pompage'! Représentez la chaîne énergé tique de ce pompage.

20. Unflash lumineux

A l'aide d'une pile, on charge un petit con de nsat e ur. Le condensa te ur est capa ble de crée r. pendant sa decha rge, un co ura nt inten se et bref

dansun filament de mag nésium quibrille tr ès vive ment. ~ Lacha rgese faiten 1s. ave c un rend em en t énergéti q ue de 50%. ~

L' énergie sto ck ée dan sle co nde nsa te ur est environ 1mJ (10-)1). "'J_ 1 La dé charge se fait en IO-Js (1 millisec o nde), avec un rendement éner-

"-gériqueégalementde 5096.

al Représe ntez la chaîne énergétiqu e de la cha rge , puis ce lle de la dé

-cha rge .

b/ Comparez la quantité d'éne rgie reçu e par le filament de mag nés ium et laquantité d'énergie fournie par la pile.

e/ Comparez la puissance reç ue par le filde magnés ium et la puissa nce fournie par la pile.

ËNERGIE

21. Moteursélectriques

Les plaques cl-desso us représe nt e nt les indic ations lue s sur deux mo-te ursdifférents.A et B.

Pouvez-vous calculer la quantité d'é ner gie utilisée po ur faire fonc-rionnerchacunde cesmo te urs,Aet B,pendant 2h?

a

ct ivités

220 V- 50 Hz DUVAL DUPO~TetFILS N° 4309 7 S.A.R.L 19 76 60 W 220 V triphasé tDOOn/min A B 22. Leferil. repasser

Sur un fer à re passe r, on peu t lire l' ind ica t ion suivante: Cie DUBQI

S-220 V.

CC fer ilrepasserest utilisé 5h parse maine pour lerepa ssage.

Que lles solut io ns proposez-vous.solutions vous pertncuar ude co nnaît re la quantité d' é ne rgie utilisée pour cette tâche?

23. Le chauffe-eau solaire

Un chauffe-eau solaire reço it du So leil une puissan c ede 500 W/m2 _sous

forme de rayonnemen t. Il permet d'éleve r la température de l'eau à 15oC à65oc. Ledébit de l'eau est 0,011/s(ou 36 JIh).

al En supposa nt que le re nde me nt du chauffe-eau soit de 60%. que l est l'ordre de grandeur de la surface nécessaire pour obtenirce débit d' ea u chaude?

b/ Si le cielse co uvrede légersnuages, lapuissance reçuediminue;elle devie nt. par exemp le. moitié de la précédente.Comment. avecle même chauffe-eau so la ire. continuerilobten irde l'e au

à

65 oC ?

24. QuiV3 leplus vite?

Une moto et une automo bi le ont. l'une et l'aut re, un moteur qui peut fournir une puissance maximale d' e nviro n 50 ch (e nviro n 35 kw ).C'est la puissance dispo nible sur l'axe de s roues.

Lorsque le ur vitesse est maxi male, l'air et la route exercent sur la moto une force de frott ement de 500 N et sur l'automobile une force de

frott e me nt de 700 N.

al A titrede prévision .quel est levé hic ule le plus rapide?

bl Quelle estla vitesse maximale de la moto et de l'automobile? cl Il existe des petits moteurs po ur modèle rédu it. d'une puissancede 2 ch. capa bles de do nner à une maq uett e d'avio n une vitesse maximale de 150 kmlh en vol ho rizonta l,et ce. en l'absen ce de vent.

Il existe aussi des mo te urs de puissan ce identique do nna nt il certains vélomoteursune vitesse max ima lede50km/h .

Po urq uoi ce tte différe nce de vitesse maximale?

-"'--

'ËNERGIE

3

Stockage

act

ivité

s

R

echerches

..

.

30

25. Le stockage thermique

1/ Représentez lachaîne énergétique du stoc kage de l'én er giedu Soleil à l'ea u cha ude du réservoir (voir Documents, p. 19).

21Quelle quantité approximative d'eau est nécessaire pour obtenir

10 kWh (ce que fournil en 10h un radiateur de 1kW) si on laisse de l'eau cha ude se refroidir de SO°C à 20°C?

26, Les volants d'inert ie

Plus un mobile est anime d'une vitesse elevee, plus la quantite d'énergie stockée est important e,

Ce principe peut ëtre appliqué austockage. Lasolution adoptéedoit occuper le moins de place possible. Plutôt que de déplacerdescorps en lignedroite, on lesfait tourner sur eux -mêmes. Ces volants peuventêtre lancés en ta i-lisant t' ëtectrtctt ëproduite pendant les heures creuses .

1/ Représentez la chaine énerg ét iq ue du stoc kage par vola nt d'inerti e, et ce, de la centra le électriq ue au vota nt.

2/ Comment utiliser iez-vou s "éne rgie ciné tiq ue stoc kée dans tevota nt pourproduirede l'énergie électrique aux heuresde pointe?

Représentezlachaî neéne rgé tiq ue cor responda nte .

27, Vnautob usàvolant

La voilur e électrique n'est pas polluante. mais elle ne s'imposera quedans les usages oû la vitesse est relativement lem e. Les véhicules de livraison ou de transportencommun peuvent utiliserla traction electrique.

Ces vehicules onl d'ailleursuneautre propriétécommune:cellede necessiter defréquents arrêts. On peut mettre à profit un système original, le volant d'inertie. pour réaliser des économies d'énergie non négligeables. Certains trolleybusde San Francisco utilisent déjà le volant d'inertie comme réservoir d'énergie.

A la station'de départ, on donne une grande vitesse de rotat ionau volant d'inertie (1200 tr/min ).Del'énergie cinétiqueeststockée dans levolant dont la moue est importante(1 500 kg).

Cette énergie sert, pendant le traj et d'une dizaine de kilcmétres parcouru par le trolleybus, à entraîner une dynamo , laquelle fournil de l'énergie au moteur électrique. La grande originalite du système réside dans le fait que. lorsdes phasesde freinage, à l'approched'unestationou dans une descente, le moteur peul jouer le roll'degénérateur; entraîne par les roues, il foumù alorsde l'énergie au volantd'inertie,en le relançant.

ÊNERGIE

Il Rep rése ntez les chaînes énergétiq ues relatives au trolleybus de San Francisco décrit da nsle docume nt :

al àlasta tio nde dép a rt,pendant lela nce me ntdu vo la nt: bl au coursde la périod ede dé marrageduvéhicule: cl au cou rsdudépla ce me nt du véhicule

à

vitesse co nsta nte : dl au cours du freinage de ce de rnier.

21Quelle diffé re nc e existe-t-il entre la chaîn e énergétique du freinage du trolle ybus et la chaîne éne rgé tiq ue du freinage d'une automobile?

. .

,

ac

uvites

Manipulation

s

.

..

28, Accumulateur

On peut éventuellement fa b riq ue r un petit accum ulateur (voir Docu

-mellls , p. 19 ). Il ne contient pas d'éne rg ie : on dit en lan gage courant:

li fi'est pas chargé.

Charge: on peut le charger. c'est-à-dire lui transférer de l'énergie élec -trique à raide d'u n générat eur électrique adap té.

Dechar ge: après J'avoir chargé. on peut l'utiliser po ur faire fonctionner une peti te lampe ou un pet itmo te ur.

Il Représentez les de ux chaînes énergétiques correspondant aux deux situa tio ns: charge et décharge. Sous quelle forme est stocké e l' énergie dansl' accumulateu r?

21Sans cherc he r l'ordre de grandeur. quelles expér ien ces proposez -vo us pour compa rer lesquantitésd' é ne rg ie stockéesda nsdeuxaccumu -lateurs différents?

31Po uvez-vo us fou rnir un ordre de grande ur de la quantité d'é ne rgie que peut donner l'accumulat eu rcha rgé '!

Comparez-la à la qua nt ité d'énerg ie que pe ut fournir une pile platedu commerce,

29, Piles liquides

On pe u t éventuelle ment réa liser des piles liquid esavec deux électrodes de matéria uxdiffére nts(carbone ,cuivre, zinc , magné sium) et un éle ctro-lyte (solution acque use d'a cide chlo rhyd rique, desulfa te de cuivre,etc.).

II Les piles ainsi frab riqu ées contiennent de l'énergie: comme nt p eut-on le vé rifie r?

21Sousquelle forme J'énergie est-e lle stockéedansla pile? 30, Unstockagede l' avenir :l'h ydrogène

A partir du ra yo nnement sola ire, on peu t évent ue llement réaliser une électrolyse de l'e a u

à

l'a ide de cellules so la ires (voi rDocuments.p. 19).

II Représentez la chaîne éne rgét iq ue de ce stockage d'énergie.

21Quelest l' intérê t majeu r de cett e opératio n?

32

ËNERGIE

4

Coût énerg

étique

Reche

rches

.

..

31. Coûténergétiquedumaïs

Les informations du tableau ci-dess ous concerne nt la culture du maïs dans de ux cas différe nts, A et B,

- Cas A:Culture intensive,qui permet de récolter90quintau x(9000 kg) de maïs pa r hectare.

- Cas B: Culture plus économe, qui fournit une réco lte de 50 quintaux (5000 kg) de maïs par hectare.

Le table au donne les qua ntités d'énergie en MJ (106 _{joules) utilisée s}

par hectare : Cas A Cas B mai n- d 'œuvre 80 40 machines 4 800 2 800 carburant J800 800 engrais 22000 10000 irrigat ion 8 000 0 séchage 16000 0 divers 8600 5200 total 63280 18840 énergie produite(0) 126 000 70000

efficac ité énergétique 2 3.7

(') C'est l'éner gie fou rn ie par la quantit é demaisrécolté par hec tar elorsq uecemaissert de nourriture.

Exami nons lecas A,pa r exemple (voirDocuments, pp.20 et 21): al Les quant ités d'é nergie utilisées pa r la main-d'œuvre (80 MJ), pour

la cons t ruc tion des mac hines (4800 Ml) et nécessairesà la conduite des mac hines (3800 MJ),etc..sont-e lles fournies en partie,complè tement ou pasdu tout au maïs'!

bl Fina lem e nt, d'où provient la quantité d'é ne rgie (126000 Ml) conte -nue dans le maïs?

Bie n entendu , lasitua t ionest tout il.faitse mbla bleda nslecasB.

cl Que veut-on dire ici par efficacité éne rgé tiq ue'! Que signifi e: l' effi-cacitéénergétiq ue est égale

à

2?

dl En compa ra nt les cas A et B, dites da ns quel cas l'é ne rgie utilisée pourlaculture du maïsest laplusefficacement uti lisée?

32. Coùténergétique d'une voiture

fi faut 4,5 tonnes de charbon [Jourfabriquer une voiture. Qu'est-ce que

cela signifie?

ËNERGIE

. .

,

a

c t

i

v

i

tes

5

Machine

s

thermique

s

R

echerches...

33. La charneéncrgéüqucdes moteurs thermiq ues

A l'a ide du doc um ent sur les mo teurs ther m iq ues, page 14. rep résentez la chaîne éne rgétiq ue de tout mote ur therm iq ue .

En obse rvan t le docume nt de la puge 14, représentez la chaine éne rgé -tique de l'e nse m b le qui permet d'allumer une lampe avec du gaz.

34. ta chaîne énergé tique de la pompe à chaleur et du réfrigérateur A l'aide dudo cu m e nt de la page 15. représentez la chaine énergétique d'un réfrigérate ur, pu iscelle d'u ne pompe ilcha leu r.

•

•

•

o

•

•

o

•

•

o

o

chaleurfournie il la maison

,~

travail fourni au moteu r

Supp o son s l'e fficacité d'une po mpe il chaleur égale

a

3. Celle pompe sert il chauffer une maison de 2:\0 m'. Il faut 6 X 101J/jour pour chauf -fer cette ma iso n .

al Quelest le travail élect riqu ejourna lier fourni à la pompe ilchale u r? Que lle est la quantité de chale urSIprélevée il l'a ir amb ia nt?

Quel le est la puissa nc eap proxima tive du mo teu r électri que du com p res -seur?

bl Si on util isa it, com me mode de cha uffage. un radia teu rélectriq ue de même puissance que le mote u r électriqu e ci-de ssus. sera it-il possible de chauffe r la maiso n?

cl Quel le quant ité jo u rna lière de charbon est nécessaire po ur chauffer celle maison uve e une pompe il chaleur'?

dl Quel le quantité jou rn alière de cha rbo n est nécessaire pour cha uffer ce tte maison ave c un rad ia teur électrique?

35. La pompe ilchaleur

L'e ffi ca c itéd'une pompe ilchaleur est le rapport :

36. La lassedl:'thé

Une ta sse de thé se refroi di t de 10 -C. A cette dim inuti o n de te m péra -ture de la tasse. correspond une dimin ution de so n énergie interne. En supposant que cette varia t ion d' én erg ie ser ve entièrement il élever la tasse en l'a ir. ilquelle altitu de pou rr a it-o n faire monter celle-ci'? L'hypo -thèse précédente est un peu fantaisiste! Elle est mêm e totalement fa usse : pourquoi?

(Voir Doel/ m eil/s. p. 14).

ËNE RGIE

5

Machine

s

therm

iques

tt

t \181

Manipulati

on.

..

37. Les moteurs thermiques

Il existe diverses petites machi nes qui sont de petitsmoteursthermiques :

le bouillant , le cana rd buveu r, J'hélic e en carto n, le bat e au àserpen tin. le bateau à voile. J1s SOnt représentés ici et il la page 14.

al Fa ites fonctionner ces petite s machines, c'es t-à- dire: faites monter le liquide du' bo u illa nt, faites se bal a nce r le cana rd, fa ites tou rne r l'hé -lice, faites tourn er le bate au à se rpe nt in.fa ites avan ce rle bate au à voile. elt to ut cela au moyen de la cha le u r fourni e par un ou des systè mes convenables.

b

l

Repé rez le fluide et locali sez les deux températures différentes qui caractérisent tout moteurthermiqu e .

cl En agissant su r le systè me donn ant de la chaleu r ou su r le systèm e receva nt de la chaleur. faites varie r l'intensitédes effets produits (Ie liqu ide monte plus vite,le bate a u tourne plus lentement. etc.] .

Lo rsqu e la diffé re nce de température augmente. l'i nten sité des effet s prod uits est-elle plus grande ou pluspetite?

1/ lebateauthermiq ueàvoile.

2/

Lecana rd. 3/ Le bouillant.

acti

vités

ËNERGrE

6

Production d'énergie électrique

a

cti vités

Recherch

es.

..

38. La centra letherm iqueclassiqueet la centra le nucléaire

A l'aide des documentsdes pages 10el 11 :

al recherchez leséléments co mmuns aux deux typesde cent rales:

hl représentezla chaîne energetique de chaq ue centrale: cl quelle est la différen ce essent ielle entre lesdeux ce nt ra les?

39. Que fait-ondelapluiequi tombe ?

En France . chaq ue annee. il tombe en moyenne unehauteur d'e au d 'en-viro n 1 m. Celle eau tombe

à

des altit udes diverses, depuis le niveau de lamerjusq u'auxsom mets desmonta gnes.

L'ens emble de ce système 1eau-Terre 1possède l'énergie de niveau.

Quelle méthode proposez-vous pour éva luer J'ordre de gra ndeur de cett eéne rgie de niveau pour une année "?

Quelle est la proportion de cette énergie de niveau tra nsfo rmée en énergie hydraulique pour l'année 1978(voir Documents,p. 11)?

40, Le prix del' éner gie

Une pile de 4.5 V peut débiter un co ura nt de 0,2A pe nda nt 4 heures. Son prix es! d'environ 3 F,

Le prix du kWh-E.D .F. est d'environ 0,50 F.

al Évalu ez un ordre de gra ndeu r de la quan t ité d'é nergie que peut fournir la pile.

bl Que lest le prixd' un kWh fo urn i par la pile?

cl Que l est le kWh le moins co ûteux à l'utilisation, celui de la pile ou cel ui de l'E,D ,F . ?

dl Po ur le prix d'un kwh-pile. co mbie n peut-on utiliser de kWh-E.D.F."?

ENERGIE

ac

ti

v

ités

41. Allumer une lampeavecde l'eaudu robinet

Avec l'eau qui tombe du robinet. une turbine et une petite dynamo. on

peut allumer fac ilement une petite ampoule delampede poc he.

0/ En réa lisa nt éventuellement cette chaîne,allum ezune petiteampoule.

b/ Re prése ntezla chaîn e énergét ique de ce mon tage'!

42. Allumer une lampe avec une massequi tombe

Avec une masse qui tombe tout en entraînant une petite dynamo, on

peut allume r faci lement une pet ite ampou le de la mp ede poche.

0/ En réalisant éventuel lemen tcette chaîne, allume z une petite ampoule.

bt Rep résentez la chaîn e énergét ique de ce montage et estim ez un ord re de gran de ur de son re nd em ent énergétique.

cl Comparez ce rende me nt avec celuid'une véritable centrale hydra u-lique (vo irDocuments. p. 16).Qu' e n concluez-vous?

Commemaire: Ilnes'agit pasicid'une vra ie maquettede centrale hyd ra

u-liqu e, mais plutô t d' u ne simulat ion. La man e qui tombe remplace l'eau qui tombe. Ma is. du point de vue éne rgétiq ue , l'idée importa nte est la

suivante: com me dans lacentrale hydraulique. quelque chosetombe, peu impo rte que ce soit l'eau ou une masse solide.

Manipulati

ons.

..

P

roduction d

' énergie électrique

6

43 , Allumer unela mpe avecle Soleil

Avec une ou de ux cellules so la ire s éc lairées par le Soleil. on peut allu

-mer (faible me nt) une pe tite ampoule de la mp ede poche .(Ala placedu

Sole il. on peu t utilise r une lampe de burea u de 100 W avec un bon réflect e u r.)

al En réalisa nt éventue llemen tcette chaîne,allumezune petiteampoule. hl Représentez la chaîne énergétique du montage.

cl Evaluer un ord re de grandeur du re nd e me nt de celte ope ra tion. La compa re r avec une installa tion so laire pro fessionnelle (voir Docume nts.

p. 16).

dl Sup posons un ensem ble de cellules so laires éclairées dansde bon nes

conditions par le So leil. Elles reço ive nt alo rs une puissance rayon na nte égaleif500 W/ml_.

Dans le cas d'une installatio n profess ionne lle, quelle est la surface néces

-saire de' cellules solaires pour:

- ma intenir allu mée normalement une lampe de 100 W'!

- assu rer l'a lime nta t ion électrique d' u ne habita tion po u r quatre pe r

--,

sonnes.

MÉCANIQUE

Étude de l'interaction air-voiture. Les filets d'airsont matérialisés pal des filets d'eau.

38

M~CANIQUE

d

ocum ents

Page38

Eolienne expérime ntale de la NASA à SanduskV (Ohiol.

Sen-hélice à deux pales a un diamètre de 38 m et est installée au sommet d'une tour de 30 m dehauteur.

Cette éolienne donne une puissancemaxi

-male de100 kWpour unventde30 km/h.

Page 39

1

1

Pompiers maintenant une lance à in

-cendie.

2

1

Plancheàvoile.

3

1

Le T.G.V. Itrein à grande vitesse}en cours d'essai.

MËCA NIQUE

d

ocuments

raileœrce-t-nle même actionsur les deux véhicules ci-dessous? 3

.

~

7

MËCANI QUE

do

cuments

MËCA NIQUE

Page40

Variation

du m

ouvement

1/ 2/ Mctocvcnste en mouvement. Lesdeux photosont étéprisesàdesinter

-valles de temps égaux:1/40" de seconde, {Lajante de la roue a60cm dediamètre.]

Page41

D

éformation

1

/

Oéformations simultanées de la ra

-quette etde la balle de tennis,

2

/

Essai de flexion jusqu'à rupture d'une poutre en béton lF= 2 X10l _{Nl. La}

mesme dela force est réalisée par uncap -teur piézu-élecuque.

d

ocum ents

MJ:CANIQUE

d

ocum ent s

Pesant

eur

1/ Belexempledeforce d'ori gine muscu-laire.

A l'heu reactuelle,le record du monde de masse soulevée est égal à 256 kg à l'épaulé.

2/

Rocherenéquilibre.

MJ:.CANIQUE

D

émarrages

1/ Départde4DD m.

2/

Motoau démauag!.

d

o cuments

4

3

MËCANIQU E

, -

- -

...

d

ocumen ts

.

--=

44

MfCANIQUE

Page 44

1/ laforce exe rcéepar l'air surleshélices permet le décollage verticalde cet avion

convertible. (En positionde vol,l'axe des hélicesest horizontal.)

2/

la terce exercée par l'eau permet de fairetourne rlarouedumoulin,

Page45

Frottem

ent

1/ 2/ Le reute menr permet destOUISde force!

d

ocumen ts

1 2

MËCANIQUE

d

ocu ments

1 1

1

page 46

Dynamomètre

s

page 47

E

ssai

en

s

oufflerie

46

1/ Disque en matériau photo-élastique

comprimé en deux points:plus la force

appliquée est grande,plus les bandes

colo-rées sont rapprochées (F= 1 000 Nl.

2/ Un dynamomètre à annea u: dans le

cas présent.ilpermet de mesurerl'in

ten-sité dela force dansunessaide compres

-":...

~::.-,

siond'un échan tillonde sol (F= 5000Nl.

Essai en soufflerie de la maquetted'une

voiture en vuede déterminer la force de

frottementexercée par l'airsur le véhicule.

1/ Vue d'ensemble de la soufflerie au

COUfS d'unessai.Pourcet essai,la vitesse

de fair est de 40 mis et la force, exercée

parce derniersurla maquette,de 2 N.

2/ 3/ la mesure de l'intensité de la

forcese faitàl'aide d'unejaugede

défor-mation collée sur une lame élastique

MI:CANIQUE

document

s

4

8

MËCA NIQUE

2

d

o cum ents

R

éacteurs

1/ Concordeaudécolla ge, 2/ Jouet aquamobile.

MJ::CA NIQ UE

1/ Schéma de la positio n d'un réacteur

d'étrave.

" , , , 0

d

o cuments

2/ Unréacteur d'étrave peutdonner: al une force transversale;

b/ une force de freinage,

,

b 1

3/ Entrée d'eauduréacteur.

o

(0

. ,

115

MËCANIQUE

d

o cu ments

50

2

T

ransmission de f

orce

et

MÉC ANIQUE

Page50

1/ Dispositif permettant d'assurer la ten -sion mécanique des câbles d'une ligne électriqueS.N.C.F.la masse du contrepoids eSI voisine de 500 kg.

2/ Détaildespoulies.

d

ocum

ent

s

Page 51

1/ 2/ Moteurde voiture. 3/ Portique de levagede bateaux.

3 4

3/4 / Perce used'établi.

MËCA NIQUE

do

cum ents

1/ Reproduction d'une peinture murale

d'un tombea u êgyptien. le glissement du chariot sur le sol estfacilitéparle liquide versé pal l'un des ouvriers.On remarquera le ncmëred'ouvrie rstirantlechariot.

52

2

roue cranté e qUIpermettait

de tendre leressort

lesressorts éta ient formés par des fibr es élasti ques.

comme lecrin decheval

ce système d'articulat ion

permett ait de diriger la

machine dans toutes les

directions et toutes les

hauteurs

leproject ilepouvait

peser20 k et lus

systèmededétent e