RESSOURCES ET CONVERSIONS DE L'ÉNERGIECompétences attendues :

Cours de Physique – Chimie Première S Agir : défis du XXI^e siècle

Thème : Convertir l'énergie et économiser les ressources Chapitre XVIII

RESSOURCES ET CONVERSIONS DE L'ÉNERGIE

Compétences attendues :

• Recueillir et exploiter des informations pour identifier des problématiques : - d'utilisation des ressources énergétiques

- du stockage et du transport de l'énergie.

• Argumenter en utilisant le vocabulaire scientifique adéquat.

• Distinguer puissance et énergie.

• Connaître et utiliser la relation liant puissance et énergie.

• Connaître et comparer des ordres de grandeur de puissances.

• Schématiser une chaîne énergétique pour interpréter les conversions d'énergie en terme de conservation, de dégradation.

• Pratiquer une démarche expérimentale pour : - mettre en évidence l'effet Joule

- exprimer la tension aux bornes d'un générateur et d'un récepteur en fonction de l'intensité du courant électrique.

• Recueillir et exploiter des informations portant sur un système électrique à basse consommation.

I- Ressources énergétiques

1°) Ressources renouvelables ou non

Les ressources énergétiques renouvelables et non renouvelables sont distinguées par leurs durées caractéristiques : durée d'exploitation et durée de reconstitution.

Les ressources renouvelables ont une durée d'exploitation plus grande ou au moins égale à leur durée de reconstitution : elles ne s'épuisent pas lorsqu'elle sont exploitées (et ne produisent quasiment pas de déchets).

Les ressources non renouvelables s'épuisent car leurs durées de formation sont très supérieures à celles d'exploitation. (Elles engendrent des produits indésirables (CO2, déchets radioactifs)).

2°) Transport et stockage de l'énergie

• Pour faire face à la forte demande d'électricité en période de pointe, il est nécessaire de pouvoir stocker de l'énergie en période creuse pour le rendre disponible selon les besoins.

Actuellement deux dispositifs sont utilisés :

- les matières fossiles ou les barrages hydroélectriques sont des réservoirs d'énergie libérable à tout moment ;

- les accumulateurs permettent de stocker l'énergie électrique sous forme chimique.

• Le transport de l'énergie électrique est réalisé par des lignes électriques (depuis les centrales jusqu'aux habitations).

Or, tout conducteur a tendance à s'échauffer au passage d'un courant électrique. Ce phénomène est appelé effet Joule.

De façon à limiter ces pertes d'énergie, on utilise la haute tension (400 kV) pour transporter l'électricité car pour une même énergie transportée, l'effet Joule est moins important si la tension est plus élevée.

II- Production de l'énergie électrique 1°) L'alternateur

L'électricité n'est pas une forme d'énergie stockée mais un mode de transfert d'énergie.

L'électricité est essentiellement produite dans un alternateur, par conversion d'énergie mécanique en (« énergie électrique ») électricité.

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Cours de Physique – Chimie Première S 2°) Autres modes de productions

Dans les panneaux solaires, l'énergie lumineuse est convertie en énergie électrique grâce à des matériaux semi-conducteurs.

Dans les piles et accumulateurs, c'est l'énergie chimique qui est convertie en énergie électrique grâce à des réactions chimiques.

III- Conversions énergétiques dans un circuit électrique 1°) Énergie et puissance électrique

Pour exprimer une énergie en Watt-heure, on exprime la puissance en Watt et la durée en heure.

Ordres de grandeur de puissances :

P (W)

Appareil consommant

P(W)

Producteur

2°) Un exemple de récepteur électrique : le conducteur ohmique

Un récepteur est un dipôle qui reçoit de l'énergie électrique lorsqu'il est parcouru par un courant d'intensité I.

La caractéristique d'un dipôle est la représentation graphique de la tension U à ses bornes en fonction de l'intensité I du courant qui le traverse.

Un conducteur ohmique, caractérisé par sa résistance notée R, dissipe par transfert thermique et par rayonnement, toute l'énergie électrique

E

qu'il reçoit. Ce phénomène s'appelle l'effet Joule.

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3°) Le générateur électrique

Un générateur électrique est un dipôle électrique qui convertit une forme d'énergie en énergie électrique.

La caractéristique d'un générateur électrique est une droite d'équation : U = E – r I

La tension E est la force électromotrice (f.é.m.) du générateur ; elle s'exprime en Volt. Le coefficient r est sa résistance interne ; il s'exprime en Ω.

U en V et I en A.

4°) Énergie transférée et puissance du transfert U = E – r I

E

= U . I . ∆t

Ce qui peut s'écrire : E . I . ∆t =

E

^{+ r . I2 . ∆t}

Le terme

E

convertie = E . I . ∆t est l'énergie convertie ou utilisée par le générateur lors de son fonctionnement.

L'énergie convertie

E

convertie par un générateur n'est qu'en partie fournie aux autres dipôles du circuit. L'autre partie

E

^Joule est dégradée sous forme d'énergie thermique.

IV- Bilan des transferts d'énergie 1°) La chaîne énergétique

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E

= E . I . ∆t – r . I² . ∆t

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Par exemple, lorsqu'un moteur électrique est utilisé pour élever un objet à une certaine hauteur, on peut schématiser les échanges énergétiques de la façon suivante :

2°) Le rendement de conversion

Une partie de l'énergie restituée ne se fait pas sous forme utile mais sous une forme non récupérable et non exploitable : on parle alors d'énergie dégradée.

Exemple : reprenons le cas du moteur élévateur :

ρ = E

^m

E

^e

Les étiquettes énergie permettent de classer les appareils électroménagers en fonction de leur rendement énergétique.

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Énergie

électrique

Ee

^Moteur

Énergie mécanique

Em

Énergie dissipée

E

^d

transfert transfert

électrique mécanique