population (milliers)

INTRODUCTION INTRODUCTION À À

L L ’É ’É NERGIE NERGIE

Marcel Lacroix Marcel Lacroix Universit

Universit é é de Sherbrooke de Sherbrooke

MATI MATI È È RE RE

GÉ G ÉNIE NIE MÉ M ÉCANIQUE CANIQUE

ÉNERGIE É NERGIE INFORMATION INFORMATION

ING 315

IMC 220

COURS DE

THERMO FLUIDE

BR BR È È VE HISTOIRE DE L VE HISTOIRE DE L ’É ’É NERGIE NERGIE

• Invention agriculture … énergie mécanique animale … guerre… religions… maladies infectieuses ~ dix mille années.

•Maîtrise du feu ~

1 million années.

BR BR È È VE HISTOIRE DE L VE HISTOIRE DE L ’É ’É NERGIE NERGIE

• Déclin empire romain: refus de la maîtrise de l’énergie.

•Roue hydraulique

~ 3000 années.

BR BR È È VE HISTOIRE DE L VE HISTOIRE DE L ’É ’É NERGIE NERGIE

• Moulin hydraulique, moulin à vent et collier

d’épaule ~ mille années.

BR BR È È VE HISTOIRE DE L VE HISTOIRE DE L ’É ’É NERGIE NERGIE

• Déforestation massive en Europe:

consommation de biomasse et construction de

cathédrales ~ 800 années.

BR BR È È VE HISTOIRE DE L VE HISTOIRE DE L ’É ’É NERGIE NERGIE

• Révolution industrielle: machine à vapeur ~

300 années (Papin … Newcomen …Watt).

BR BR È È VE HISTOIRE DE L VE HISTOIRE DE L ’É ’É NERGIE NERGIE

• Énergie nucléaire (fission) ~ 50 années.

HISTOIRE RELATIVE DE HISTOIRE RELATIVE DE

L L ’É ’É NERGIE NERGIE

• Comprimons les ~ 240 000 années

d’histoire des hominidés en une seule année:

• 1 ^er janvier, 00h00: Apparition de l’homo sapiens.

• 20 décembre, le matin: Invention du feu.

• 22 décembre, le matin: Énergie animale.

HISTOIRE RELATIVE DE HISTOIRE RELATIVE DE

L L ’É ’É NERGIE NERGIE

• 26 décembre, ~12h00: Roue à eau.

• 31 décembre, ~13h00: Machine à vapeur.

• 31 décembre, ~18h00: Électricité.

• 31 décembre, ~19h00: Puits de pétrole en

Amérique.

TRAVAIL: D

TRAVAIL: D É É FINITION FINITION

• Le travail est l’action de transférer de l’énergie.

• Le mouvement d’un objet est causé par du travail.

• Travail = (Force) x (Distance)

É É NERGIE: D NERGIE: D É É FINITION FINITION

• L’énergie est la capacité de faire du travail.

• L’énergie permet de produire un travail

comme l’argent permet de dépenser.

PUISSANCE: D

PUISSANCE: D É É FINITION FINITION

• La puissance est le taux auquel le travail est fait.

• Puissance = (Travail)/(Temps)

• L’action de tondre la pelouse est un travail qui demande la conversion d’énergie chimique

(métabolisme) en énergie mécanique (marche).

• En tondant la pelouse deux fois plus vite, on

fait le même travail mais cela demande deux

fois plus de puissance.

UNIT UNIT É É S D S D ’É ’É NERGIE ET DE PUISSANCE NERGIE ET DE PUISSANCE

• Travail et énergie:

(1 Joule) = (1 Newton) x (1 mètre)

• Puissance:

(1 Watt) = (1 Joule)/(1 seconde)

James Joule (1818-1889)

UNIT UNIT É É D D ’É ’É NERGIE NERGIE É É LECTRIQUE LECTRIQUE

• (1 kWh) = (1000 Watts) x (3600 secondes)

= 3.6 x 10 ⁶ Joules

SCH SCH É É MA MA É É NERGIE NERGIE - - TRAVAIL TRAVAIL

Énergie potentielle élevée

Énergie potentielle basse

Machine Travail

É É NERGIES RENOUVELABLES ET NERGIES RENOUVELABLES ET NON RENOUVELABLES

NON RENOUVELABLES

• RENOUVELABLES: hydraulique, solaire, éolienne, ‘biomasse’, géothermie*, océan, marée motrice et vagues.

• NON RENOUVELABLES: combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz) et matières fissiles (uranium).

* Pour la production de chaleur seulement.

IMAGINEZ UN INSTANT LA VIE SANS IMAGINEZ UN INSTANT LA VIE SANS É É LECTICIT LECTICIT É É ET SANS COMBUSTIBLE ET SANS COMBUSTIBLE

• Que mangerait-on?

• Comment se chaufferait-on?

• Comment se déplacerait-on?

• Comment serait le quotidien?

POURQUOI S

POURQUOI S ’ ’ INT INT É É RESSER RESSER À À L L ’É ’É NERGIE? NERGIE?

Dans tous les phénomènes,

organismes, dispositifs, machines, systèmes et procédés, il y a

inévitablement conversion d’au

moins une forme d’énergie en une

autre.

EXEMPLES DE CONVERSION EXEMPLES DE CONVERSION

D D ’É ’É NERGIE D NERGIE D ’ ’ UNE FORME UNE FORME À À UNE AUTRE

UNE AUTRE

DE M DE M É É CANIQUE CANIQUE À À M M É É CANIQUE CANIQUE

Engrenages

Piston

Transmission

DE M DE M É É CANIQUE CANIQUE À À É É LECTRIQUE LECTRIQUE

Dynamo

Générateur

Alternateur

DE M DE M É É CANIQUE CANIQUE À À CHALEUR CHALEUR

Freins à disques

DE CHALEUR

DE CHALEUR À À M M É É CANIQUE CANIQUE

Turbines à gaz

Locomotive à vapeur

DE CHALEUR

DE CHALEUR À À CHALEUR CHALEUR

Échangeurs

de chaleur

DE CHALEUR

DE CHALEUR À À É É LECTRIQUE LECTRIQUE

Thermocouple

Pile thermoélectrique Réfrigérateur

thermoélectrique

DE DE É É LECTRIQUE LECTRIQUE À À M M É É CANIQUE CANIQUE

Moteurs électriques

DE DE É É LECTRIQUE LECTRIQUE À À CHALEUR CHALEUR

DE DE É É LECTRIQUE LECTRIQUE À À CHIMIQUE CHIMIQUE

Chargement d’une batterie Électrolyse

DE CHIMIQUE

DE CHIMIQUE À À M M É É CANIQUE CANIQUE

Moteurs à combustion interne

DE CHIMIQUE

DE CHIMIQUE À À É É LECTRIQUE LECTRIQUE

Déchargement d’une batterie Piles à combustible

DE CHIMIQUE

DE CHIMIQUE À À CHALEUR CHALEUR

DE SOLAIRE

DE SOLAIRE À À M M É É CANIQUE CANIQUE

Moudre le grain Déplacement

DE SOLAIRE

DE SOLAIRE À À É É LECTRIQUE LECTRIQUE

Cellules photovoltaïques

DE SOLAIRE

DE SOLAIRE À À CHALEUR CHALEUR

Capteurs solaires

DE SOLAIRE

DE SOLAIRE À À CHIMIQUE CHIMIQUE

Photosynthèse

DE NUCL

DE NUCL É É AIRE AIRE À À CHALEUR CHALEUR

Réacteurs nucléaires

CONVERSION SOLAIRE

CONVERSION SOLAIRE - - É É NERGIE NERGIE POTENTIELLE

POTENTIELLE – – É É NERGIE CIN NERGIE CIN É É TIQUE TIQUE - -

M M É É CANIQUE CANIQUE - - É É LECTRICIT LECTRICIT É É

CONVERSION SOLAIRE

CONVERSION SOLAIRE – – M M É É CANIQUE CANIQUE - - É É LECTRICIT LECTRICIT É É

Parc

d’éoliennes

CONVERSION NUCL

CONVERSION NUCL É É AIRE AIRE - - CHALEUR CHALEUR

– – M M É É CANIQUE CANIQUE - - É É LECTRICIT LECTRICIT É É

É É NERGIE: CONSTAT NO. 1 NERGIE: CONSTAT NO. 1

• L’énergie n’est ni créée ni détruite.

• La quantité totale d’énergie dans l’univers demeure constante.

• L’énergie peut être toutefois

transformée d’une forme à une autre.

• C’est le principe de conservation

d’énergie. C’est la 1 ^ère loi de la

thermodynamique.

É É NERGIE: CONSTAT NO. 2 NERGIE: CONSTAT NO. 2

• À chaque fois que l’énergie est

transformée d’une forme à une autre, sa qualité se dégrade.

• Ce constat est la 2 ^ième loi de la

thermodynamique.

EXEMPLE:

EXEMPLE: É É NERGIE vs ARGENT NERGIE vs ARGENT

É É nergie nergie stock

stock é é e e

É É nergie nergie entrante entrante

É É nergie nergie sortante sortante

= -

Syst Syst è è me me

Argent Argent

accumul

accumul é é = Revenus Revenus - D D é é penses penses Compte de banque

Compte de banque

QUANTIT

QUANTIT É É vs QUALIT vs QUALIT É É

• Un kWh d’électricité peut être transformé en un kWh de chaleur (l’énergie est conservée:

1 ^ère loi) mais le kWh d’électricité a plus de valeur que le kWh de chaleur (2 ^ème loi).

• La monnaie canadienne peut être convertie en monnaie américaine (l’argent est conservé:

1 ^ère loi) mais les deux monnaies n’ont pas le

même pouvoir d’achat (2 ^ème loi).

OBJECTIFS OBJECTIFS

• Combien d’énergie peut être transformée d’une forme à une autre fait l’objet du

cours d’Énergétique Ing315.

• Comment l’énergie peut-être

transformée d’une forme à une autre fait

l’objet de l’ensemble du programme de

génie mécanique.

SITES

SITES À À CONSULTER CONSULTER

• http://www.iea.org/

• http://www.rmi.org/

• http://www.aee.gouv.qc.ca/

• http://oee.nrcan.gc.ca/

• http://www.energy.gov/engine/content.do

UNITÉS D’ÉNERGIE COURANTES

kWh

(kilowatt heure)

3.6 x 10

Joules BTU

(British Thermal Unit)

1055 Joules cal

(calorie)

4.186 Joules tep

(tonne équivalent pétrole)

4.186 x 10

Joules tec

(tonne équivalent charbon)

2.93 x 10

Joules

UNITÉS DE CONVERSION UTILES

1 gallon U.S. 3.79 litres 1 baril

(46.4 gallons U.S.)

~ 176 litres 1 litre d’essence ~ 10 kWh

1 H. P. ~ 740 W

É É NERGIE STOCK NERGIE STOCK É É E PAR UNIT E PAR UNIT É É DE MASSE ET DE VOLUME DE MASSE ET DE VOLUME

Matière (kJ/kg) (kJ/litre)

Batterie plomb/acide

~ 145 -

Bois sec

~ 12 * 10

~ 6 * 10

Charbon

~ 24 * 10

~ 32.4 * 10

Diesel

~ 47 * 10

~ 38.3 * 10

Essence

~ 48 * 10

~ 36 * 10

Gaz naturel

~ 55 * 10

~ 36

Hydrogène

~ 141 * 10

~ 11.5

É É QUIVALENCE RELATIVE (VOLUME) QUIVALENCE RELATIVE (VOLUME) Matière Volume occupé

Bois sec

~ une demie corde (1767 litres) Charbon

~ 1.9 barils (327 litres)

Diesel

~ 1.6 barils (276 litres) Essence

~ 1.7 barils (294 litres) Gaz naturel

6 piscines de 50 m

chacune

Hydrogène

une maison de 20m x 20m x 2.3m

Uranium naturel un dé à coudre de 1 cm

É É QUIVALENCE RELATIVE QUIVALENCE RELATIVE (VOLUME) (VOLUME)

~

1 dé à coudre d’uranium naturel ~ ½ corde de bois

É É QUIVALENCE RELATIVE (MASSE) QUIVALENCE RELATIVE (MASSE)

Matière Masse

Bois sec

~ 50 kg Charbon

~ 23 kg

Diesel

~ 11.5 kg Essence

~ 11.5 kg Gaz naturel

~ 10 kg

Hydrogène

~ 4 kg

Uranium naturel

un gramme

POINTS DE REPÈRE:

ÉNERGIE

Soulèvement d’une masse de 1 kg d’une hauteur de 1 m

~ 10 J Un litre d’eau du robinet

chauffée à 100

C

~400 kJ (0.11 kWh) Métabolisme adulte/jour ~ 8 600 kJ (2.4 kWh) Maison unifamiliale 140 m

(consommation moyenne/jour)

~ 216 000 kJ (60 kWh)

Voiture (par litre consommé) ~ 36 000 kJ (10 kWh)

POINTS DE REPÈRE:

PUISSANCE

Adulte au repos ~ 100 W

Athlète (lutte olympique) ~ 1000 W Ampoule électrique ~ 100 W

Séchoir à cheveux ~ 1500 W

Maison unifamiliale (120V, 200A) ~ 24 kW

POINTS DE REPÈRE:

FLUX DE CHALEUR

Peau humaine (100 W sur 2 m

) ~ 50 W/m

Soleil intense (à midi, l’été) ~ 1 kW/m

Ampoule électrique de 100W ~ 10 kW/m

Puce électronique ~ 100 à 1000 kW/m

PUISSANCE ET FLUX

1500W 100W

1000W 100kW

ACTIVIT

ACTIVIT É É HUMAINE: CONSTATS HUMAINE: CONSTATS 1. 1. Des Substances sont extraites de la Des Substances sont extraites de la

lithosph

lithosph è è re et s re et s ’ ’ accumulent dans accumulent dans l l ’é ’é cosph cosph è è re re … …

2. 2. Des substances sont cr Des substances sont cr éé éé es et es et

s s ’ ’ accumulent dans l accumulent dans l ’é ’é cosph cosph è è re re … … 3. 3. La biodiversit La biodiversit é é s s ’ ’ appauvrit appauvrit … …

4. 4. Les ressources de la plan Les ressources de la plan è è te sont utilis te sont utilis é é es es inefficacement et sans

inefficacement et sans é é quit quit é… é…

ACTIVIT

ACTIVIT É É HUMAINE: AXIOMES HUMAINE: AXIOMES

1. La croissance de la consommation totale d’énergie demeure toujours supérieure à la croissance démographique.

2. Un besoin fondamental de l’espèce humaine est de disposer d’énergie à

volonté dans un environnement sûr et propre.

3. L’humanité poursuit sa voie irréversible.

CONCLUSION D

CONCLUSION D É É COULANT COULANT DES TROIS AXIOMES

DES TROIS AXIOMES

• À moins de découvrir une nouvelle

forme d’énergie plus concentrée que la fission nucléaire (kJ/kg), alors

l’énergie nucléaire deviendra la forme

d’énergie préférée sur la planète.

UN UN World World population Prospects (2004): population Prospects (2004):

(Axiome 1) (Axiome 1)

0,E+00 1,E+06 2,E+06 3,E+06 4,E+06 5,E+06 6,E+06 7,E+06 8,E+06 9,E+06 1,E+07

population (milliers)

30 Key

30 Key Energy Energy Trends (IEA): Trends (IEA):

Formes d

Formes d ’é ’é nergie consomm nergie consomm é é es (Axiome 1) es (Axiome 1)

30 Key

30 Key Energy Energy Trends (IEA): Trends (IEA):

Secteurs de la consommation (Axiome 1)

Secteurs de la consommation (Axiome 1)

CONSOMMATION D

CONSOMMATION D ’É ’É NERGIE NERGIE

(kWh par habitant et par jour*, Axiomes 1 et 2 ) (kWh par habitant et par jour*, Axiomes 1 et 2 )

Période Société A B C

2

2 4 12 32 66 3

4 7 24 4

6 7

10 91

D Total 2 5 12 26 77 230 1

14 63 -10

ans primitive

- 10

ans chasseur

-7000 ans agriculture pri.

1400 agriculture ava.

1850 industriel 2000 technologique

A:alimentation; B:chauffage central; C:industrie et agriculture;

D:transport.

30 Key

30 Key Energy Energy Trends (IEA): Trends (IEA):

Pr Pr é é visions de la consommation d visions de la consommation d ’é ’é nergie nergie (Axiomes 1 et 3)

(Axiomes 1 et 3)

30 Key

30 Key Energy Energy Trends (IEA): Trends (IEA):

É É conomies r conomies r é é alis alis é é es (Axiome 2) es (Axiome 2)

30 Key

30 Key Energy Energy Trends (IEA): Trends (IEA):

Millions de gens sans

Millions de gens sans é é lectricit lectricit é é en 2003 en 2003 (Axiome 2?)

(Axiome 2?)

TENDANCE HISTORIQUE: Axiomes 2 et 3 TENDANCE HISTORIQUE: Axiomes 2 et 3

Source Années Pouvoir

(kJ/kg)

Atomes C/H Bois

Charbon

C

H

diesel C

H

essence

CH

~10

~ 55 000 0.25 H

~10

~ 141 000 0.00 Uranium-235 (fission) ~10

~800 * 10

N.A.

~ 12 000 9.00

~10

~ 24 000

~10

~ 47 000

~10

1.63 0.46

~ 48 000 0.44

~10

30 Key

30 Key Energy Energy Trends (IEA): Trends (IEA):

É É missions pr missions pr é é vues de gaz carbonique vues de gaz carbonique (Axiome 3)

(Axiome 3)

É É NERGIE DANS LE MONDE: NERGIE DANS LE MONDE:

CONCLUSIONS CONCLUSIONS

• • ‘ ‘ IEA World Energy Outlook 2002 Insights IEA World Energy Outlook 2002 Insights ’ ’ : : Consommation mondiale d

Consommation mondiale d ’é ’é nergie va nergie va

cro cro î î tre de plus de 50% entre 2000 et 2030 tre de plus de 50% entre 2000 et 2030 … …

• • 90% sera combl 90% sera combl é é e par les combustibles e par les combustibles fossiles

fossiles … …

• • Les Les é é missions de CO missions de CO _{2 2} augmenteront de 50% augmenteront de 50%

par rapport au niveau pr

par rapport au niveau pr é é sent sent … …

É É NERGIE DANS LE MONDE: NERGIE DANS LE MONDE:

CONS CONS É É QUENCES QUENCES

• • Changements n Changements n é é cessaires dans la fa cessaires dans la fa ç ç on de on de transformer et d

transformer et d ’ ’ exploiter l exploiter l ’é ’é nergie afin de nergie afin de contrôler la demande et r

contrôler la demande et r é é duire les effets sur duire les effets sur l l ’ ’ environnement. environnement.

• • Aucune technologie ne peut Aucune technologie ne peut à à elle seule r elle seule r é é soudre ce soudre ce probl

probl è è me (combustibles fossiles, me (combustibles fossiles, énergies é nergies renouvelables, hydrog

renouvelables, hydrog è è ne, technologies ne, technologies à à é é missions missions z z éro, s é ro, sé é questration de CO questration de CO

, fusion, etc.). , fusion, etc.).

• • Prise en compte des r Prise en compte des r é é alit alit é é s politique, sociale, s politique, sociale,

D é m o c r a t i e s

D i c t a t u r e s

1-ÉDUCATION;

2-SANTÉ;

3-ÉNERGIE;

4-EAU;

5-COMMUNICATION DÉVELOPPEMENT

SOCIAL ET ÉCONOMIQUE:

É É NERGIE AU CANADA: NERGIE AU CANADA:

CONSTATS CONSTATS

• • É É conomie fond conomie fond é é e sur des industries voraces e sur des industries voraces en en é é nergie. nergie.

• • Industrie: 40%; Transport: 29%; Industrie: 40%; Transport: 29%;

R R é é sidentiel: 18%; Commercial: 13%*. sidentiel: 18%; Commercial: 13%*.

• • Grands consommateurs industriels: Mines, Grands consommateurs industriels: Mines, traitement, transformation, chimie, p

traitement, transformation, chimie, p é é trole, trole, raffinerie, fer et acier, pâtes et papier.

raffinerie, fer et acier, pâtes et papier.

CONSOMMATION

CONSOMMATION É É NERGIE 1973 NERGIE 1973 - - 2015 2015

CONSOMMATION:INDUSTRIE

CONSOMMATION:INDUSTRIE

CONSOMMATION:

CONSOMMATION:

R R É É SIDENTIEL ET COMMERCIAL SIDENTIEL ET COMMERCIAL

CONSOMMATION:TRANSPORT

CONSOMMATION:TRANSPORT

OBJECTIF KYOTO

OBJECTIF KYOTO

É É MISSIONS GES PAR SECTEUR MISSIONS GES PAR SECTEUR

É É MISSIONS GES PAR PROVINCE MISSIONS GES PAR PROVINCE

R R É É PERTOIRE PERTOIRE ‘ ‘ NOTES NOTES ’ ’ 1. Introduction à l’énergétique.

2. Concepts fondamentaux et définitions.

3. Propriétés des substances pures.

4. Travail et chaleur.

5. Principes de conservation.

R R É É PERTOIRE PERTOIRE ‘ ‘ NOTES NOTES ’ ’

6. Deuxième loi de la thermodynamique.

7. Entropie.

8. Cycles de puissance à vapeur.

9. Cycles de réfrigération à compression de vapeur.

10.Mélanges air/vapeur d’eau

LIVRE OBLIGATOIRE LIVRE OBLIGATOIRE

Introduction to Thermal Systems

Engineering: Thermodynamics, Fluid Mechanics and Heat Transfer by M.J.

Moran, H.N. Shapiro, B.R. Munson

and D.P. Dewitt, John Wiley & Sons,

Inc., 2003