L’ÉNERGÉTIQUE L’ÉNERGÉTIQUE L ÉNERGÉTIQUE L ÉNERGÉTIQUE

INTRODUCTION À INTRODUCTION À INTRODUCTION À INTRODUCTION À

L’ÉNERGÉTIQUE L’ÉNERGÉTIQUE L ÉNERGÉTIQUE L ÉNERGÉTIQUE

((Thermodynamique, une approche pragmatiqueThermodynamique, une approche pragmatique, Y. , Y. ÇengelÇengel, , M.A.

M.A. BolesBoles, M. Lacroix, , M. Lacroix, ChenelièreChenelière--McGrawMcGraw--Hill, 2008)Hill, 2008) (lecture obligatoire: pages V

(lecture obligatoire: pages V--VII)VII)

Marcel Lacroix Marcel Lacroix Marcel Lacroix Marcel Lacroix

Université de Sherbrooke

Université de Sherbrooke

ÉNERGÉTIQUE ÉNERGÉTIQUE ÉNERGÉTIQUE ÉNERGÉTIQUE

Science traitant des diverses manifestations de l’énergie.

manifestations de l énergie.

MATIÈRE MATIÈRE

GÉNIE GÉNIE GÉNIE GÉNIE MÉCANIQUE MÉCANIQUE

ÉNERGIE

ÉNERGIE INFORMATIONINFORMATION

M Lacroix Introduction 33

ÉNERGIE

ÉNERGIE INFORMATIONINFORMATION

M. Lacroix Introduction 33

COURS DE

THERMO FLUIDE

ING 315

THERMO FLUIDE

IMC 220

ING 400 ING 400

BRÈVE HISTOIRE DE L’ÉNERGIE BRÈVE HISTOIRE DE L’ÉNERGIE

•Découverte du feu ~ 1/2 million d’années.

• Invention agriculture … Maîtrise du feu … énergie mécanique animale guerre

énergie mécanique animale … guerre…

religions… maladies infectieuses ~ dix mille années

années.

BRÈVE HISTOIRE DE L’ÉNERGIE BRÈVE HISTOIRE DE L’ÉNERGIE BRÈVE HISTOIRE DE L ÉNERGIE BRÈVE HISTOIRE DE L ÉNERGIE

•Roue hydraulique

~ 3 000 années.

• Déclin empire romain: refus de la maîtrise de l’é i

l’énergie.

BRÈVE HISTOIRE DE L’ÉNERGIE BRÈVE HISTOIRE DE L’ÉNERGIE

• Moulin hydraulique, moulin à vent et collier d’épaule mille années

d’épaule ~ mille années.

BRÈVE HISTOIRE DE L’ÉNERGIE BRÈVE HISTOIRE DE L’ÉNERGIE

• Déforestation massive en Europe:

consommation de biomasse et construction de consommation de biomasse et construction de cathédrales ~ 800 années.

BRÈVE HISTOIRE DE L’ÉNERGIE BRÈVE HISTOIRE DE L’ÉNERGIE

• Révolution industrielle: machine à vapeur ~ 300 années (Papin Newcomen Watt)

300 années (Papin … Newcomen …Watt).

BRÈVE HISTOIRE DE L’ÉNERGIE BRÈVE HISTOIRE DE L’ÉNERGIE

• Énergie nucléaire (fission) ~ 50 années.

1942: 1^ère réaction en chaîne contrôlée

TRAVAIL: DÉFINITION TRAVAIL: DÉFINITION

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

l énergie.

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

• Travail = (Force) x (Distance)Travail (Force) x (Distance)

ÉNERGIE: DÉFINITION ÉNERGIE: DÉFINITION

• L’énergie est l’aptitude à faire du travail.

L’é i t d d i t il

• L’énergie permet de produire un travail comme l’argent permet de dépenser.

PUISSANCE: DÉFINITION PUISSANCE: DÉFINITION

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

• Puissance = (Travail)/(Temps)p

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

demande la conversion d énergie chimique

(métabolisme) en énergie mécanique (marche).

• En tondant la pelouse deux fois plus vite on

• En tondant la pelouse deux fois plus vite, on fait le même travail mais cela demande deux fois plus de puissance

fois plus de puissance.

UNITÉS D’ÉNERGIE ET DE PUISSANCE UNITÉS D’ÉNERGIE ET DE PUISSANCE

• Travail et énergie:

(1 J l ) (1 N ) (1 è ) (1 Joule) = (1 Newton) x (1 mètre)

• Puissance:

James Joule (1818-1889)

Puissance:

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

James Watt (1736-1819) James Watt (1736 1819)

UNITÉ D’ÉNERGIE ÉLECTRIQUE UNITÉ D’ÉNERGIE ÉLECTRIQUE UNITÉ D ÉNERGIE ÉLECTRIQUE UNITÉ D ÉNERGIE ÉLECTRIQUE

• (1 kWh) = (1 000 Watts) x (3 600 secondes)

= 3,6 x 10, ⁶ Joules

SCHÉMA ÉNERGIE

SCHÉMA ÉNERGIE TRAVAILTRAVAIL SCHÉMA ÉNERGIE

SCHÉMA ÉNERGIE--TRAVAILTRAVAIL

Énergie potentielle élevée

Machine Travail

Énergie potentielle basse

ÉNERGIES RENOUVELABLES ET ÉNERGIES RENOUVELABLES ET ÉNERGIES RENOUVELABLES ET ÉNERGIES RENOUVELABLES ET

NON RENOUVELABLES NON RENOUVELABLES

• RENOUVELABLES: hydraulique, solaire, éolienne, ‘biomasse’, géothermie*, océan,

éolienne, biomasse , géothermie , océan, marée motrice et vagues.

• NON RENOUVELABLES: combustibles

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

fissiles (uranium).

* Pour la production de chaleur seulement.

Comment serait la vie quotidienne sans Comment serait la vie quotidienne sans

électricité et sans Pétrole?

électricité et sans Pétrole?

électricité et sans Pétrole?

électricité et sans Pétrole?

• Que mangerait-on?Que mangerait on?

• Comment se chaufferait-on?

• Comment se déplacerait-on?

• La vie serait misérable!La vie serait misérable!

POURQUOI S’INTÉRESSER À POURQUOI S’INTÉRESSER À POURQUOI S’INTÉRESSER À POURQUOI S’INTÉRESSER À

L’ÉNERGIE?

L’ÉNERGIE?

Dans tous les phénomènes,

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

systèmes et procédés, il y a

inévitablement conversion d’au

moins une forme d’énergie en une

moins une forme d énergie en une

autre.

EXEMPLES DE CONVERSION EXEMPLES DE CONVERSION

É À

É À

D’ÉNERGIE D’UNE FORME À D’ÉNERGIE D’UNE FORME À

UNE AUTRE

UNE AUTRE

UNE AUTRE

UNE AUTRE

DE MÉCANIQUE À MÉCANIQUE DE MÉCANIQUE À MÉCANIQUE DE MÉCANIQUE À MÉCANIQUE DE MÉCANIQUE À MÉCANIQUE

Engrenages

Transmission Piston

DE MÉCANIQUE À ÉLECTRIQUE DE MÉCANIQUE À ÉLECTRIQUEC N QUC N QU CC QUQU

Dynamo

Générateur Générateur

Alternateur

É À

É À

DE MÉCANIQUE À CHALEUR DE MÉCANIQUE À CHALEUR

F i à di

Freins à disques

DE CHALEUR À MÉCANIQUE DE CHALEUR À MÉCANIQUECC UU C N QUC N QU

Turbines à gaz

Locomotive à vapeur

DE CHALEUR À CHALEUR DE CHALEUR À CHALEUR

Échangeurs d h l

de chaleur

DE CHALEUR À ÉLECTRIQUE DE CHALEUR À ÉLECTRIQUEQQ

Thermocouplep

Pile thermoélectrique Réfrigérateur

thermoélectrique

É À É

É À É

DE ÉLECTRIQUE À MÉCANIQUE DE ÉLECTRIQUE À MÉCANIQUE

Moteurs électriques

DE ÉLECTRIQUE À CHALEUR DE ÉLECTRIQUE À CHALEURQQ

É À

É À

DE ÉLECTRIQUE À CHIMIQUE DE ÉLECTRIQUE À CHIMIQUE

Chargement d’une batterie Électrolyse

DE CHIMIQUE À MÉCANIQUE DE CHIMIQUE À MÉCANIQUE DE CHIMIQUE À MÉCANIQUE DE CHIMIQUE À MÉCANIQUE

Moteurs à combustion interne Moteurs à combustion interne

À É À É

DE CHIMIQUE À ÉLECTRIQUE DE CHIMIQUE À ÉLECTRIQUE

Déchargement d’une batterie Piles à combustible

À À

DE CHIMIQUE À CHALEUR DE CHIMIQUE À CHALEUR

DE SOLAIRE À MÉCANIQUE DE SOLAIRE À MÉCANIQUE DE SOLAIRE À MÉCANIQUE DE SOLAIRE À MÉCANIQUE

Moudre le grain Déplacement

DE SOLAIRE À ÉLECTRIQUE DE SOLAIRE À ÉLECTRIQUE DE SOLAIRE À ÉLECTRIQUE DE SOLAIRE À ÉLECTRIQUE

Cellules photovoltaïques

DE SOLAIRE À CHALEUR DE SOLAIRE À CHALEUR DE SOLAIRE À CHALEUR DE SOLAIRE À CHALEUR

Capteurs solaires

DE SOLAIRE À CHIMIQUE DE SOLAIRE À CHIMIQUE DE SOLAIRE À CHIMIQUE DE SOLAIRE À CHIMIQUE

Photosynthèse

DE NUCLÉAIRE À CHALEUR DE NUCLÉAIRE À CHALEUR

Réacteurs nucléaires

CONVERSION SOLAIRE

CONVERSION SOLAIRE -- ÉNERGIE ÉNERGIE POTENTIELLE

POTENTIELLE ÉNERGIE CINÉTIQUEÉNERGIE CINÉTIQUE POTENTIELLE

POTENTIELLE –– ÉNERGIE CINÉTIQUE ÉNERGIE CINÉTIQUE -- MÉCANIQUE

MÉCANIQUE -- ÉLECTRICITÉÉLECTRICITÉ

Centrale hydroélectrique Centrale hydroélectrique

CONVERSION SOLAIRE

CONVERSION SOLAIRE –– MÉCANIQUE MÉCANIQUE

É É

É É

-- ÉLECTRICITÉÉLECTRICITÉ

Parc

d’éoliennes d éoliennes

CONVERSION NUCLÉAIRE

CONVERSION NUCLÉAIRE -- CHALEURCHALEUR CONVERSION NUCLÉAIRE

CONVERSION NUCLÉAIRE CHALEUR CHALEUR –

– MÉCANIQUE MÉCANIQUE -- ÉLECTRICITÉÉLECTRICITÉ

Centrale nucléaire

ÉNERGIE: CONSTAT NO. 1 ÉNERGIE: CONSTAT NO. 1 ÉNERGIE: CONSTAT NO. 1 ÉNERGIE: CONSTAT NO. 1

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

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

• L’énergie peut toutefois être transformée d’une forme à une autre

d’une forme à une autre.

• C’est le principe de conservation

d’énergie:1^ère loi de la thermodynamique.

ÉNERGIE: CONSTAT NO 2 ÉNERGIE: CONSTAT NO 2 ÉNERGIE: CONSTAT NO. 2 ÉNERGIE: CONSTAT NO. 2 À h f i l’é i

• 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

• Ce constat est la 2 loi de la thermodynamique.

QUANTITÉ vs QUALITÉ QUANTITÉ vs QUALITÉ QUANTITÉ vs QUALITÉ QUANTITÉ vs QUALITÉ

• Un kWh d’électricité peut être entièrement ti kWh d h l (l’é i

converti en un kWh de chaleur (l’énergie totale est conservée: 1^ère loi).

• Un kWh de chaleur ne peut être entièrement converti en 1 kWh d’électricité. L’énergie totale est pourtant toujours conservée.

• L’électricité est une forme d’énergie de g grande qualité. La chaleur est une forme d’énergie de moindre qualité (2g q ( ^ème loi).)

OBJECTIFS OBJECTIFS OBJECTIFS OBJECTIFS

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

cours d’Énergétique Ing315.

cours d Énergétique Ing315.

• Comment l’énergie peut-être

f é d’ f à f i

transformée d’une forme à une autre fait l’objet de l’ensemble du programme de génie mécanique.

SITES À CONSULTER SITES À CONSULTER

• http://www.iea.org/

• http://www rmi org/http://www.rmi.org/

• http://www.aee.gouv.qc.ca/

h // /

• http://oee.nrcan.gc.ca/

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

UNITÉS D’ÉNERGIE COURANTES UNITÉS D ÉNERGIE COURANTES

kWh 3,6 x 10⁶ Joules

(kilowatt heure)

BTU 1 055 Joules

(British Thermal Unit)

cal

(calorie)

4,186 Joules

(calorie)

tep

(tonne équivalent pétrole)

4,186 x 10¹⁰ Joules

( q p )

tec

(tonne équivalent charbon)

2,93 x 10¹⁰ Joules

UNITÉS DE CONVERSION UTILES UNITÉS DE CONVERSION UTILES

1 gallon U.S. 3,79 litres 1 baril

(46 4 ll U S )

~ 176 litres (46,4 gallons U.S.)

1 litre d’essence ~ 10 kWh 1 m³ gaz naturel*

* Niveau de la mer

~ 10 kWh

1 cv ~ 745 W

ÉNERGIE STOCKÉE PAR UNITÉ ÉNERGIE STOCKÉE PAR UNITÉ

DE MASSE ET DE VOLUME DE MASSE ET DE VOLUME DE MASSE ET DE VOLUME DE MASSE ET DE VOLUME

Matière (kJ/kg) (kJ/litre)

Batterie plomb/acide _ls ~ 145 -

Bois sec _ss ~ 12 * 10³ ~ 6 * 10³ Charbon _s ~ 24 * 10³ ~ 32,4 * 10³

Diesel _l ~ 47 * 10³ ~ 38,3 * 10³ Diesel _l 47 10 38,3 10 Essence _l ~ 48 * 10³ ~ 36 * 10³ Gaz naturel ~ 55 * 10³ ~ 36 Gaz naturel _g 55 10 36

Hydrogène _g ~ 141 * 10³ ~ 11,5

Uranium naturel ~560 * 10⁶ ~ 10 6 * 10⁹ Uranium naturel ~560 * 10⁶ ~ 10,6 * 10⁹

POINTS DE REPÈRE:

POINTS DE REPÈRE:

POINTS DE REPÈRE:

POINTS DE REPÈRE:

ÉNERGIE ÉNERGIE

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

~ 10 J Un litre d’eau du robinet

chauffée à 100⁰C

~400 kJ (0,11 kWh) Métabolisme adulte/jour ~ 8 600 kJ (2,4 kWh) Maison unifamiliale 140 m² ~ 216 000 kJ (60 kWh) (consommation moyenne/jour)

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

POINTS DE REPÈRE:

POINTS DE REPÈRE:

POINTS DE REPÈRE:

POINTS DE REPÈRE:

PUISSANCE PUISSANCE

Adulte au repos ~ 100 W Athlète (lutte olympique) ~ 1000 W Athlète (lutte olympique) ~ 1000 W Ampoule électrique (incandescence) ~ 100 W

Séchoir à cheveux ~ 1500 W M i if ili l (120V 200A) 24 kW Maison unifamiliale (120V, 200A) ~ 24 kW Moteur de voiture (135 cv) ~ 100 kW

POINTS DE REPÈRE POINTS DE REPÈRE POINTS DE REPÈRE:

POINTS DE REPÈRE:

FLUX DE CHALEUR FLUX DE CHALEUR

Peau humaine (100 W sur 2 m²) ~ 50 W/m² Soleil intense (à midi, l’été) ~ 1 kW/m² Ampoule électrique de 100W ~ 10 kW/m²

Puce électronique ~ 100 à 1000 kW/m² Puce électronique 100 à 1000 kW/m

PUISSANCE ET FLUX

1 500W 100W

1 000W 100kW

10kW/m²

100kW/m² 1kW/m²

Consommation d’énergie au Consommation d’énergie au g g

Québec en 2006*

Québec en 2006*

Totale** 41 x 10⁶ tep Électricité 192 7 TWh Électricité 192,7 TWh Pétrole 17,3 x 10⁹ l Gaz naturel 5,6 x 10⁹ m³ Charbon + coke 550 x 10⁶ kg Charbon + coke 550 x 10 kg Biomasse 3,8 x 10⁶ tep

Consommation d’énergie au Québec Consommation d’énergie au Québec gg QQ

par habitant et par jour en 2006 par habitant et par jour en 2006

(kWh/

(kWh/PersonneJourPersonneJour*)*) (kWh/

(kWh/PersonneJourPersonneJour ))

Totale** ~ 174

É

Électricité ~ 70

Pétrole ~ 64

Gaz naturel ~ 22

Ch b k 1

Charbon + coke ~ 1

Biomasse ~ 16

Consommation énergie en 2006 selon Consommation énergie en 2006 selon

IEA

IEA--OECD (kWh/OECD (kWh/PersonneJourPersonneJour))

Paysy Totale Renouvelable

Canada 263 41

Québec 174 82

Québec 174 82

USA 245 12

Suède 176 51

Suède 176 51

Allemagne 132 8

D k 118 18

Danemark 118 18

Islande 436 341

T i 41 5

Turquie 41 5

LIVRE OBLIGATOIRE LIVRE OBLIGATOIRE

http://www.cheneliere.ca/main.cfm?p=01 500&l=fr&DivisionID=0&ItemID=5479 http://www.cheneliere.ca/main.cfm?p 01_500&l fr&DivisionID 0&ItemID 5479

http://www.gme.USherbrooke.ca/Marcel.Lacroix http://www.gme.USherbrooke.ca/Marcel.Lacroixpp gg

Onglet: Énergétique, ING315 Onglet: Énergétique, ING315

Introduction Introduction

1. Concepts fondamentaux

2 F d’é i t i

2. Formes d’énergie et conversion 3. Propriétés des substances pures 4. Énergie dans les systèmes fermés 5 Énergie dans les systèmes ouverts 5. Énergie dans les systèmes ouverts 6. Deuxième loi