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LES EXPERIENCES MODE D’EMPLOI
LE SUPPORT INFORMATIQUE
FIN
HISTOIRE ET ORIGINE
RÉFLEXIONS
POMPE
Pour remplir le réservoir haut avec l’eau du « plan d’eau ».
Montgolfiere
INTRODUCTION
HISTOIRE ET ORIGINE
CONCEPTS
RÉFLEXIONS
UN CONCEPT APPARU DANS LA GRÈCE ANTIQUE ;
UNE FORCE EN ACTION.
UN SENS POLITIQUE :
CAPACITÉ À FAIRE ÉVOLUER L’ORGANISATION DE LA CITÉ.
DE NOS JOURS ;
CAPACITÉ À EFFECTUER DES TRANSFORMATIONS
UN SENS PLUS TECHNOLOGIQUE ET SCIENTIFIQUE.
DEUX APPLICATIONS PRINCIPALES :
- MÉCANIQUE ; FAIRE AGIR DES FORCES , CRÉER DES MOUVEMENTS.
- THERMIQUE ; FAIRE VARIER DES TEMPÉRATURES APPORTER OU PRENDRE DE LA CHALEUR.
-SOUVENT DES PHÉNOMÈNES MIXTES MÉCANIQUES ET THERMIQUES.
INTRODUCTION
+1 750
+1 945
+ 1830
-4 000 000 000
- 400 000
-3 500 000
-8 500
- 5 000
-100
+800
2025
Humaine
CHRONOLOGIE DE L’UTILISATION DES SOURCES D’ÉNERGIE
Une autre échelle de temps
Chimique
Fossile
Photovoltaïque
HISTOIRE ET ORIGINE
Autres ?
(types d’énergie)
Elle est présente le jour. Depuis que le système solaire existe.
Parfois son action peut sembler mécanique,
Elle permet de voir, nous réchauffe, fait pousser les végétaux…
Décomposition du rayonnement
Recomposition du Rayonnement
Effet de Serre
Intensité du Rayonnement
LE RAYONNEMENT SOLAIRE EST À L’ORIGINE DE CETTE ÉNERGIE
Une énergie thermique
Film INTENSITÉ
ÉNERGIE RADIANTE
INTENSITÉ DU RAYONNEMENT
Expériences :
Approchez votre main de votre front ou de la lampe sans les toucher.
Plus vous êtes proche plus le rayonnement paraît intense.
Le rayonnement émis par votre front est moins intense car sa température est plus faible.
La couleur des deux lampes est différente.
Incident
Réfléchi
Absorbé
Traverse
Emis
I= R + A +T
A = E
La Température derrière le verre augmente .
E est «piégée »
Verre
Réfléchi par le verre
En Savoir plus
LE RAYONNEMENT SOLAIRE EST À L’ORIGINE DE CETTE ÉNERGIE
ÉNERGIE RADIANTE
INTENSITÉ DU RAYONNEMENT
Tous les corps émettent un rayonnement.
Son intensité dépend:
-De la température du corps.
-De la distance à laquelle nous sommes du corps.
Les couleurs du rayonnement émis par un corps dépendent de sa température
Incident
Réfléchi
Absorbé
Traverse
Emis
I= R + A +T
A = E
La Température derrière le verre augmente .
E est «égé«
Verre
Réfléchi par le verre
Couleur principale émise par le soleil
Rappel :
La température du soleil est de 5 773 °K
Ce sont les couleurs que « détecte » notre œil
Ce sont toutes les couleurs émises par un corps dont la température est 6 000 °K,
Température du corps émetteur
intensité
Couleur émise
Température en °K = Température °C +273
Film PRISME
ENERGIE RADIANTE
DECOMPOSITION D’UN RAYONNEMENT
Expériences :
Allumez la lampe à incandescence et faites tourner le prisme.
Vous verrez apparaître un « arc en ciel » sur l’écran.
Si le soleil éclaire la table en faisant tourner le prisme vous pourriez voir apparaître un arc en ciel. Décomposition du rayonnement du soleil.
Un arc en ciel (décomposons de la lumière par les gouttes de pluie)
Les corps émettent, absorbent, réfléchissent, laissent passer des rayonnements.
Réfléchi
Couleur
Incident
Absorbé
Traverse
Emis
I= R + A + T
A= E
Température ambiante constante
Nous voyons les couleurs émises, réfléchies, traversant un corps.
En Savoir plus
ÉNERGIE RADIANTE
DÉCOMPOSITION D’UN RAYONNEMENT
Nous avons vu qu’un corps à une température donnée émet des rayonnements de plusieurs couleurs. Ceci car tous les constituants des corps ne se comportent pas de la même façon sous l’effet de la température.
Les corps émettent, absorbent, réfléchissent, laissent passer des rayonnements.
Les rayonnements qui traversent un corps sont déviées différemment
Suivant leur couleur
Réfléchi (Couleur vue)
Incident
Absorbé
Traverse (est décomposé par le corps)
Emis
I= R + A + T
A= E Si la Température du corps
est constante
Nous pouvons voir les couleurs émises, réfléchies, traversant un corps. La couleur du corps est principalement la couleur du rayonnement incident réfléchi par le corps
Un arc en ciel est la décomposition de la lumière qui traverse les gouttes de pluie
Film ROUE COLORÉE
ÉNERGIE RADIANTE
RECOMPOSITION D’UN RAYONNEMENT
Expériences :
Allumez la lampe à incandescence et faites tourner la roue colorée.
Vous verrez disparaître les couleurs.
Elles se recomposent pour donner une couleur voisine de celle de la lampe…
Le disque a été coloré avec des peintures jaunes, bleues et rouges. Son centre avec le mélange des trois,
Ces trois couleurs sont des couleurs du rayonnement ambiant réfléchies.
Quand le disque tourne, elles se superposent et donnent la couleur du centre du disque.
Un arc en ciel (décomposition de la lumière par les gouttes de pluie)
Les corps émettent, absorbent, réfléchissent, laissent passer des rayonnements.
Réfléchi
Couleur
Incident
Absorbé
Traverse
Emis
I= R + A + T
A= E
Température ambiante constante
Nous voyons les couleurs émises, réfléchies, traversant un corps.
Film EFFET DE SERRE
ÉNERGIE RADIANTE
EFFET DE SERRE
Expériences :
Positionnez votre main devant la vitre.
Vous voyez le rayonnement ambiant réfléchi par votre main
La caméra voit le rayonnement émis par votre main
Mettez la main derrière la vitre.
Vous voyez toujours votre main.
La caméra ne la voit plus.
En Savoir plus
ÉNERGIE RADIANTE
EFFET DE SERRE
Nous ne voyons pas toutes les couleurs d’un rayonnement . Il existe des appareils pour les détecter (caméra infra-rouge, plaque photographique…)
Les corps n’ont pas tous le même comportement avec le rayonnement. C’est le cas du verre dans l’expérience. Il ne laisse pas passer le rayonnement émis.
La température derrière le verre augmente, Comme dans une voiture au soleil.
Cet effet s’appelle effet de serre.
Incident
Réfléchi
Absorbé
Traverse
Emis
I= R + A +T
A = E+ Ré
La Température derrière le verre augmente .
E est «piégé »
Verre
Réfléchi par le verre
Observons le soleil sur terre et dans l’espace.
Dans l’espace il parait blanc car il y a superposition de toutes les couleurs que nous « voyons »
ÉNERGIE RADIANTE
EFFET DE SERRE
Caméra Infra-Rouge
Film DEPLACE MASSE
ÉNERGIE HUMAINE
Tout ce que nous faisons avec notre corps.
Expériences :
Je déplace et suspend une masse à un ressort.
LE RAYONNEMENT SOLAIRE EST À L’ORIGINE DE CETTE ÉNERGIE
En Savoir plus
Une énergie principalement mécanique,
ÉNERGIE HUMAINE
Tout ce que nous faisons avec notre corps.
Les plantes utilisent le rayonnement solaire pour la réaction de photosynthèse.
Elles dissocient grâce à l’énergie du rayonnement solaire le gaz carbonique contenu dans l’air en :
- Oxygène rejeté dans l’atmosphère
- Carbone qui combiné à l’eau et aux nutriments contenus dans le sol assure leur croissance.
Le rayonnement solaire par un cycle complexe permet:
- D’obtenir l’oxygène que nous et les animaux respirons.
- Fournir la nourriture que nous et les animaux consommons.
LE RAYONNEMENT SOLAIRE EST À L’ORIGINE DE CETTE ÉNERGIE
L’esclavage permet d’en disposer en grande quantité.
Elle fût avec le rayonnement, la seule énergie disponible pendant très longtemps.
L’utilisation de l’énergie n’est pas toujours éthique.
Une énergie principalement mécanique,
Film ALLUMAGE FEU
Expérience :
Un film montre des enfants allumant un feu.
LE RAYONNEMENT SOLAIRE EST À L’ORIGINE DE CETTE ÉNERGIE
ÉNERGIE THERMIQUE
La première source maîtrisée est le feu de bois.
En Savoir Plus
Une énergie Thermique
LE RAYONNEMENT SOLAIRE EST À L’ORIGINE DE CETTE ÉNERGIE
Dans un premier temps nous utilisions des techniques de conservation. Puis les techniques d’allumages sont apparues.
ÉNERGIE THERMIQUE
La première source maîtrisée est le feu de bois.
Le Carbone contenu dans le bois brûle. Il réagit avec l’Oxygène de l’air et produit du Gaz Carbonique et de l’énergie sous forme de chaleur et de rayonnement.
C’est la réaction inverse de la photosynthèse. Aussi bien pour les constituants élémentaires que pour les échanges d’énergie.
Le rayonnement solaire est à l’origine du stockage du Carbone par les plantes, réaction de Photosynthèse, donc de l’énergie thermique
Taux DE RENOUVELLEMENT
La réaction de combustion est beaucoup plus rapide que la photosynthèse.
Il faut quelques dizaines d’années pour obtenir du bois. (Temps de renouvellement)
Il se consume en quelques dizaines de minutes. (Temps d’utilisation)
Effectuons la division ; R = (TEMPS DE RENOUVELLEMENT) / (TEMPS D’UTILISATION)
Hypothèses : Un arbre met 30 ans pour pousser.
Il faut 30 jours à un foyer pour utiliser un arbre (chauffage, cuisine, construction ..)
R= 30ans x 365 jours / 30 jours = 365
Il faut 365 arbres par foyer pour assurer le renouvellement
Plus R et GRAND plus le temps de renouvellement est grand
R est le «TAUX DE RENOUVELLEMENT» d’une source d’énergie . Un paramètre important.
Quelles est sa valeur pour :
l’énergie radiante ? 2 = 24h / 12 h
(en moyenne le soleil éclaire 12h chaque jour)
l’énergie humaine ? 3 = 24 h / 8 h
(on ne l’utilise que 8 h chaque jour)
ÉNERGIE ANIMALE
Depuis la domestication des animaux ils nous aident.
Film ANIMAL TRAVAILLANT
Expériences :
Pas d’expérience possible.
- Un film d’un animal qui travaille.
Une énergie principalement mécanique,
LE RAYONNEMENT SOLAIRE EST À L’ORIGINE DE CETTE ÉNERGIE
Comme pour l’énergie humaine…
Le rayonnement solaire par le cycle de la photosynthèse permet:
- D’obtenir l’oxygène que les animaux respirent.
Film BATEAU A VOILES
LE RAYONNEMENT SOLAIRE EST À L’ORIGINE DE CETTE ÉNERGIE
ÉNERGIE ÉOLIENNE
Origine le vent
Film EOLIENNE MESOPOTAMIENNE
Une énergie mécanique. Le vent permet d’obtenir un mouvement ou des forces.
Expériences :
Faites fonctionner le ventilateur:
Le bateau avance.
Le moulin à vent tourne.
Mettez le tube devant l’ampoule radiante. Vous verrez ,à l’aide de la caméra infrarouge, l’air qui monte.
Film Air Qui Monte
Film Montgolfière
En Savoir Plus
LE RAYONNEMENT SOLAIRE EST À L’ORIGINE DE CETTE ÉNERGIE
ÉNERGIE ÉOLIENNE
Origine le vent
La première utilisation a été
la navigation.
Puis avec l’invention de la roue les premiers moulins à vent sont apparus.
Un taux de renouvellement variable suivant la localisation.
On peut estimer :
R entre 1et 10 (du vent 1 jour sur 10)
La journée le soleil chauffe l’atmosphère proche de la terre.
L’air chaud plus léger, monte.
Quand il fait nuit ou que cet air atteint une altitude suffisante, il se refroidit et redescend.
Cette circulation d’air dans l’atmosphère recommence en permanence. Elle est à l’origine du vent.
Son nom est cycle de l’air.
L’énergie éolienne est une source variable. (Aléatoire)
Nous ne décidons pas de sa disponibilité
Film MOULIN A EAU
Expériences :
Ouvrez la vanne pour faire fonctionner le moulin à eau.
Utiliser la bouilloire et le couvercle pour simuler l’évaporation et la pluie.
S’il n’y a pas assez d’eau dans le réservoir, utilisez la pompe pour en remettre.
Film BOUILLOIRE ET COUVERCLE
ÉNERGIE HYDRAULIQUE
Origine : l’eau de ruissellement
En Savoir Plus
LE RAYONNEMENT SOLAIRE EST À L’ORIGINE DE CETTE ÉNERGIE
Une énergie mécanique. L’eau qui s’écoule permet d’obtenir un mouvement ou des forces.
ÉNERGIE HYDRAULIQUE
Origine : l’eau de ruissellement
Une des premières représentations est un moulin à eau qui entraîne une scie coupant de la pierre.
Le jour le soleil chauffe les océans, les plans d’eau, les plantes transpirent.
Il se produit une évaporation de l’eau. De liquide elle devient gazeuse (vapeur d’eau). La vapeur d’eau est plus légère que l’air et monte dans l’atmosphère.
Quand elle atteint une certaine altitude ou la nuit, il fait plus froid. La vapeur d’eau se condense. Elle redevient liquide. Parfois il fait tellement froid que l’eau devient solide.
L’eau liquide ou solide retombe sous forme de pluie, neige, grêle. Elle est à l’origine des rivières sur lesquelles nous installons nos moulins à eau.
Un cycle appelé cycle de l’eau.
LE RAYONNEMENT SOLAIRE EST À L’ORIGINE DE CETTE ÉNERGIE
En Savoir Plus
ÉNERGIE HYDRAULIQUE
Origine : l’eau de ruissellement
Elle est plus constante que l’énergie éolienne .
La fonte des glaciers et la diminution du niveau des nappes phréatiques risquent de rendre cette énergie de plus en plus aléatoire.
LE RAYONNEMENT SOLAIRE EST À L’ORIGINE DE CETTE ÉNERGIE
GIGANTISME
Le gigantisme des installations modernes pose des problèmes environnementaux. De très grandes surfaces sont impactées et en cas de rupture des ouvrages les dégâts sont importants.
Un taux de renouvellement variable suivant l’implantation
On peut estimer :
R entre 2 et 1 (étiage bas la moitié de l’année)
Expérience :
Mettre , à l’aide de la seringue , de l’eau dans la base.
Mettre du carburant dans la fusée.
Mettre la fusée sur la base .
En Savoir Plus
Film FUSEE
ENERGIE CHIMIQUE
Origine : des interactions entre matériaux
Une énergie thermique et/ou mécanique,
LES ÉTOILES (SOLEILS) SONT À L’ORIGINE DE CETTE ÉNERGIE
LES ÉTOILES (SOLEILS) SONT À L’ORIGINE DE CETTE ÉNERGIE
ÉNERGIE CHIMIQUE
Origine : des interactions entre matériaux
Formule de la poudre à canons
De nombreux phénomènes chimiques consomment ou fournissent de l’énergie. Nous en avons vu deux la combustion et la photosynthèse.
La poudre à canon est une des premières utilisations conscientes de l’énergie chimique
La compréhension de ces interactions est récente(18ème siècle).
Dans l’antiquité égyptienne, chimie signifiait magie noire.
Les réactions chimiques peuvent être très violentes.
Il s’agit d’une forme d’énergie très dangereuse.
Elle a un rôle prépondérant dans les guerres et la disparition que subit la biodiversité.
Plusieurs explications :
Les résultats sont immédiats et économiques .
Les produits des réactions chimiques sont peu visibles. On ne voit pas le CO² lors de la combustion du bois
La nocivité des produits résultant des réactions chimiques est différée. (Constat des effets longtemps après)
Ils impactent les générations suivantes.
En Savoir Plus
22 avril 1915 Ypres
Aujourd’hui
ÉNERGIE CHIMIQUE
Origine : des interactions entre matériaux
Les réactions de fusion nucléaire qui se produisent dans les étoiles sont à l’origine des constituants de la matière Hydrogène, Oxygène, Carbone, Fer, Or, Uranium…
Une réaction chimique est une combinaison entre ces matériaux d’abord au niveau élémentaire.
Prenons l’exemple de la combustion Oxygène + Carbone. Elle produit du gaz carbonique et de l’énergie .
Pendant cette combustion les autres composants du bois et de l’atmosphère réagissent entre eux et donnent des composés de plus en plus complexes.
D’autres facteurs que la combustion existent : rayonnement solaire, volcans...On finit ainsi par obtenir les constituants de notre environnement. C’est le processus qui est reproduit dans les usines de l’industrie chimique.
En fin de vie des étoiles explosent. Les matériaux élémentaires sont projetés dans l’espace. Ces nuages de matière se condensent sous l’effet de la force de gravité. Ils donneront naissance à de nouveaux systèmes solaires.
Une étoile qui explose.
Une maternité d’étoiles.
Un taux de renouvellement variable suivant le temps d’obtention des composés
élémentaires
On peut estimer :
R entre 85 000 et 2
(voir énergies fossiles)
LES ÉTOILES (SOLEILS) SONT À L’ORIGINE DE CETTE ÉNERGIE
ÉNERGIE FOSSILE
Des matériaux extraits du sol
contenant beaucoup de carbone.
Film Moteur STIRLING
Film Machine à Vapeur
En Savoir Plus
LE RAYONNEMENT SOLAIRE EST L’ORIGINE DE CETTE ÉNERGIE
Une énergie thermique,
Que nous transformons en
énergie mécanique grâce à
des « moteurs »
ENERGIE FOSSILE
Des matériaux extraits du sol
contenant beaucoup de carbone.
En Savoir Plus
Une énergie thermique.
Elle transforme par combustion le carbone contenu dans certains matériaux en rayonnement et chaleur.
Plus le carbone est concentré plus la réaction est intense.
L’exploitation intensive de ces matériaux est récente.
- Au 18éme siècle pour le charbon.
- Au 19éme siècle pour le pétrole.
- Au 20éme siècle pour le gaz naturel.
Au 18éme siècle une crise écologique / énergétique sévit. Les ressources en bois sont insuffisantes pour les besoins de chauffage, cuisson, habitation, constructions navales... (Un renouvellement insuffisant)
On commence à utiliser le charbon pour remplacer le bois,
Simultanément apparaissent les premières machines transformant l’énergie thermique en énergie mécanique.
LE RAYONNEMENT SOLAIRE EST À L’ORIGINE DE CETTE ÉNERGIE
ÉNERGIE FOSSILE
Des matériaux extraits du sol
contenant beaucoup de carbone.
Le schéma montre que la compression dans le temps des sédiments (déchets de plantes et d’animaux) augmente leur concentration en carbone.
Végétaux=> Tourbe 50% => Lignite 70 % => bitume 85%=>Coke 92% .
Ce carbone concentré remplace le bois dans les réactions de combustions.
Nous avons vu que le rayonnement solaire est à l’origine de la production végétale et animale ,
Il est donc à l’origine de cette énergie
Il existe beaucoup de moteurs,
Ils fournissent une énergie mécanique à la demande.
En contrepartie ils consomment beaucoup d’énergie thermique.
On a recouru à ces énergies pour résoudre une crise écologique. Était ce une bonne idée?
Moteur à explosion
Taux de renouvellement
R entre 20 000 et 150 000
Si on utilise cette énergie pendant 1000 ans.
Elle n’est pas inépuisable
LE RAYONNEMENT SOLAIRE EST À L’ORIGINE DE CETTE ÉNERGIE
Film Le Groupe
En Savoir Plus
Une énergie thermique,
Que nous transformons en
énergie mécanique grâce à
des « moteurs »
ÉNERGIE NUCLÉAIRE
Origine : Propriété de certains matériaux
LES ÉTOILES (SOLEILS) SONT À L’ORIGINE DE CETTE ÉNERGIE
En Savoir Plus
ÉNERGIE NUCLÉAIRE
Origine : Propriété de certains matériaux
X: 1 000 000 000
(1 milliard)
0 , 000 000 1 mm
Fin du 19ème siècle/début du 20ème siècle, de nombreuses expériences permirent de comprendre la structure des constituants de base de la matière. Il s’agit des atomes. Ils ressemblent à des minuscules systèmes solaires constitués de:
- Neutrons particules massiques.
- Protons particules massiques de charge électrique positives.
- Electrons particules électriques de charge négatives de faible masse.
Neutrons et protons forment le noyau (soleil) de l’atome. Les électrons tournent autour (planètes). Un atome dans son état de base possède autant de protons que d’électrons. Il est en équilibre électrique.
Sous certaines sollicitations certains atomes peuvent provisoirement perdre ou partager des électrons. Ce déplacement d’électrons est à l’origine du courant électrique.
LES ÉTOILES (SOLEILS) SONT À L’ORIGINE DE CETTE ÉNERGIE
En Savoir Plus
ÉNERGIE NUCLÉAIRE
Origine : Propriété de certains matériaux
Des atomes ayant le même nombre d’électrons (et de protons) peuvent avoir des nombres différents de neutrons. Ces atomes de la même famille s’appellent isotopes. Certains sont stables d’autres ne le sont pas.
Si ils ne le sont pas ils peuvent transmuter (se rappeler les alchimistes qui voulaient transmuter le plomb en or). L’image sur le coté montre la succession des transmutations ou l’uranium 235 devient du plomb. Le paramètre qui caractérise la stabilité d’un isotope s’appelle la demie - vie. Il s’agit du temps nécessaire pour que la moitié de la masse d’un isotope transmute naturellement. Nous notons les grandes disparités de demi-vie.
Ceci explique que certains isotopes n’existent plus dans la nature. Ils peuvent être obtenus artificiellement.
LES ÉTOILES (SOLEILS) SONT À L’ORIGINE DE CETTE ÉNERGIE
En Savoir Plus
ENERGIE NUCLEAIRE
Origine : Propriété de certains matériaux
Un atome qui transmute émet un rayonnement de forte énergie parce qu’il perd de la masse .
le résultat de la transmutation a une masse inférieure a l’isotope initial. Ce qui se produit lors de la 1ére transmutation est :
L’énergie produite est donnée par la formule très connue d’Einstein:
E=mC² où E énergie produite , m perte de masse m=m1-m0 , C vitesse de la lumière 299 792 458 m/seconde
Ordre de grandeur :
Si nous réalisions la transmutation instantanée de 1 g d’un isotope radio actif nous obtiendrions une puissance équivalente à 12 centrales nucléaires
Comme cela met beaucoup de temps, La puissance produite par cette quantité est en fait inférieure au 1/10éme voire au 1/1000 ème de celle d’une ampoule à diode.
LES ÉTOILES (SOLEILS) SONT À L’ORIGINE DE CETTE ÉNERGIE
ENERGIE NUCLEAIRE
Origine : Propriété de certains matériaux
La concentration des isotopes instables provoque une accélération des transmutations.
Il arrive un moment masse critique et/ou concentration critique ou le phénomène s’emballe. Il provoque une explosion très violente. Il ne s’agit pas d’une réaction chimique mais d’un phénomène physique beaucoup plus intense que toutes les réactions chimiques.
La photographie de la mine d’uranium montre la difficulté d’obtention des isotopes radios-actif et l’impact écologique de leur exploitation.
Les réactions nucléaires provoquées créent des concentrations dangereuses d’isotopes artificiels à forte activité. Certains ont des demies- vie importantes 24 000 ans pour le plutonium. Il n’existe pas de solutions de recyclage pérennes. Les rayonnements produits sont invisibles. Ils peuvent provoquer des brûlures, des cancers.
Par un raisonnement identique à celui effectué pour l’énergie chimique nous montrerions que :
Les matériaux produits dans les soleils sont à l’origine de cette énergie.
Un taux de renouvellement variable suivant la ½ vie,
Le problème est que la réaction ne peut être utilisée qu’une fois,
LES ÉTOILES (SOLEILS) SONT À L’ORIGINE DE CETTE ÉNERGIE
Film Le Moteur
En Savoir Plus
Une énergie thermique (rayonnement ),
Elle est transformée en électricité grâce à la propriété de certains matériaux,
ÉNERGIE PHOTOVOLTAÏQUE :
Origine Propriétés de Certains Matériaux
L’ÉLECTRICITE N’EST PAS UNE SOURCE D’ÉNERGIE MAIS UN MOYEN DE TRANSPORT DE L’ÉNERGIE
Expériences :
Allumez la lampe radiante,
Attendre quelques secondes
Actionnez l’interrupteur
Moteur solaire,
Le moteur démarre
LE RAYONNEMENT SOLAIRE EST À L’ORIGINE DE CETTE ÉNERGIE
ÉNERGIE PHOTOVOLTAÏQUE :
Origine Propriétés de Certains Matériaux
Découvert en 1839 par Edmond Becquerel, L’ EFFET PHOTOVOLTAÏQUE permet de produire
de l’électricité à partir du rayonnement du soleil. (Ou de toute autre source de rayonnement)
Les premières réalisations technologiques ayant un bon rendement datent de 1954 à l’apparition
des premiers composants électroniques (transistors).
Un taux de renouvellement théorique de 2.
Le soleil éclaire la terre 12h sur 24 h.
En pratique il dépend de la position du lieu sur la terre et de la météorologie ,
Dans nos régions compter entre 6 et 24,
LE RAYONNEMENT SOLAIRE EST À L’ORIGINE DE CETTE ÉNERGIE
POUVEZ VOUS DÉTERMINER LEUR ORIGINE ?
Leur Taux de Renouvellement ?
EN CONNAISSEZ-VOUS D’AUTRES ?
QUELQUES SOURCES PEU UTILISÉES OU EN DÉVELOPPEMENT :
L’énergie géothermique. Une énergie thermique. Plus on s’enfonce dans la terre plus il fait chaud
Une énergie plus facilement accessible quand on habite près d’une zone ou existe une activité volcanique.
On récupère la chaleur pour se chauffer ou faire fonctionner des moteurs thermiques.
La fusion nucléaire. Une énergie thermique. On essaie de reproduire expérimentalement les réactions qui se produisent dans le soleil. Quand deux atomes fusionnent pour en faire un 3ème. Il y a une petite perte de masse d’où une production d’énergie radiante importante.
Un exemple proche est Chaudes-Aigues .
LOI DE SUPERPOSITION :
CONCEPTS
LOI D’ÉVOLUTION : (Cycles)
LOI D’ENTROPIE : (Température)
ÉNERGIE POTENTIELLE ET CINÉTIQUE :
(Équilibre, Amplification)
INERTIE :
ÉNERGIE POTENTIELLE ET CINÉTIQUE
Énergie Potentielle
Énergie Cinétique
Équilibre Évolution
Amplification Résonance
ÉNERGIE POTENTIELLE
Film Réservoir
Film Ressort
Film Pile
Film Bougie
Expériences :
Actionnez ces différentes sources d’énergie potentielle,
En Savoir Plus
ÉNERGIE POTENTIELLE
EN SAVOIR PLUS SUR LA BANNIÈRE CONCEPT ET PHÉNOMÈNES
Film Fontaine de Héron
Cette expérience montre que si l’on donne à un corps la possibilité d’évoluer vers une énergie potentielle plus basse. Il le fera .
Nous pouvons récupérer cette énergie
(Le jet d’eau plus haut que le réservoir dans l’expérience)
ÉNERGIE CINÉTIQUE
En Savoir Plus
Film Billes
Film Gyroscope
Expériences :
Faites tomber les billes en verre et en acier dans le bac à sable.
Actionnez le gyroscope.
ÉNERGIE CINÉTIQUE
EN SAVOIR PLUS SUR LA BANNIÈRE CONCEPT ET PHÉNOMÈNES
L’expérience des billes montre la transformation de l’énergie potentielle en énergie cinétique. Plus la variation d’énergie potentielle est importante plus l’énergie cinétique est grande.
Nous pourrions réaliser l’expérience inverse.
Lançons une bille vers le haut. Plus son énergie cinétique sera grande plus elle ira haut. Plus elle acquerra de l’énergie potentielle.
En l’absence de perturbations extérieurs telles que frottements, forces parasites, Il y a égalité entre la variation de l’énergie potentielle et l’énergie cinétique.
Une bille qui chute d’une hauteur h aura une vitesse V.
Une bille lancée verticalement avec la vitesse V atteindra la hauteur h.
ÉQUILIBRE ÉVOLUTION
En Savoir Plus
Film Équilibre
Expériences :
Le disque peut être immobilisé dans deux positions:
Dans la première configuration une petite perturbation provoque la perte d’équilibre.
Dans le deuxième configuration une petite perturbation provoque un retour à l’équilibre.
ÉQUILIBRE
ÉQUILIBRE ÉVOLUTION
Dans la première configuration le plus petit déplacement provoque une diminution de l’énergie potentielle.
Un système évolue spontanément quand son énergie potentielle diminue.
Le système s’éloignera de sa position d’équilibre :
Dans la deuxième configuration le plus petit déplacement provoque une augmentation de l’énergie potentielle .
Quand cesse la perturbation le système évoluera vers la position initiale car son énergie potentielle diminuera.
Le système reviendra à sa position d’équilibre :
Il existe des équilibres indifférents (bille sur table).
H diminue
Énergie potentielle aussi
H augmente
Énergie potentielle aussi
H
H
AMPLIFICATION RÉSONANCE
En Savoir Plus
Film Vibrations
Expériences :
Mettez la masse en oscillation.
Chaque fois qu’elle atteint la position haute (ou basse) donnez lui une petite impulsion.
Vous verrez les oscillations s’amplifier.
Arrêtez avant la destruction du mécanisme.
Vous pouvez expérimenter avec l’autre masse…
Quand la masse oscille naturellement. Comme il y a peu de perturbations extérieures, il y a équivalence parfaite entre son énergie potentielle et son énergie cinétique.
L’impulsion donnée augmente l’une des deux.
Donc l’amplitude de l’oscillation.
Si le phénomène persiste. La destruction du système peut survenir.
AMPLIFICATION RÉSONANCE
Pont qui casse :
Sous l’effet des rafales de vent.
( TACOMA USA )
INERTIE
Film Pile
Film Gyroscope
Expériences :
Faites fonctionner le moteur avec la pile.
Il n’atteint pas immédiatement sa vitesse,
Quand vous coupez l ’alimentation il continue de tourner avant de s’arrêter,
Même constat pour le gyroscope
.Allumez la lumière dans l’enceinte du thermomètre,
La température monte, Un apport d’ énergie radiante.
Attendez eu peu et arrêtez la lumière.
Que voyez vous ?
En Savoir Plus
PILE
Film Thermomètre
INERTIE
Ce phénomène s’appelle inertie. La matière ne réagit pas immédiatement aux sollicitations énergétiques, Aussi bien quand on lui apporte de l’énergie que quand on arrête de lui en apporter . Il lui faut un certain temps pour s’adapter et atteindre un nouvel état d’équilibre.
Cette propriété a une grande importance dans les échanges d’énergie. Le paramètre important est la masse de la quantité de matière sollicitée, Plus elle est grande plus l’évolution est lente ou plus la quantité d’énergie à lui donner doit être grande
Par exemple dans le cas des oscillations la période dépend de l’inertie de la masse mise en mouvement. Une masse plus faible oscille plus rapidement (expérience)
Une utilisation pratique pourrait-être la cuisson des aliments avec une cocotte-minute. Si vous arrêtez le chauffage avant la fin du temps de cuisson. La soupape continue de tourner. Les conditions pour la cuisson sont toujours présentes. Une minute pour 10 minutes de cuisson économise 10 % d’énergie.
LOI DE SUPERPOSITION
Incident
Réfléchi
Absorbé
Traverse
Emis
I= R + A +T
A = E
La Température derrière le verre augmente .
E est «égé«
Verre
Réfléchi par le verre
Cette image montre que nous utilisons de plus en plus de sources d’énergie,
Nous avons vu que nous continuons à en chercher de nouvelles ,
Nous pouvons énoncer une première loi concernant l’usage de l’énergie,
LOI : SUPERPOSITION
L’utilisation d’une nouvelle source d’énergie ne fait pas disparaître
ni diminuer l’emploi des sources précédentes.
Couleur = température
Largeur = volume
Hauteur = pression
Considérons une petite quantité de matière que nous nommerons particule .
Représentons-la ainsi que ces paramètres par le dessin :
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LOI D’ÉVOLUTION
Nous allons voir que les phénomènes énergétiques sont des cycles de transformation, naturels ou artificiels, que subit la particule,
Transformations subies par une particule pendant le cycle de l’air.
Particule près du sol
Le soleil chauffe
Le volume augmente
L’air chaud plus léger monte
Le volume augmente
la pression diminue
En altitude, L’air refroidit
le volume diminue
L’air froid plus dense descend
Retour à l’état initial
1
2
3
4
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LOI D’ÉVOLUTION
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LOI D’ÉVOLUTION
L’atmosphère récupère une partie de la chaleur produite.
Ce qui serait aussi le cas s’il n’y avait pas le moteur.
Avantage : Nous obtenons en plus de la chaleur de l’énergie mécanique.
Inconvénient :Nous sommes habitués à la disponibilité immédiate de l’énergie.
Transformations subies par une particule pendant le cycle d’un moteur Stirling.
Nous remarquons la similitude avec le cycle de l’air,
Le cycle de l’air peut être considéré come un moteur. L’énergie éolienne est l’énergie mécanique récupérable.
Transformations subies par une quantité d’eau pendant le cycle de l’eau.
Eau à la surface de l‘océan
Le soleil chauffe
L’eau s’évapore (Elle devient un gaz)
Le volume augmente
La vapeur d’eau plus légère monte
Son volume augmente
Sa pression diminue
En altitude il fait froid.
L’eau se condense (Elle devient liquide)
Le volume diminue
L’eau liquide plus lourde tombe
Retour à l’état initial
2
1
3
4
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LOI D’ ÉVOLUTION
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LOI D’ÉVOLUTION
L’atmosphère récupère une partie de la chaleur produite.
Ce qui serait aussi le cas s’il n’y avait pas le moteur.
Avantage : Nous obtenons en plus de la chaleur de l’énergie mécanique.
Inconvénient :Nous sommes habitués à la disponibilité immédiate de l’énergie.
Transformations subies par une particule pendant le cycle d’une machine à vapeur.
Nous remarquons la similitude avec le cycle de l’eau,
Le cycle de l’eau peut être considéré come un moteur. L’énergie hydraulique est une énergie mécanique récupérable.
LOI D’ÉVOLUTION
Les cycles permettent
de produire de l’énergie mécanique à partir d’énergie thermique.
- Moteur Stirling
- Machine à vapeur
- Moteur à explosion
- Centrale nucléaire
- ...
LOI D’ÉVOLUTION DES ÉCHANGES D’ÉNERGIE THERMIQUE
Sans aide mécanique l’énergie thermique n’est transférée que d’un corps chaud vers un corps plus froid.
LOI DE COMPORTEMENT DES EVOLUTIONS
La quantité d’énergie mécanique obtenue quand on fait passer, à l’aide de transformations des états d’un fluide, de la chaleur d’un corps chaud vers un corps froid, est proportionnelle à l’écart de température des deux corps et à la quantité de fluide qui effectue le cycle
L’étude des cycles conduit à
ANALOGIE
Comme l’eau qui sans aide extérieure ne peut que descendre une pente.
La hauteur d’un réservoir d’eau détermine l’énergie mécanique que nous obtiendrons si on l’utilise.
La température d’un corps quantifie l’énergie thermique que nous obtiendrons et l’énergie mécanique possible.
L’étude des cycles montre que l’atmosphère récupère une partie de la chaleur produite pour le fonctionnement.
Ce qui serait aussi le cas si ‘il n’y avait pas le «moteur». Elle est indirectement réchauffée.
L’intérêt est d’obtenir une énergie mécanique.
L’inconvénient est que c’est très facile et que nous nous sommes habitués à son abondance.
Tous les cycles moteurs utilisent la transformation des états d’une quantité de matière.
Tous ont besoin d’une source d’énergie thermique et d ’un milieu pour refroidir la quantité de matière.
Ces cycles peuvent fonctionner en sens inverse les machines sont alors des réfrigérateurs , des climatisations...
LOI D’ENTROPIE
LOI D’ ENTROPIE
Dans toute transformation d’une énergie il y a une perte.
L’énergie perdue devient de la chaleur qui augmente la température du milieu ambiant.
Le nombre : R
Energie obtenue
R= ———————
Energie consommée
s’appelle le RENDEMENT.
Il est toujours plus petit que 1.
« CONSTAT »
Chaque fois que l’on souhaite transformer une énergie en une autre on en perd. Si ce n’était pas le cas. Il ne serait pas nécessaire de continuer d’alimenter les machines en combustible après leur démarrage.
« JAMAIS »
Nous avons une grande inventivité pour trouver des cycles de transformation des énergies. Jamais nous n’avons pu réaliser un cycle qui se poursuit si on cesse de l’alimenter en énergie.
Le transport de l’énergie est une transformation de l’énergie,
=> Il y’a une perte.
CONSTATS ET RÉFLEXIONS.
RÉFLEXIONS
SOLEIL, DONNÉES.
SOLEIL, PERSPECTIVES.
Cette partie est un complément des Bannières :
USAGE DE L’ENERGIE CONSTATS ET RÉFLEXIONS
SOLEIL, DONNÉES ET PERSPECTIVES
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CONSTATS ET RÉFLEXIONS
Nous consommons, dans nos gestes quotidiens, de plus en plus d’énergie sans vraiment nous en rendre compte.
Quelques exemples :
- j’utilise un mouchoir en papier.
- J’ouvre le robinet.
- Je fais la cuisine.
- Je lis un livre.
- Je prends ma voiture.
- Je téléphone.
- …
Ceci est le résultat de la loi de superposition. Nous disposons d’un plus grand nombre de sources d’énergie qui sont de plus en plus puissantes,
L’énergie est facilement accessible en grande quantité,
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CONSTATS ET RÉFLEXIONS
Depuis l’apparition des humanoïdes .
20 périodes glaciaires
De 100 000 ans environ
Nous sommes sortis de la dernière période glaciaire.
Certains paléontologues estiment qu’au cours de celle-ci vers -60 000 ans , Nous avons failli disparaître
Moins de 10 000 humains sur terre
La température atteinte est la plus haute de toute notre évolution. La terre a connu des températures plus élevées et plus froides mais nous n’existions pas.
Cette courbe indique l’évolution de la température de la terre en fonction de l’utilisation des différentes sources d ’énergie par les humains,
Nous constatons une augmentation importante de la température depuis l’utilisation des énergies fossiles.
Plusieurs explications,
- Elles permettent de disposer de grandes quantités d’énergie, qui réchauffent l’atmosphère
(Lois d’ Évolution et d’Entropie)
- Nous remarquons que leur « Taux de renouvellement » est très grand,
Une très grande quantité d’énergie d’origine solaire stockée pendant des millions d’années,
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CONSTATS ET RÉFLEXIONS
Ce graphique permet de comparer la vitesse d’évolution de la température de la terre dans les deux hypothèses:
Depuis que nous utilisons l’énergie animale,
Au cours d’un cycle de glaciation normal,
Il montre que l’ accélération de la vitesse d ’évolution de la température est lié au taux de renouvellement des énergies que nous utilisons,
Plus le taux de renouvellement est long plus l’ accélération est importante,
Nous n’avons pas représenté la pente depuis le début de l’aire industrielle .
Elle serait presque verticale.
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CONSTATS ET RÉFLEXIONS
Cette courbe indique l’évolution de la température de la terre en fonction de l’évolution de la population humaine, Plus il y a d’humains plus l’utilisation d’énergie est importante,
(Loi de superposition et d’usage)
Nous remarquons l’inflexion au début de l’utilisation des énergies fossiles qui ont permis de de disposer de grandes quantités d’énergie, qui réchauffent l’atmosphère.
(Lois d’Evolution et d’Entropie)
Cet effet a été amplifié par l’augmentation de la population humaine qui a été multipliée par 6 en 250 ans.
En 1800
Début de l’utilisation de l’énergie fossile
Par une faible partie de l’humanité.
CONSTATS ET RÉFLEXIONS
La consommation d’énergie augmente la température de l’atmosphère terrestre.
Surtout depuis l’utilisation d’énergies fossiles qui ont un taux de renouvellement important.
Il semblerait que nous soyons sortis du cycle de glaciations que connaissait la terre.
Quelle sera la prochaine position d ’équilibre ?
D’après la Loi 1 : Nous utilisons de plus en plus de sources d’énergie ce qui nous conduit à en consommer de plus en plus.
D’après la loi 2 : Aucun moteur thermique ne peut fonctionner sans écart de température et quand il fonctionne il réchauffe l’atmosphère.
D’après la loi 3 : L’utilisation de toute énergie implique l’augmentation de la température du milieu ambiant.
Pour ces trois raisons la température ne peut qu’augmenter.
Nous avons expérimenté l’amplification des phénomènes énergétiques.
Des phénomènes tels que :
-L’effet de Serre.
-La fonte des calottes polaires.
-La déforestation,
- …
Peuvent amplifier le réchauffement
LE CONSTAT: L’utilisation d’énergie augmente la température de l’atmosphère
Il ne faut pas exclure l’action de phénomènes amplificateurs
Il faut prendre en compte le phénomène d’inertie.
Si nous arrêtions toutes les causes de réchauffement et de pollutions .
Il faudrait beaucoup de temps avant que leurs effets disparaissent et s’inversent.
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SOLEIL DONNÉES
Qu’indique cette image ?
· Que l’énergie que reçoit la terre du soleil pendant un an est environ 14 fois plus importante que toute les énergies fossiles et nucléaires disponibles sur la terre.
· Que l’énergie que reçoit la terre du soleil en un an est 10 000 fois plus importante que l’énergie utilisée pendant un an .
10 000
Le soleil nous apporte des milliers de fois plus d’énergie que ce dont nous avons besoin.
1/10 000
Ce rapport infime entre
L’énergie produite par les énergies fossiles et nucléaire,
Et l’énergie reçue du soleil.
A des conséquences importantes pour l’équilibre de l’atmosphère terrestre.
SOLEIL DONNÉES
Qu’indique cette image ?
· Que le soleil produit 2 000 000 000 fois plus d’énergie que celle que reçoit la terre.
Sachant que 1/10 000 de l’énergie reçue du soleil perturbe l’équilibre de l’atmosphère terrestre,
nous vous laissons imaginer la fragilité de cet équilibre.
Toutes les sources d’énergie que nous utilisons ont pour origine le soleil. (Histoire et Origines)
Le soleil a la capacité de pourvoir très largement à nos besoins énergétiques.
Au vu des quantités d’énergie fournies par le soleil, l’équilibre de l’atmosphère est fragile.
Pourquoi ne pas utiliser que le soleil pour satisfaire nos besoins en énergie.
Sachant que cette énergie est aléatoire et que en certains lieux de la terre elle peut être très faible pendant très longtemps.
SOLEIL PERSPECTIVES
Film Moteur Solaire
Film Héliomètre
Film Loupe
Film Éolienne
Film Moulin à Eau
UTILISATION DIRECTE
Mécanique
Photovoltaïque
Thermique
UTILISATION INDIRECTE
Cycle de l’air
Cycle de l’eau
Montgolfière
RÉSERVOIR
RÉSERVOIR
RESSORT
RESSORT
PILE
PILE
BOUGIE
BOUGIE
Fontaine
Fontaine
PILE