1 of 17

L’énergie, de l’abondance aux limites :

comprendre la nécessité d’un changement de modèle

Partie 0 - Penser l’énergie : les outils indispensables

Pierre LAMOURÉ • Lycée Français International de Málaga

système

réservoirs

transferts

conversions

rendement

2 of 17

Pierre LAMOURÉ • Lycée Français International de Málaga

Source : Document intermédiaire Partie 0, lignes 3–15.

Pourquoi parler d’énergie ?

Une grandeur pour décrire les transformations

Dans le langage courant :

​

« avoir de l’énergie » = pouvoir agir

​

​

Définition

En physique, l’énergie peut être comprise comme la capacité à effectuer des transformations.

Se déplacer

Quelles transformations ?

Chauffer

Refroidir

Changer de forme

Changer de composition

3 of 17

Pierre LAMOURÉ • Lycée Français International de Málaga

Source : Document intermédiaire Partie 0, lignes 16–23.

0.1. Choisir un système : l’énergie de qui ou de quoi ?

Avant tout bilan, il faut décider ce que l’on étudie

Système

Objet ou ensemble d’objets que l’on choisit d’étudier.

La frontière du système change le bilan énergétique.

La première question n’est pas « combien d’énergie ? », mais : « énergie de qui ou de quoi ? »

Quantité de chaleur donnée par la résistance vers l’eau

​

Quantité de chaleur reçue provenant de la résistance

​

4 of 17

Pierre LAMOURÉ • Lycée Français International de Málaga

Source : Document intermédiaire Partie 0, lignes 24–35.

0.2. Les réservoirs d’énergie : Où l’énergie est-elle stockée ?

Réservoirs macroscopiques

énergie cinétique

(mouvement)

énergie potentielle

de pesanteur

(altitude)

Réservoirs microscopiques

thermique

(agitation)

physique

(interactions)

chimique

(composition)

nucléaire

(noyaux)

Un même système possède plusieurs réservoirs en même temps avec des quantités différentes.

5 of 17

E = E microscopique + Emacroscopique

​

​

E = E thermique + E intramoléculaire + E intermoléculaire + Emasse + Ecinétique + E potentielle gravitationnelle

​

​

liée à la vitesse des particules

liée à la cohésion entre les atomes d’une molécule

liée à la cohésion entre les molécules

liée à la cohésion des nucléons dans le noyau

liée à la vitesse du système

liée à la position verticale du système

E totale = U microscopique + Emécanique

0.2. Les réservoirs d’énergie : Où l’énergie est-elle stockée ?

6 of 17

E intra

E th

E inter

E masse

Ec

E pp

les quantités qualitatives et arbitraires

Illustration de l’énergie totale d’un système à un instant donné

E microscopique Emacroscopique

7 of 17

Q + R + W

SYSTÈME

Esystème ↗

​

E final > E initial donc E final - E initial > 0

​

∆ E > 0

​

Q + R + W

SYSTÈME

Esystème ↘

​

E final < E initial donc E final - E initial < 0

​

∆ E < 0

​

0.3. Transferts, conversions et convertisseurs énergétiques

​

TRANSFERT

8 of 17

Pierre LAMOURÉ • Lycée Français International de Málaga

Source : Document intermédiaire Partie 0, lignes 36–43 et 51–57.

0.3. Transferts, conversions et convertisseurs énergétiques

​

Transfert entre systèmes

TRANSFERT

Une quantité d’énergie passe

d’un système vers un autre.

système A

système B

Système A

{ gaz }

Système B

{ casserole + eau }

40 % de l’énergie produite

est transférée au système chauffé

E chimique ↘

E thermique ↗

9 of 17

Pierre LAMOURÉ • Lycée Français International de Málaga

Source : Document intermédiaire Partie 0, lignes 51–57.

Cas particulier des systèmes isolés

Système isolé

Système qui n’échange pas d’énergie avec l’extérieur.

Système étudié : { Terre + objet }

Frottements négligés

La quantité totale d’énergie du système reste constante.

Système A

​

E pp ↘

E c ↗

CONVERSION INTERNE

Système A

​

10 of 17

Pierre LAMOURÉ • Lycée Français International de Málaga

Source : Document intermédiaire Partie 0, lignes 58–62 et 72–78.

Le convertisseur énergétique

Recevoir, transformer, rendre un service

Convertisseur énergétique

Système qui reçoit une quantité d’énergie, la transforme, puis en transfère une partie vers l’extérieur pour rendre un service.

Énergie cinétique Air

Conversions internes

Ec air en Ec alternateur

Énergie thermique filament

service utile + transferts vers l’environnement

Énergie thermique air (perdue)

11 of 17

Pierre LAMOURÉ • Lycée Français International de Málaga

Source : Document intermédiaire Partie 0, lignes 63–71.

Trois convertisseurs à comparer

Même logique, fonctions différentes

Corps humain

aliments (énergie chimique)

​

→ mouvements (énergie mécanique)

​

rendement ≈ 25 %

Moteur thermique

carburant (énergie chimique)

​

→ mouvement (énergie mécanique)

​

rendement ≈ 25 % vers mécanique

Moteur électrique

Batterie (énergie chimique)

​

→ mouvement (énergie mécanique)

​

rendement ≈ 80 % vers mécanique

Tous reçoivent de une quantité d’énergie de l’extérieur, la convertissent, puis en dissipent une partie.

12 of 17

Pierre LAMOURÉ • Lycée Français International de Málaga

Source : Document intermédiaire Partie 0, lignes 76–83.

Mesurer l’efficacité : le rendement

Quelle part devient réellement utile ?

Rendement

Part de l’énergie reçue qui est effectivement transformée en énergie utile.

η =

quantité d’énergie utile

quantité d’énergie reçue

un nombre entre 0 et 1

ou un pourcentage

13 of 17

Pierre LAMOURÉ • Lycée Français International de Málaga

Source : Document intermédiaire Partie 0, lignes 76–83.

Rendement inférieur à 100 %

Une partie n’est pas utile pour la fonction recherchée

convertisseur

énergie utile

fonction attendue

Énergie perdue

vers l’environnement

Aucun convertisseur réel n’a un rendement de 100 %.

Énergie reçue

14 of 17

Chaîne énergétique : moteur thermique d’une voiture

Ressource d’énergie primaire

(ressource minérale)

Pétrole

(hydrocarbures)

Réservoir : carburant

(réservoir d’énergie chimique)

Carburant (essence / gazole)

​

Énergie intramoléculaire

Moteur thermique

(convertisseur d’énergie)

Travail mécanique

Wméc

Roues

(transmission du mouvement)

Énergie cinétique

Transfert par chaleur Q

(vers l’environnement)

Transfert par chaleur Q

(vers l’environnement)

Chaîne énergétique (représentation simplifiée)

Ressource d’énergie primaire

(pétrole : énergie intramoléculaire)

Carburant : Ressource d’énergie finale

(essence / gazole : : énergie intramoléculaire)

Moteur thermique

(convertisseur d’énergie)

Roues

(Énergie cinétique)

Légende :

Transfert par travail mécanique (W)

Transfert par chaleur (Q)

Bilan :

L’énergie chimique stockée dans le carburant est transférée au moteur thermique

sous forme d’énergie thermique, puis convertie en énergie mécanique transmise aux roues.

Une partie de l’énergie est dissipée sous forme de chaleur au niveau du moteur et des roues vers l’environnement.

Travail mécanique

Wméc

20 %

80 %

15 of 17

Chaîne énergétique : moteur électrique d’une voiture

Ressources d’énergie primaires

Charbon

Gaz naturel

Soleil, vent, eau

(ressources de flux renouvelables)

Réseau

électrique

Transfert

électrique

(distribution)

Transfert

électrique

Batterie

(réservoir d’énergie chimique)

Énergie intramoléculaire

(stockée)

Transfert par chaleur Q

(vers l’environnement)

Transfert

électrique

Wélec

Moteur électrique

(convertisseur d’énergie)

Transfert par chaleur Q

(vers l’environnement)

Travail

mécanique

Wméc

Roues

(transmission du mouvement)

Énergie cinétique

Transfert par chaleur Q

(vers l’environnement)

Chaîne énergétique (représentation simplifiée)

Ressources d’énergie primaires

(minéraux, pétrole, charbon, gaz naturel,

soleil, vent, eau...)

Réseau électrique

(transfert électrique)

Batterie

(réservoir d’énergie chimique)

Moteur électrique

(convertisseur d’énergie)

Roues

(transmission du mouvement)

Légende :

Transfert par travail électrique ou mécanique (W)

Transfert par chaleur (Q)

Bilan :

Le réseau électrique transfère l’énergie jusqu’à la batterie, où elle est stockée dans le réservoir chimique.

Cette énergie est ensuite transférée au moteur par transfert électrique.

Le moteur convertit cette énergie en énergie cinétique de rotation, transmise aux roues sous forme de travail mécanique.

Une partie de l’énergie est dissipée par chaleur au niveau de la batterie, du moteur et des roues.

Travail

mécanique

Wméc

(ressources de stock non renouvelables)

90 %

10 %

95 %

5 %

95 %

5 %

16 of 17

Soleil

☀

Énergie

nucléaire

Rayonnement R

Panneaux

solaires

(convertisseur)

W élec

Batterie

+

+

Énergie

intramoléculaire

​

Environnement

Réservoir d’énergie thermique

(air ambiant)

Rayonnement R

(réflexion)

Transfert par chaleur Q

Légende :

Réservoir d’énergie

Convertisseur d’énergie

Transfert par rayonnement R

Transfert électrique

Transfert par chaleur Q (énergie dissipée)

Bilan :

Le Soleil transfère son énergie par rayonnement R aux panneaux solaires.

Une partie de ce rayonnement est réfléchie et une partie est transférée par chaleur Q vers l’environnement.

Le reste est converti en transfert électrique, qui est transféré à la batterie où il est stocké

sous forme d’énergie chimique.

Une partie de l’énergie est dissipée sous forme de chaleur Q vers l’environnement.

Récepteur

W élec

W méca utile

80 %

20 %

10 %

90 %

70 %

30 %

Chaîne énergétique : batterie rechargée par des panneaux solaires

17 of 17

Pierre LAMOURÉ • Lycée Français International de Málaga

Source : Document intermédiaire Partie 0, lignes 13–15 et 79–83.

La boîte à outils de la pensée énergétique

Le vocabulaire qui servira dans tout le cours

1

Définir le système

2

Identifier les réservoirs

3

Repérer les transferts

4

Décrire les conversions

5

Identifier le convertisseur

6

Calculer le rendement