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
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
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
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.
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 ?
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
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
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 ↗
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
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)
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.
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
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
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 %
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 %
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
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