Energie : aspects scientifiques
Energie : aspects scientifiques
I L’énergie et ses formes
Le concept d’énergie est assez délicat à définir d’emblée. En restant vague, dans une première définition, on peut se contenter de dire que : « Pour pouvoir faire quelque chose, il faut de l’énergie. »Par exemple, pour éclairer, chauffer, actionner une machine, se déplacer, communiquer…de l’énergie est nécessaire, en plus ou moins grande quantité selon l’action et le rendement (notion définie au paragraphe III).
Il faut dissocier la notion d’énergie (notion immatérielle) de celle de matière première, combustible, carburant.
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Le bois est une matière combustible (et aussi un matériau de construction), mais on évoquera l’énergie du bois qui servira à chauffer ou éclairer. De même, l’eau utile pour des besoins agricoles, industriels, domestiques etc. sera aussi une source d’énergie, utilisée par exemple dans un vieux moulin pour actionner une meule ou dans un barrage pour produire de l'énergie électrique…
A l’école élémentaire, on pourra donc chercher des énergies que l’homme utilise ou a utilisées pour ses besoins. On peut en arriver à une première liste comme : énergie du bois, du charbon, du pétrole, du gaz, de l’eau, du vent, du soleil, des marées, de l’uranium, de l’eau chaude du sous-sol, des animaux ou des muscles humains.
Il est intéressant d’aboutir à un tableau où on retrouvera certaines sources qui seront citées plusieurs fois. Par exemple, l’énergie du pétrole sert aussi bien à chauffer, à se déplacer ou à éclairer (usage limité chez nous des lampes à pétrole).
Beaucoup utilisée depuis plus d'un siècle dans nos sociétés occidentales : l’énergie électrique. Mais ce n’est pas une source d’énergie ! (L'énergie des éclairs n'est pas exploitée...) Elle est issue d'une transformation.
Ici, dans un second temps, on pourrait rassembler certaines propositions : l'énergie électrique sert à chauffer (plaques, radiateur, machine à laver), faire fonctionner des moteurs électriques(machine à laver, réfrigérateur, TGV), éclairer (lampes)
La notion de source d'énergie, assez parlante, est utilisée par le géographe ou l'économiste : elle correspond aux énergies disponibles dans la nature (avec une distinction essentielle entre sources renouvelables et épuisables).
Nous avons donc cette liste :
Energies renouvelables
Energies non renouvelables (épuisables) :
le vent : énergie éolienne
uranium : énergie nucléaire
le soleil : énergie solaire
pétrole, gaz, charbon, lignite : énergies fossiles l'eau : énergie hydraulique
les marées : énergie marémotrice
le bois, les déchets végétaux, les agrocarburants : biomasse
la chaleur du sous-sol : géothermie
L'énergie musculaire, qu'elle soit humaine ou des animaux, utilisée de façon diffuse et en faible quantité n'est pas considérée comme une source. Cette liste évoluera certainement à l’avenir : L’homme cherche d’autres sources d’énergie : par ex l’énergie des vagues, de l’eau chaude des mers tropicales, des courants marins, énergie nucléaire de fusion…D’autres idées à venir ?
Les physiciens font eux des distinction en formes d’énergie. Citons :
* L’énergie mécanique qui se divise en énergie cinétique (énergie d’un objet en mouvement par ex un marteau en mouvement) et énergie potentielle (énergie d’un système déformé : ex un ressort de montre, un « poids » d’horloge remonté)
* L’énergie thermique rarement appelée énergie calorifique ou souvent chaleur
* L’énergie électrique
* L’énergie chimique (énergie stockée dans des combustibles par exemple. En brûlant, on obtiendra de l’énergie thermique)
* L’énergie nucléaire (énergie obtenue par fission (cassure) ou fusion des noyaux atomiques, d’où son nom)
* L’énergie rayonnante ou encore radiante (l’énergie lumineuse en fait partie) ( par ex : dans un micro-onde, un radiateur à infra rouge…)
Cette description est inadaptée à l’école. Elle sera abordée au collège et au lycée. On peut cependant remarquer que les sources d’énergie recouvrent certaines formes d’énergie citées plus haut. Reprenons cette liste, en faisant les correspondances.
Energie éolienne : énergie cinétique de l’air
Energie solaire : énergie rayonnante
Biomasse : énergie chimique des végétaux.
Energie hydraulique : énergie potentielle de l’eau (stockée en altitude dans des barrages-retenue) ou énergie cinétique de l’eau (barrage au fil de l’eau)Energies fossiles : énergie chimique stockée dans des organismes vivants (végétaux et animaux) il ya plusieurs millions ou centaines de millions d'années, décomposés et stockés dans le sous-sol ou en surface pour la tourbe (gisements).
Energie géothermique : énergie thermique du sous-sol.
Energie marémotrice : énergie cinétique des mers et océans
Energie nucléaire : énergie nucléaire (meme terme pour source et forme)
Puits de pétrole près de Provins (en France !).
Une énergie fossile prédominante dans le monde d'aujourd'hui...
Usine marémotrice de la Rance. C'est une centrale électrique utilisant le flux et reflux des marées. Biomasse : Le bois est une énergie renouvelable si les arbres repoussent. Biomasse : les agrocarburants ne sont pas une panacée : pesticides, nitrates, agriculture intensive...
Leur production nécessite également de l'énergie... Manger ou conduire, il faudra choisir...
Remarquons que l'avoine des chevaux jusqu'à la première moitié du XXeme siècle était déjà un agro-carburant !
L'énergie nucléaire est une énergie épuisable (stocks d'uranium pour quelques dizaines d'années, pas plus). Les déchets seront eux radioactifs pendant plusieurs dizaines ou centaines de millénaires... Le charbon sera disponible pendant plus de deux siècles. Mais sa combustion émet du CO2, amplifiant l'effet de serre
La lecture des formes d’énergie ou de sources d’énergie a montré qu’il y a possibilité de passage d’une forme d’énergie en une autre.
Cette transformation peut se faire naturellement (exemple transformation d’énergie chimique en énergie thermique lors d’une combustion ou de l'énergie potentielle en énergie cinétique lors d'une chute d'objet). Pour d’autres transformations, il faut recourir à un dispositif technique approprié appelé convertisseur.
Le physicien parle de chaînes énergétiques. Il s'agit de lister la succession des formes d'énergie en précisant le convertisseur approprié pour chaque transformation. Cette chaine se présente ainsi :
Quelques exemples :
Description du fonctionnement d'une centrale hydraulique :
Description du fonctionnement d'une centrale nucléaire
Description du fonctionnement d'un panneau solaire photovoltaïque
A l’école, on peut centrer la recherche sur : Comment produit-on de l’énergie électrique ? On découvrira qu’on peut utiliser diverses sources (ex éolienne, thermique, solaire) et que le dispositif correspondant est différent (aérogénérateur, centrale thermique classique ou nucléaire, photopile (cellule solaire)).
Production d'énergie électrique à petite échelle avec des photopiles
III Aspects quantitatifs : Quantité d’énergie. Puissance
On peut mesurer ou calculer une quantité d’énergie avec différentes unités :
- Le Joule (J) (multiple fréquent kilojoule : kJ) : Unité légale (on la trouve sur la valeur énergétique des aliments).
- Le Watt-heure (Wh) et kilowatt-heure (kWh). 1 Wh = 3600 J
On s'aperçoit que le kWh, à l'origine une unité utilisée en électricité, est aussi utilisée pour d'autres formes d'énergie. Par ex ici, le gaz naturel, dont la quantité est mesurée par un débitmêtre en m3, a été converti en ce qui concerne son énergie (chimique) en kWh. Le coefficient, variable selon la composition légèrement fluctuante du gaz , est voisin de 10. On observe également, que pour des usages identiques (chauffer), l'énergie électrique est deux fois plus chère.
- La tonne équivalent pétrole (t.e.p.) Utilisés par les économistes 1 t.e.p. = 4x1010 J
- La calorie est une unité obsolète (datant de l’époque ou la chaleur n’était pas considérée comme une forme d’énergie), encore utilisée en diététique (voir les images des produits alimentaires) !
Une idée importante est que l’énergie se conserve . Il n’y a jamais ni création ni disparition d’énergie. Les adjectifs dans « énergie produite » ou « énergie consommée » sont ambigus. Il y a uniquement transformations et conservation.
Si on dispose d’une quantité X d’énergie, après transformation(s), on aura toujours la même quantité X, mais sous une (ou plusieurs) forme(s) différente(s).Par exemple, on utilise 1 kWh d’énergie électrique, achetée à EdF, pour faire tourner un moteur de perceuse. On a obtenu 0,9 kWh d’énergie mécanique (utile pour percer !). Les 0,1 kWh « manquants » sont sous une autre forme : énergie thermique correspondant à l’échauffement inévitable du moteur. On parle souvent de « pertes », car cette énergie est indésirable et même nuisible si en trop quantité (le moteur grille)
C’est la notion de rendement : part de l’énergie utile sur l’énergie nécessaire.
Ex : le rendement du moteur électrique évoqué plus haut est de 90 %. Le rendement d’une ampoule à incandescence est de 5% (c’est à dire que 5% de l’énergie électrique est transformée en lumière, les 95% restants sont « perdus » en chaleur, sauf si on se sert de l’ampoule pour chauffer une couveuse à poussins…) Les ampoules fluo-compactes dites à basse consommation, ont elles un rendement de 25 %. Vous utilisez 5 fois d’énergie électrique pour un même énergie lumineuse obtenue).
Dans les considérations dites d’efficacité énergétique, d’économies d’énergies, de consommation d’énergie, cette notion de rendement est centrale.
Notion de puissance
L'utilisation d'une certaine quantité d'énergie peut se faire en des durées plus ou moins grandes. Pour prendre une illustration, monter une pente à vélo (masse totale cycliste+vélo de 100 kg pour un dénivelé de 100 m) se fera soit en 5 min pour un sportif ou en 15 min pour quelqu'un de non entraîné qui va pousser le vélo à pied...). Dans les 2 cas la quantité d'énergie est la même, mais le résultat final est que le sportif allant plus vite met en jeu une puissance musculaire plus grande.
Ce rapport entre énergie mise en jeu et durée est précisément ce qu'on nomme puissance.
Par définition P = E/t
L'unité légale (système international) de puissance est le Watt ( symbole W) (E exprimé en J et t en seconde s)
Exemples que j'ai calculé 1 pour nos deux cyclistes :
Puissance du sportif 350 W Puissance du piéton : 120 W
Pour tout appareil ou machine convertissant des énergies, la puissance est en général notée sur l'appareil ou dans la notice, ou prévue par le constructeur. Voici quelques exemples en vrac (dans le cas des machines, il s'agit de la puissance en régime maximal)
Ampoule de lampe de poche 1 W
TGV Atlantique 8 800 kW
Voiture (type petite citadine) 30 kW
Abonnement domestique Edf : de 6 à 15 kW
Cheval de trait 750 W (ex « cheval-vapeur »)
Être humain au repos 70 W
Réacteur nucléaire 1300 MW
Aérogénérateur (éolienne) 2 MW
Montre digitale 1 mW
Puissance électrique installée France 2007 72 GW
Cette notion de puissance est donc reliée à un aspect utilitaire. Par exemple pour l'éclairage, on choisira des ampoules de puissance différentes selon qu'on veut une veilleuse ou éclairer un salon, on choisira une perceuse plus ou moins puissante selon ses besoins etc.
Comme P= E/t on en déduit que E = P x t. On peut donc calculer l'énergie consommée si on connaît P et la durée de fonctionnement t. Si t est exprimé en s, on aura E en J, mais plus souvent on mesure t en heure (ou en fraction d'heure), et on a alors E exprimé en Wh
(D'où la conversion 1W x 1 h = 1 Wh = 1 W x 3600 s = 3600 J)
1Le calcul se fait ainsi : mgh/t, où m est la masse, g l'accélération de la pesanteur, h le dénivelé et t la durée
IV Transfert d’énergie (transferts de chaleur)
Il y a passage spontané d’énergie thermique d’un corps chaud (de température plus élevée) à un corps froid (de température plus basse), jusqu'à l'égalisation des températures qu'on appelle équilibre thermique.
Ceci est connu, mais pointe la difficulté qu’il y a à distinguer chaleur (forme d’énergie) de température (qui est un paramètre caractérisant l’état d’un corps, au même titre que son volume, sa masse). Le langage courant ne nous aide pas : « Quelle chaleur ! » devrait être changé en « Quelle température ! ».
Ces transferts d’ énergie thermique se font :
-- soit par conduction (la chaleur est conduite au sein même de la matière ; les métaux sont de bons conducteurs thermiques, le bois, l'air sont de mauvais conducteurs thermiques, l'eau est un conducteur moyen).
Le flux de chaleur traversant 1 m2 d'une matière d'1 m d'épaisseur permet de comparer quantitativement la conduction de la chaleur.
Cuivre 380 W/m.°C Aluminium : 200 W/m.°C Acier : 60 W/m.°C
Béton : 1,5 W/m.°C Verre : 1,2 W/m.°C Eau : 0,6 W/m.°C
Bois (sapin) : 0,12 W/m.°C Polystyrène : 0,04 W/m.°C Air : 0,025 W/m.°C
La conduction est donc possible dans des solides, des liquides ou des gaz.
-- soit par convection (il y a alors mouvements de brassage de la matière, comme c’est le cas dans l’air d’une chambre chauffée par un convecteur électrique, ou dans l’eau d’une casserole posée sur une flamme à 1000 °C).
Nécessitant des mouvements au sein de la matière, le transfert par convection ne peut se donc se produire que pour des liquides ou des gaz.
Pour réduire ces transferts, on utilise des isolants thermiques (le mot isolant est ambigu, car les transferts de chaleur ne sont pas bloqués, mais ralentis ) :
- Parce que leur matière constitutive est mauvaise conductrice de la chaleur : bois, matière plastique comme le polystyrène expansé, tissu, air…
- Parce qu’on gène la convection : duvet qui immobilise l’air, brique creuse à alvéoles.
- Un cas radical consiste à supprimer la matière entre le corps chaud et le corps froid, c'est à dire de faire le vide (bouteille thermos, certains double-vitrage). Cependant des transferts ont lieu au niveau des joints, des supports et aussi se produisent par rayonnement (voir plus loin). Il n'existe pas d'isolation parfaite.
Notons qu’on empêche avec un isolant le corps chaud de voir sa température diminuer (café dans un thermos) ou bien le corps froid de voir sa température augmenter (glace dans une boite en polystyrène expansé). Un glaçon dans de la fourrure fond moins vite. La fourrure ne « donne pas chaud » (conception fréquente). Elle ralentit les transferts thermiques.
Un mur isolé sera efficace dans les deux sens de transferts de chaleur (hiver ou été)
Un autre mode de transfert de chaleur (même s’il y a en fait transformation intermédiaire) est le mode par rayonnement, par exemple pour un chauffage à infrarouge, ou par les panneaux radiants.
Ce transfert par rayonnement ne peut se faire que dans des milieux transparents (l'air dans la vie de tous les jours) et également dans le vide.
Ce mode de transfert par rayonnement est celui qui nous permet de récupérer l’énergie solaire (énergie rayonnante du Soleil). Cette énergie, reçue sur Terre, se transforme en énergie chimique par les végétaux ou en énergie thermique de l’air (création de vents) ou de l’eau (courants océanique, cycle de l’eau). Finalement une majorité de sources d’énergie sont donc issues de l'énergie solaire !
Lors de la transformation en énergie thermique, la couleur de l’objet exposé au rayonnement est à prendre en compte. Une couleur noire et mate, permet une meilleure absorption de cette énergie. Une couleur blanche, ou réfléchissante, entraine une absorption réduite, ce qui est parfois utile (murs des maisons en pays chauds, glacières, camions frigorifiques). Des expérimentations sont faciles à faire avec récipients de diverses couleurs exposés au Soleil).
On peut également concentrer cette énergie, à savoir la capter sur une grande surface pour renvoyer ce rayonnement sur une plus petite surface.
Une application bien connue de la concentration du rayonnement solaire.
L'inflammation d'un papier est plus rapide si celui-ci est noir.C'est ce qui est utilisé dans des fours solaires (Odeillo dans le Roussillon) et qui peut être expérimenté avec des miroirs :
Four solaire d'Odeillo Des miroirs plans correctement disposés, ou un miroir parabolique concentrent la lumière sur le récipient.
Une vitre, un plastique transparent, rend également cette transformation plus efficace. C’est l’effet de serre , utilisé dans les …serres ! mais dont on parle de plus en plus car des gaz dit à effet de serre (dioxyde de carbone et méthane essentiellement), rejetés massivement par suite d’utilisation croissante des énergies fossiles, rend l’absorption de l’énergie solaire sur la planète plus importante. Tout se rejoint !
Coin labo : Pour expérimenter vous-même des situations autour de l'énergie
Pour prolonger cette introduction, en savoir plus et obtenir de conseils pratiques (maison, voiture etc...) www.ademe.fr (Site de l’Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie)
Pour avoir des informations sur l'énergie nucléaire différentes du discours dominant (EdF, état, grande partie des médias...)http://www.sortirdunucleaire.org (Fédération de 700 associations)
Petites questions pour réfléchir....
1) Quelles sont les sources (ou formes) d’énergie utilisables pour communiquer?
2) Quelles autres sources d’énergie pourrait-on exploiter ?
3) Imaginons une maison à 18°C. Si vous marchez pieds nus sur une moquette à 18°C, vous avez une sensation de chaud, alors que sur un carrelage à 18°C vous avez une sensation de froid. Pourquoi ?
4) On peut rester quelques instants dans un sauna à 50°C, mais il est impossible de plonger dans une eau à 50°C. Pourquoi ?
5) Si vous restez immobile dans une pièce à 18°C, votre température corporelle reste à 37°C et ne baisse pas. Pourquoi ?
6) Si vous laissez la porte du réfrigérateur grande ouverte, il fera à terme plus chaud dans votre cuisine que si vous la laissez fermée. Ceci vous étonne ? Démontrez que ceci est pourtant vrai.
