Première S 2016-2017
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Première S 2016-2017

Les conversions de l'énergie

Les réserves des ressources énergétiques non renouvelables diminuent au fur et à mesure que l'Homme les exploite, d'où la nécessité d'utiliser davantage de sources d'énergie qui, de plus, sont moins nocives pour l'environnement. L'électricité est un moyen de transporter de l'énergie. Malheureusement, tous les conducteurs parcourus par un courant électrique dissipent une partie de l'énergie électrique sous forme de chaleur par effet Joule, du fait de leur inévitable résistance électrique. Les générateurs électriques convertissent en énergie électrique une autre forme d'énergie, telle l'énergie chimique dans le cas des piles.

I

Les ressources énergétiques

A

Les ressources énergétiques renouvelables

Les ressources énergétiques renouvelables sont celles dont les réserves ne diminuent pas malgré leur exploitation par l'Homme. À l'échelle humaine, elles sont donc exploitables sans limite de durée.

Ressource énergétique renouvelableÉnergie solaireÉnergie éolienneÉnergie hydrauliqueGéothermieBiomasse
OrigineLe SoleilLe ventL'eau en mouvementLe solLe monde vivant, végétal ou animal
B

Les ressources énergétiques non renouvelables

Les ressources énergétiques non renouvelables sont celles dont les réserves diminuent. L'Homme les consomme plus vite qu'elles ne se reconstituent.

Ressource énergétique non renouvelableÉnergie chimique fossileÉnergie nucléaire
OrigineFossilisation d'êtres vivants : pétrole, gaz, charbonNoyaux d'uranium 235

L'utilisation de ces énergies présente un autre inconvénient : la production de polluants (dioxyde de carbone, autres oxydes de soufre, d'azote, etc.) ou de déchets radioactifs qu'il faut stocker sur des millions d'années...

II

Transport et stockage de l'énergie

A

Transport

Il existe deux façons de transporter l'énergie depuis les zones d'exploitation des ressources jusqu'aux lieux de consommation :

  • Directement : les pétroliers, camions citernes, oléoducs ou gazoducs permettent de transporter les ressources fossiles, donc l'énergie chimique qu'ils contiennent.
  • Sous forme d'énergie électrique : au moyen de lignes à haute tension afin de minimiser les pertes.

L'électricité apparaît donc comme un moyen de transport de l'énergie et pas comme une ressource énergétique.

B

Stockage

Il est possible de stocker certaines ressources énergétiques (les ressources fossiles, l'uranium, l'eau, la biomasse) mais pas l'électricité (sauf à petite échelle dans les piles et les batteries). Il est donc nécessaire d'adapter la production à la consommation.

III

Relation entre puissance et énergie

Puissance

La puissance caractérise la vitesse d'un transfert d'énergie :

P(W)=E(J)Δt(s)

Elle s'exprime en watt (W).

La puissance d'un système qui transfère une énergie de 100 J en 2,0 s est :

P=EΔt=1002,0=50 W.

IV

Chaîne énergétique

A

Représentation

Les transferts d'énergie ou de puissance entre différents systèmes ainsi que les formes d'énergies mises en jeu sont représentés à l'aide d'une chaîne énergétique.

Par convention, on représente :

  • Les systèmes dans des ellipses
  • Les réservoirs d'énergie dans des rectangles
  • Les transferts d'énergie ou de puissance par des flèches, au-dessus desquelles on peut indiquer leur nature.
-

Chaîne énergétique

D'après le principe de conservation de l'énergie, la somme des énergies qui "entrent" dans le système est égale à la somme de celles qui en "sortent".

B

Rendement

Rendement

Le rendement d'une conversion d'une chaîne énergétique est le rapport de l'énergie utile par celle absorbée ou aussi de la puissance utile par celle absorbée. C'est une grandeur sans unité, généralement notée η :

η=Eutile(J)Eabsorbée(J)=Putile(W)Pabsorbée(W)

À cause des pertes inévitables lors des conversions d'énergie, le rendement est compris entre 0 et 1. On l'exprime souvent par un pourcentage.

La chaîne énergétique d'un moteur électrique est la suivante :

-
Chaîne énergétique d'un moteur électrique

Le rendement d'un moteur électrique qui consomme une puissance électrique de 200 W et fournit une puissance mécanique de 160 W est :

η=PmécaniquePélectrique=160200=0,800=80,0 %

V

Les conversions dans un circuit électrique

A

Puissance et énergie électriques

Puissance électrique

La puissance électrique Pél reçue ou générée par un appareil électrique est égale au produit de la tension U entre ses bornes par l'intensité I du courant qui le traverse :

Pél(W)=U(V)×I(A)

La puissance électrique Pél reçue par un dipôle soumis à une tension de 9,0 V et traversé par une intensité de 200 mA est :

Pél=U×I=9,0×200×103=1,8 W.

Énergie électrique

L'énergie électrique E reçue ou générée par un appareil électrique est égale au produit de sa puissance électrique P par la durée de fonctionnement Δt :

E(J)=Pél(W)×Δt(s)=U(V)×I(A)×Δt(s)

L'énergie électrique Wél reçue par un dipôle soumis à une tension de 9,0 V et traversé par une intensité de 200 mA pendant 10 s est :

Eél=U×I×Δt=9,0×200×103×10=18 J.

La consommation d'énergie électrique domestique est généralement exprimée en kWh :

E(kWh)=Pél(kW)×Δt(h)

1 kWh = 3,600×106 J = 3,600 MJ

La puissance consommée par un appareil électrique de puissance 2,0 kW fonctionnant pendant 3,0 h est :

E=P×Δt=2,0×3,0=6,0 kWh, soit : E=6,0×3,600×106=2,2×107 J

B

Les conventions récepteur et générateur

Les tensions et intensités électriques sont des grandeurs algébriques : elles peuvent donc être positives ou négatives. Il est possible de choisir leur sens arbitrairement et de le confirmer par un calcul ou une mesure : si on trouve une valeur négative, c'est que le sens "réel" est opposé à celui choisi. Il est quand même préférable d'adopter une convention qui dépend du rôle du dipôle électrique :

  • Pour un récepteur, les flèches des tension et courant sont dirigées dans des sens opposés.
  • Pour un générateur électrique, les flèches des tension et courant sont dirigées dans le même sens.
-

Conventions récepteur et générateur

C

Exemple d'un récepteur électrique : le conducteur ohmique

1

Expression de la tension en fonction de l'intensité

Récepteur électrique

Un récepteur électrique est un dipôle électrique qui reçoit de l'énergie électrique et la convertit en une autre forme d'énergie.

RécepteurRésistanceMoteurLampe
Convertit l'énergie électrique en énergie...Thermique (chaleur)MécaniqueRayonnante (lumineuse)

Un conducteur ohmique convertit l'énergie qu'il reçoit en énergie thermique (chaleur) par effet Joule.

Effet Joule

Un conducteur ohmique convertit l'énergie qu'il reçoit depuis un générateur électrique en énergie thermique. Cette énergie est dissipée vers le milieu extérieur.

L'effet Joule est souvent gênant car il provoque l'échauffement d'appareils électriques où il est néfaste : ordinateur, télévision, console de jeux vidéo, etc. Mais il peut être mis à profit dans d'autres appareils : radiateur électrique, bouilloire électrique, etc.

Une résistance électrique est un conducteur ohmique. Sa caractéristique permet de déterminer la relation qui lie la tension UAB entre ses bornes et l'intensité I qui la traverse.

-
Représentation d'une résistance électrique
Caractéristique d'un dipôle électrique

La caractéristique d'un dipôle électrique est le graphique représentant la tension entre ses bornes en fonction de l'intensité qui le traverse (ou inversement).

-
Caractéristique tension − intensité d'une résistance

La caractéristique tension − intensité d'une résistance électrique étant une droite qui passe par l'origine, on en déduit que ces deux grandeurs sont proportionnelles.

Loi d'Ohm

La tension UAB entre les bornes A et B d'un conducteur ohmique de résistance R et l'intensité I qui le traverse sont des grandeurs proportionnelles :

UAB(V)=R(Ω)×I(A)

Une résistance de 120 Ω est traversée par un courant d'intensité 200 mA, la tension entre ses bornes est :

UAB=R×I=120×200×103=24,0 V.

2

Bilan énergétique

Un conducteur ohmique convertit intégralement la puissance électrique qu'il reçoit en puissance thermique :

-
Chaîne énergétique d'un conducteur ohmique
Puissance dissipée par effet Joule

La puissance PJ dissipée par effet Joule par un conducteur ohmique dépend de la valeur de sa résistance R et de l'intensité I qui le traverse :

PJ(W)=R(Ω)×I2(A)

La puissance dissipée par effet Joule par une résistance de 120 Ω traversée par un courant d'intensité 200 mA est :

PJ=R×I2=120×(200×103)2=4,80 W.

Un conducteur ohmique convertit intégralement la puissance électrique qu'il reçoit en puissance thermique, d'où :

PJ=Pél=UAB×I

Or, d'après la loi d'Ohm : UAB=R×I, soit :

PJ=UAB×I=(R×I)×I=R×I2

D

Le générateur électrique : exemple d'une pile électrochimique

1

Expression de la tension en fonction de l'intensité

Générateur électrique

Un générateur électrique est un dipôle électrique qui convertit une forme d'énergie (appelée "énergie d'entrée") en énergie électrique.

L'énergie d'entrée des piles ou batteries est l'énergie chimique, qu'elles convertissent en énergie électrique par le biais d'une réaction d'oxydoréduction.

-
Représentation d'un générateur électrique

La caractéristique tension − intensité d'un générateur électrique est une droite décroissante dont l'équation lie la tension UPN entre ses bornes et l'intensité I qui la traverse :

Tension aux bornes d'un générateur

L'expression de la tension UPN entre les bornes d'un générateur est :

UPN(V)=E(V)r(Ω)×I(A), où :

  • E est la force électromotrice du générateur. C'est la tension entre ses bornes lorsqu'il ne délivre pas d'intensité.
  • r est la résistance interne du générateur.

Lorsqu'elle délivre une intensité de 60 mA, la tension aux bornes d'une pile de force électromotrice de 4,5 V et de résistance interne 5,0 Ω est :

UPN=Er×I=4,55,0×60×103=4,2 V.

2

Bilan énergétique

Un générateur électrique fournit de la puissance électrique au circuit mais dissipe aussi une partie de sa puissance sous forme thermique par effet Joule.

-
Chaîne énergétique d'un générateur électrique
Puissance chimique d'un générateur électrochimique

La puissance Pchimique que puise le générateur afin de la convertir en puissance électrique est :

Pchimique(W)=E(V)×I(A)

La puissance chimique que puise une pile électrochimique de 4,5 V lorsqu'elle délivre une intensité de 60 mA est :

Pchimique=E×I=4,5×60×103=0,27 W.

De par sa résistance interne, inévitable, le générateur électrique dissipe une partie de son énergie par effet Joule. La puissance dissipée a pour expression :

PJ(W)=r(Ω)×I2(A)

La puissance qu'une pile dissipe par effet Joule du fait de sa résistance interne de 5,0 Ω lorsqu'elle délivre une intensité de 60 mA est :

PJ=r×I2=5,0×(60×103)2=1,8×102 W.

La puissance que le générateur fournit au circuit est :

Pél=UPN×I

Or, la tension aux bornes du générateur est : UPN=Er×I, soit :

Pél=UPN×I=(Er×I)×I=E×Ir×I2, ou encore :

E×I=Pél+r×I2.

Dans cette dernière équation, on reconnaît le puissance dissipée par effet Joule : PJ=r×I2. Le terme E×I apparaît alors comme la puissance d'entrée, ici une puissance chimique, que le générateur convertit en puissance électrique (qu'il transmet au circuit) et dont il dissipe une partie par effet Joule :

Pchimique = Pél + PJ , avec Pchimique=E×I et PJ=r×I2

L'énergie, et donc la puissance, étant conservée, la puissance chimique d'une pile est intégralement convertie en puissance électrique et en puissance thermique :

Pchimique = Pél + PJ

Le rendement du générateur électrochimique est donc :

η=Pél(W)Pchimique(W)=UPN(V)E(V)

Le rendement d'une pile électrochimique de force électromotrice E = 4,5 V lorsque la tension entre ses bornes est UPN= 4,2 V est :

η=UPNE=4,24,5=0,93=93 %.

Sachant que la pile délivre alors une intensité de 60 mA, on peut aussi calculer son rendement à partir des puissances :

  • Puissance électrique : Pél=UPN×I=4,2×60×103=0,252 W.
  • Puissance chimique : Pchimique=E×I=4,5×60×103=0,27 W.

D'où : η=PélPchimique=0,2520,27=0,93=93 %

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