Énergie et contrôle
Objectifs
À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• distinguer les sources d'énergie renouvelables et non renouvelables ;
• citer les principales formes d'énergie ;
• décrire une chaîne énergétique : réservoirs, convertisseurs et modes de transfert ;
• utiliser les unités d'énergie : joule, kilowattheure, calorie ;
• distinguer chaleur et température, et citer la conduction, la convection et le rayonnement ;
• expliquer l'isolation thermique et proposer des gestes pour économiser l'énergie.
Situation de départ
Le matin, la lampe s'allume grâce à l'électricité, le chauffe-eau solaire du toit donne de l'eau chaude, la voiture roule grâce à l'essence et nous marchons grâce à l'énergie de notre petit-déjeuner.
D'où vient toute cette énergie ? Comment passe-t-elle d'un objet à un autre ? Et pourquoi dit-on qu'il faut l'économiser ?
I. Les sources d'énergie
Le Soleil, le vent, le bois, le pétrole... fournissent l'énergie nécessaire à nos activités : ce sont des sources d'énergie.
• Une source est renouvelable si elle se renouvelle sans cesse, à l'échelle humaine : Soleil, vent, eau des rivières et des barrages, marées, biomasse (bois, déchets végétaux), géothermie (chaleur de la Terre, sources chaudes).
• Une source est non renouvelable (épuisable) si ses réserves diminuent à mesure qu'on l'utilise : pétrole, gaz naturel, charbon (combustibles fossiles, formés en des millions d'années) et uranium.
L'énergie consommée en Tunisie vient surtout du gaz naturel et du pétrole, non renouvelables. Pourtant le pays reçoit beaucoup de soleil (environ 2 000 kWh par mètre carré et par an) : chauffe-eau solaires, panneaux photovoltaïques et éoliennes se développent.
Brûler du bois ou des déchets dégage des fumées et du dioxyde de carbone : une source renouvelable n'est pas toujours sans pollution. Mais le bois repousse, alors que le pétrole ne se reforme pas à notre échelle.
II. Les formes d'énergie
Un ensemble d'objets ou de particules que l'on étudie s'appelle un système. Son énergie peut prendre plusieurs formes :
• l'énergie mécanique, à notre échelle : énergie cinétique due au mouvement (voiture qui roule, vent, eau qui coule) et énergie potentielle due à la position ou à la déformation (eau retenue en haut d'un barrage, ressort comprimé, arc tendu) ;
• l'énergie microscopique, à l'échelle des particules : énergie thermique liée à leur agitation, énergie chimique (aliments, essence, pile), énergie nucléaire (uranium, Soleil) ;
• on parle aussi d'énergie électrique et d'énergie rayonnante (lumière, rayonnement du Soleil).
Exemples de formes d'énergie
| Système | Forme d'énergie principale |
|---|---|
| voiture qui roule | cinétique |
| eau en haut d'un barrage | potentielle |
| essence, aliments, pile | chimique |
| eau chaude | thermique |
| uranium, Soleil | nucléaire |
III. Convertisseurs et chaînes énergétiques
1. Des convertisseurs
Faisons tourner la roue d'une bicyclette munie d'une dynamo : la lampe s'allume et chauffe. La dynamo transforme l'énergie cinétique de la roue en énergie électrique ; la lampe transforme l'énergie électrique en lumière et en énergie thermique.
Un objet qui transforme l'énergie d'une forme à une autre est un convertisseur d'énergie : dynamo, moteur, lampe, pile, panneau photovoltaïque, éolienne... Le dromadaire aussi transforme l'énergie chimique de ses aliments en énergie cinétique !
2. La chaîne énergétique
On représente le trajet de l'énergie par une chaîne énergétique : des réservoirs d'énergie (pile, essence, eau d'un barrage), des convertisseurs, reliés par des flèches qui indiquent le mode de transfert de l'énergie.
L'énergie se conserve : elle ne se crée pas et ne disparaît pas ; elle passe d'une forme à une autre. Quand un système gagne ou perd de l'énergie, c'est toujours par un transfert avec l'extérieur.
IV. Les unités d'énergie
On ne mesure pas l'énergie d'un système, mais ses variations ΔE. Dans le Système international, l'énergie s'exprime en joule (J). On utilise aussi :
Unités d'énergie
| Unité | Valeur | Usage |
|---|---|---|
| kilowattheure (kWh) | 1 kWh = 3,6.106 J | factures d'électricité |
| calorie (cal) | 1 cal ≈ 4,18 J | aliments |
| kilocalorie (kcal) | 1 kcal ≈ 4 180 J | étiquettes |
• Une famille consomme 200 kWh d'électricité en un mois : 200 × 3,6.106 = 7,2.108 J.
• Un adulte a besoin d'environ 2 000 kcal par jour, apportées par les aliments : 2 000 × 4 180 ≈ 8,4.106 J, soit environ 2,3 kWh.
• Une tonne de pétrole libère environ 4,2.1010 J en brûlant.
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