Cours : Les conversions d'énergie physique

L’énergie dans la vie de tous les jours

Les différentes ressources énergétiques

On classifie les sources d’énergie en deux groupes : l’énergie primaire et secondaire.

Définition

Énergie primaire :

L’énergie primaire provient d’une ressource disponible immédiatement dans la nature.

Exemple

Le vent qui va faire avancer un bateau à voile, le Soleil, l’énergie hydraulique, le pétrole brut ou du bois qu’on pourra faire brûler sont des ressources primaires ;

Définition

Énergie secondaire :

L’énergie secondaire provient d’une ressource qui a dû être traitée ou transformée avant de pouvoir être consommée.

Exemple

L’électricité qui arrive dans nos foyers, ou l’essence raffinée qui sert de carburant pour nos voitures, sont des exemples d’énergie secondaire.

Les différentes ressources peuvent être classées en fonction de leur disponibilité :

Définition

Énergie renouvelable :

Une énergie renouvelable provient d’une ressource presque illimitée, soit parce qu’elle se renouvelle suffisamment vite, soit parce qu’elle est disponible en quantité suffisamment grande pour être qualifiée d’illimitée à échelle chronologique humaine.

Exemple

La lumière du Soleil est disponible en quantité infinie à l’échelle humaine. Tout comme la force hydraulique (exploitée dans les barrages), la géothermie et la force éolienne.

Définition

Énergie non renouvelable :

Une énergie non renouvelable provient d’une ressource présente en quantité limitée, qui ne pourra pas être reconstituée à l’échelle chronologique humaine.

Exemple

Les ressources énergétiques fossiles comme le pétrole, le charbon ou le gaz ne sont pas renouvelables.

Toutefois, l’homme utilise majoritairement des ressources non renouvelables qui sont polluantes et ont un impact environnemental très important. Par ailleurs, ces ressources fossiles sont consommées à outrance.

Ainsi, selon les estimations, les réserves de pétrole seront épuisées sur Terre avant la fin du siècle dans le meilleur des cas.

Attention

On appelle « réserves » la quantité de produit exploitable, lorsque le produit existe mais est inaccessible ou inutilisable on parle de « ressources ».

Transport et stockage de l’énergie

Les ressources énergétiques ne sont pas toujours situées à l’endroit où on en a besoin. Pour que le consommateur puisse utiliser une ressource énergétique, il faut la transporter de sa zone de formation jusqu’à la zone de consommation de l’énergie.

Les énergies fossiles peuvent être extraites et déplacées sous leur forme brute.

Exemple

Par exemple, on peut transporter le charbon en camion ou le pétrole brut à l’aide d’oléoducs. Parfois cette énergie brute est brulée. La chaleur émise sert à produire de l’électricité, une ressource énergétique dont nous avons de plus en plus besoin mais dont la gestion est compliquée.

En effet, les besoins en électricité ne sont pas réguliers. L’idéal serait de pouvoir stocker l’électricité produite en excès pour pouvoir la distribuer lorsque la demande est plus forte. Ce qui est très difficile car on sait stocker l’électricité uniquement en très petites quantités, dans les piles et les accumulateurs par exemple. Mais pour s’adapter aux variations de la demande, il faut pratiquement produire en temps réel l’énergie électrique nécessaire.

Or, jusqu’à présent, le seul moyen à disposition pour augmenter ou baisser rapidement la production d’électricité, est de brûler des ressources fossiles qui elles sont stockables. Ce sont ainsi les centrales thermiques au charbon qui comblent les déficits de production d’énergie électrique.

Des solutions alternatives non polluantes existent comme les forces hydraulique et éolienne. La biomasse permet elle aussi de produire de l’électricité en étant brûlée. Par ailleurs, sa décomposition émet du biogaz.

Ces énergies en développement ne sont pas encore majoritaires mais se généralisent peu à peu. Le principal problème est leur rendement.

La chaîne énergétique

Tous les déplacements de l’énergie depuis son extraction ou sa fabrication, jusqu’a son utilisation est appelé chaîne énergétique.

Définition

Chaîne énergétique :

Une chaîne énergétique est la description des transferts d’énergie et/ou des transferts de puissance entre des systèmes. Une chaîne énergétique donnée implique un type d’énergie bien identifié.

Voici une chaîne énergétique qui part d’un réservoir énergétique qui transfère de l’énergie vers un système. Ce système peut la convertir avant de la transférer vers un autre réservoir qui l’enverra vers d’autres systèmes et ainsi de suite.

À retenir

Pour représenter une chaîne énergétique, il y a quelques conventions à respecter :

• les sources ou réservoirs d'énergie sont dans des rectangles ;
• les systèmes utilisant l’énergie sont dans des cercles ou des ellipses ;
• les transferts d'énergie ou de puissance sont symbolisés par des flèches, au-dessus desquelles est indiquée la forme d’énergie mise en jeu.

Astuce

Comme aucun système de stockage ou de transfert n’est parfait, une partie de l’énergie est transférée vers le milieu extérieur, le plus souvent sous forme d’énergie thermique. C’est pourquoi on dit de nombreux appareils qu’ils « chauffent ».

Par souci d’exactitude, il faut compléter la chaîne énergétique en y ajoutant les pertes par énergie thermique vers l’environnement.

Considérons par exemple la chaîne énergétique d’un moteur de voiture :

L’essence stockée dans le réservoir est brulée, ce qui fournit de l’énergie de combustion au moteur. Ce dernier transforme une partie de l’énergie de combustion en énergie mécanique pour faire tourner l’arbre à cames (la pièce principale du moteur). Une autre partie de l’énergie de combustion est perdue parce que dissipée sous forme d’énergie thermique (autrement dit de chaleur) dans l’environnement.

Même si la perte thermique n’est représentée qu’à un endroit, à chaque conversion, une partie de l’énergie est perdue sous forme de chaleur, on parle de rendement de conversion.

Définition

Rendement :

Un rendement est le rapport entre une valeur effective et la valeur maximale qu’on aurait pu obtenir dans le meilleur des cas.

Astuce

Même si $\eta$ n’a pas d’unité, on peut exprimer le rendement en pourcentage en multipliant le résultat par 100.

Exemple

Par exemple si un moteur de voiture consomme 100 Watts et en restitue 56 Watts son rendement est de : $\eta=\dfrac{56}{100}=0,56$.

Soit 56 % de rendement.

Si le rendement peut indifféremment être calculé avec un rapport d’énergie ou un rapport de puissance, c’est parce que l’énergie et la puissance sont liées entre elles.

Pour une même énergie transférée, plus la puissance est grande, plus la durée de transfert est petite. Ainsi une ampoule de $30\ \text{W}$ transfère pendant 10 secondes une énergie $\text{E=P}\times \Delta_t=30\ J$.

La conversion de l’énergie dans un circuit électrique

Puissance et énergie électriques

Un dipôle qui a une tension $\text{U}$ entre ses bornes et qui est traversé par une intensité I génère ou reçoit une puissance électrique.

Exemple

Calculons par exemple la puissance électrique de l’ampoule d’une lampe de bureau. Elle est traversée par un courant de 0,3 A et alimentée par du 220 V :

$\text{P}=220\times0,3=66\ \text{W}$

Un dipôle en fonctionnement qui génère ou reçoit une puissance électrique pendant un certain temps a reçu ou généré une énergie électrique.
En partant de la formule exprimant l’énergie en fonction de la puissance, $\text{E}=\text{P}\times \Delta_t$ on en déduit en remplaçant $\text{P}$ par ses composants que :

Exemple

Par exemple, une ampoule de bureau qui a une puissance de $30\text{W}$, reçoit pendant 5 heures une énergie de $\text{E}=30 \times 3600 \times 5=540 000\ J$.

Attention

Attention de bien convertir le temps en seconde.

Convention des récepteurs et générateurs

On distingue deux types de dipôles électriques : le récepteur et le générateur.

Définition

Récepteur électrique :

Un récepteur électrique est un dipôle qui convertit de l’énergie électrique reçue en un autre type d’énergie.

Exemple

Une résistance convertit l’énergie électrique en énergie thermique et une ampoule convertit l’énergie électrique en énergie lumineuse.

Définition

Générateur électrique :

Un générateur électrique est un dipôle qui convertit un autre type d’énergie en énergie électrique.

Exemple

Une pile convertit de l’énergie chimique en énergie électrique et un alternateur, comme une dynamo par exemple, transforme de l’énergie mécanique en énergie électrique.

À retenir

L’intensité $\text{I}$ et la tension $\text{U}$ aux bornes d’un récepteur ou d’un générateur sont des grandeurs algébriques représentées par des flèches, par convention :

• pour un générateur la tension et l’intensité sont positives si elles sont dans le même sens ;
• pour un récepteur la tension et l’intensité sont positives si elles sont dans des sens opposés.

La résistance

Définition

Résistance :

Une résistance, aussi appelée conducteur ohmique, est un récepteur qui convertit l’énergie électrique en énergie thermique avant de la dissiper vers le milieu extérieur. Cette émission de chaleur à partir de l’électricité s’appelle l’effet Joule.

L’effet Joule est le principe physique à l’œuvre pour tous les appareils de chauffage électrique comme les radiateurs ou les bouilloires par exemple.

La caractéristique d’une résistance est la relation de proportionnalité entre la tension à ses bornes et l’intensité qui la traverse. C’est la loi d’Ohm.

Symbole d’une résistance avec comportement de l’intensité et de la tension

Une résistance de $200\ \Omega$ est traversée par un courant d’intensité $0,05\ \text{A}$, la tension à ses bornes est : $\text{U}_{\text{AB}}=200\times 0,05=10\ \text{V}$

On peut construire une chaîne énergétique :

• Le générateur électrique transmet de la puissance électrique à la résistance. Elle la convertit en puissance thermique qui est dissipée vers le milieu extérieur.

À retenir

On peut démontrer cette formule grâce à la relation $\text{P=U}\times I$ avec dans le cas d’une résistance $\text{U=R}\times I$.

Exemple

La puissance dissipée par une résistance de $100 \Omega$ traversée par un courant de $0,02\ \text{A}$ est $\text{P}=100\times 0,02^2=0,04\ \text{W}$.

La pile électrochimique

Il existe une tension aux bornes d’un générateur non relié à un circuit électrique.

Cette tension est appelée force électromotrice du générateur. Elle est notée $\text{E}$ et s’exprime en volts ($\text{V}$).

Un générateur est caractérisé par sa force électromotrice $\text{E}$ (en Volts $\text{V}$) et sa résistance interne r (en Ohms $\Omega$). Quand le générateur débite un courant d’intensité $\text{I}$, la tension $\text{U}$ à ses bornes est donnée par la relation :

Exemple

Une pile de force électromotrice $5\ \text{V}$ et de résistance interne $10\ \Omega$ qui délivre une intensité de $0,05\ \text{A}$ a une tension à ses bornes de : $\text{U}=5-10\times 0,05=4,5 \text{V}$

• La pile électrochimique est utilisée dans de nombreux appareils de notre quotidien (les télécommandes, les montres ou les calculatrices par exemple). Elle est constituée de réactifs chimiques et d’un générateur.
• Les réactifs chimiques transmettent de l’énergie chimique vers le générateur qui la transforme en énergie électrique.
• Cette énergie électrique alimente le circuit de l’appareil qui contient la pile, mais par effet Joule il y a une dissipation d’énergie thermique vers l’extérieur.

Par définition, la puissance est égale à la tension multipliée par l’intensité ($\text{P=U}\times \text{I}$).

Pour un générateur, la tension est égale à la force électromotrice à laquelle on soustrait la résistance interne multipliée par l’intensité ($\text{U= E – r}\cdot \text{I}$). On obtient une nouvelle relation en remplaçant la tension ($\text{U}$) par ses équivalents.

• Dans cette formule, on peut remplacer $\text{r}\cdot \text{I}^2$ car on sait que la puissance thermique dissipée par effet Joule est égale au produit de la résistance interne par le carré de l’intensité ($\text{P}_{\text{joule}}=\text{r}\times \text{I}^2$).

À retenir

La puissance chimique se convertit en puissance électrique et en puissance thermique :

($\text{P}_{\text{chimique}}= \text{P}_{\text{électrique}}+ \text{P}_{\text{joule}}$)

Définition

Puissance chimique :

On appelle puissance chimique d’un générateur électrochimique le produit de sa force électromotrice par l’intensité qu’il débite.

• Ce qui est cohérent avec le principe de la conservation de l’énergie.

Exemple

La puissance chimique d’un générateur de force électromotrice $5\ \text{V}$, de résistance interne $3\ \Omega$ et qui délivre une intensité de $0,1\ \text{A}$ est :

$\text{P}_{\text{chimique}}= 5\times 0,1=0,5\ \text{W}$

La puissance dissipée par effet Joule de ce même générateur est : $\text{P}_{\text{joule}}= 3\times 0,12 = 0,03 \text{W}$, et sa puissance électrique est donc : $$\text{P}_{\text{électrique}}= \text{P}_{\text{chimique}}-\text{P}_{\text{joule}} = 0,5 - 0,03 = 0,47\ \text{W}$$

Définition

Rendement d’un générateur :

Le rendement d’un générateur électrique est le rapport de la puissance électrique fournie sur la puissance chimique reçue :

$\eta = \frac{\text{P}_{\text{électrique}}}{\text{P}_{\text{chimique}}}=\frac{\text{U}\cdot\text{I}}{\text{E}\cdot\text{I}}=\frac{\text{U}}{\text{E}}$

Exemple

Le rendement d’un générateur de force électromotrice $5\ \text{V}$ dont la tension aux bornes est de $4,5\ \text{V}$ est :

$\eta=\frac{4,5}{5}=0,9$

Ici encore, on peut exprimer $\eta$ en pourcentage en multipliant par 100. On obtient donc un rendement de 90 %.