Énergie, conversions et sources d’énergie
Cours complet : les formes d’énergie, conservation et conversions, chaînes énergétiques, sources renouvelables et non renouvelables, fonctionnement des centrales électriques, signaux sonores et lumineux. Formules et FAQ pour le brevet.
Le thème de l’énergie est transversal au programme de physique-chimie et très fréquent au brevet. Il faut maîtriser les formes d’énergie, comprendre les conversions, connaître les sources et le fonctionnement des centrales. Ce chapitre inclut aussi les signaux (son et lumière), au programme du thème 4.
I. Les formes d’énergie
L’énergie est une grandeur qui caractérise la capacité d’un système à produire des transformations (mettre en mouvement, chauffer, éclairer…). L’unité internationale est le joule (J).
| Forme d’énergie | Description | Exemples |
|---|---|---|
| Énergie cinétique (Ec) | Énergie liée au mouvement d’un objet | Voiture en mouvement, vent, courant d’eau |
| Énergie potentielle de pesanteur (Epp) | Énergie liée à la position en hauteur | Eau retenue par un barrage, objet en altitude |
| Énergie mécanique (Em) | Somme de Ec et Epp | Em = Ec + Epp |
| Énergie thermique | Énergie liée à la température (agitation des particules) | Chaleur d’un radiateur, d’un feu |
| Énergie chimique | Énergie stockée dans les liaisons chimiques | Aliments, carburants (essence, gaz), piles |
| Énergie électrique | Énergie transportée par le courant électrique | Courant dans les fils, foudre |
| Énergie lumineuse (rayonnante) | Énergie transportée par la lumière | Lumière du Soleil, laser, LED |
| Énergie nucléaire | Énergie stockée dans les noyaux des atomes | Uranium dans une centrale, réactions dans le Soleil |
Epp = m × g × h
Avec :
• Epp = énergie potentielle de pesanteur (en J)
• m = masse (en kg)
• g = intensité de pesanteur (≈ 10 N/kg sur Terre)
• h = hauteur par rapport au sol de référence (en m)
II. Conservation et conversion de l’énergie
L’énergie ne peut être ni créée ni détruite. Elle se transforme d’une forme en une autre et se transfère d’un objet à un autre. L’énergie totale d’un système isolé reste constante.
Exemples de conversions
| Convertisseur | Énergie reçue (entrée) | Énergie utile (sortie) | Énergie perdue |
|---|---|---|---|
| Moteur électrique | Électrique | Mécanique (mouvement) | Thermique (chaleur) |
| Lampe | Électrique | Lumineuse | Thermique |
| Panneau solaire photovoltaïque | Lumineuse | Électrique | Thermique |
| Pile / batterie | Chimique | Électrique | Thermique |
| Alternateur | Mécanique | Électrique | Thermique |
| Moteur thermique (voiture) | Chimique (essence) | Mécanique | Thermique (beaucoup) |
| Radiateur | Électrique | Thermique | — (100 % utile) |
| Muscle | Chimique (aliments) | Mécanique | Thermique (chaleur corporelle) |
Lors de toute conversion d’énergie, une partie est toujours dissipée sous forme de chaleur (énergie thermique). C’est pourquoi le rendement d’un convertisseur est toujours inférieur à 100 % (sauf pour un radiateur, qui convertit toute l’énergie en chaleur de manière « utile »).
Rendement (%) = (Énergie utile / Énergie reçue) × 100
Exemple : une lampe reçoit 60 J d’énergie électrique et produit 9 J de lumière.
Rendement = (9 / 60) × 100 = 15 %. Les 51 J restants sont dissipés en chaleur.
III. Les chaînes énergétiques
Une chaîne énergétique est un schéma qui représente les conversions et transferts d’énergie dans un système. On y indique les formes d’énergie (en entrée et sortie) et les convertisseurs.
Comment construire une chaîne énergétique
| Étape | Action |
|---|---|
| 1 | Identifier la source d’énergie (réservoir d’entrée) |
| 2 | Identifier le ou les convertisseurs (dans des rectangles/ovales) |
| 3 | Tracer les flèches avec les formes d’énergie (énergie utile + énergie perdue) |
| 4 | Indiquer l’énergie utile (flèche principale) et l’énergie dissipée (flèche vers le bas, chaleur) |
Eau en hauteur (Epp) → Turbine (Ec mécanique) → Alternateur (E électrique) → Réseau
↓ chaleur ↓ chaleur
Au brevet, on te demande souvent de compléter une chaîne énergétique ou d’en construire une à partir d’une situation.
IV. Sources d’énergie renouvelables et non renouvelables
| | Sources renouvelables | Sources non renouvelables |
|---|---|---|
| Définition | Sources inépuisables à l’échelle humaine, reconstituées naturellement | Sources en quantité limitée, formées en millions d’années |
| Exemples | Soleil, vent, eau (hydraulique), géothermie, biomasse (bois), marées | Fossiles : pétrole, gaz naturel, charbon. Nucléaire : uranium |
| CO₂ | Pas ou peu d’émissions | Fossiles : beaucoup de CO₂ → effet de serre → réchauffement. Nucléaire : pas de CO₂ direct |
| Déchets | Peu de déchets | Fossiles : pollution atmosphérique. Nucléaire : déchets radioactifs dangereux pendant des milliers d’années |
| Inconvénients | Intermittentes (pas de vent, pas de soleil la nuit), coût d’installation, emprise au sol | Épuisement, pollution, risques (marées noires, accidents nucléaires) |
Détail des sources renouvelables
| Source | Convertisseur | Forme d’énergie exploitée |
|---|---|---|
| Soleil | Panneau solaire photovoltaïque / Panneau solaire thermique | Lumineuse → Électrique / Thermique |
| Vent | Éolienne | Cinétique (vent) → Mécanique → Électrique |
| Eau (rivière, barrage) | Turbine hydraulique + alternateur | Potentielle / Cinétique → Mécanique → Électrique |
| Géothermie | Centrale géothermique | Thermique (chaleur de la Terre) → Électrique |
| Biomasse | Combustion / Fermentation | Chimique (bois, déchets) → Thermique → Électrique |
| Marées | Usine marémotrice | Cinétique / Potentielle (marée) → Mécanique → Électrique |
V. Les centrales électriques
Toutes les centrales (sauf photovoltaïque) fonctionnent sur le même schéma :
Source d’énergie → Turbine (rotation) → Alternateur → Électricité
| Type de centrale | Source d’énergie | Ce qui fait tourner la turbine | Renouvelable ? |
|---|---|---|---|
| Thermique à flamme | Charbon, gaz, pétrole | Vapeur d’eau (combustion chauffe l’eau) | Non (fossile) |
| Nucléaire | Uranium (fission nucléaire) | Vapeur d’eau (fission chauffe l’eau) | Non |
| Hydraulique (barrage) | Eau en hauteur | Eau qui chute | Oui |
| Éolienne | Vent | Pales de l’éolienne | Oui |
| Solaire photovoltaïque | Lumière du Soleil | — (pas de turbine : conversion directe) | Oui |
| Géothermique | Chaleur de la Terre | Vapeur d’eau naturelle ou chauffée | Oui |
Ne confonds pas centrale nucléaire et centrale thermique à flamme. Les deux utilisent de la vapeur pour faire tourner une turbine, mais la source de chaleur est différente : fission nucléaire (uranium) vs combustion (charbon/gaz/pétrole). La centrale nucléaire ne produit pas de CO₂ mais génère des déchets radioactifs.
VI. Les modes de transfert thermique
La chaleur se transfère toujours du corps chaud vers le corps froid, par trois modes :
| Mode | Principe | Transport de matière ? | Exemples |
|---|---|---|---|
| Conduction | Transfert de proche en proche dans un matériau solide | Non | Cuillère en métal dans une casserole chaude. Le manche chauffe |
| Convection | Transfert par déplacement de matière (fluide chaud monte, froid descend) | Oui | Radiateur qui chauffe l’air. Courants océaniques. Vent |
| Rayonnement | Transfert par ondes électromagnétiques (pas besoin de matière) | Non | Chaleur du Soleil. Infrarouge d’un feu. Lampe chauffante |
VII. Signaux sonores et lumineux
A. Le son
| Propriété | Détails |
|---|---|
| Nature | Le son est une vibration mécanique qui se propage de proche en proche |
| Milieu de propagation | Se propage dans les solides, liquides et gaz mais PAS dans le vide |
| Vitesse dans l’air | ≈ 340 m/s (à 20 °C). Plus rapide dans l’eau (~1 500 m/s) et les solides (~5 000 m/s) |
| Fréquence | Détermine la hauteur du son (grave ou aigu). En hertz (Hz). Oreille humaine : 20 Hz à 20 000 Hz |
| Amplitude | Détermine le volume (fort ou faible). Mesuré en décibels (dB) |
v = d / t
Même formule que la vitesse. Avec v ≈ 340 m/s dans l’air, on peut calculer la distance d’un orage : compter les secondes entre l’éclair et le tonnerre, puis d = 340 × t.
B. Domaines de fréquences sonores
| Domaine | Fréquence | Perceptible ? |
|---|---|---|
| Infrasons | < 20 Hz | Non (trop grave) |
| Sons audibles | 20 Hz à 20 000 Hz | Oui |
| Ultrasons | > 20 000 Hz | Non (trop aigu). Utilisés en échographie, sonar |
Un son supérieur à 85 dB prolongé peut endommager l’audition. Au-delà de 120 dB, le seuil de douleur est atteint. Exemples : conversation normale ≈ 60 dB, concert ≈ 100-110 dB, décollage avion ≈ 130 dB.
C. La lumière
| Propriété | Détails |
|---|---|
| Nature | La lumière est une onde électromagnétique |
| Milieu de propagation | Se propage dans le vide et les milieux transparents (air, eau, verre) |
| Vitesse dans le vide | ≈ 300 000 km/s = 3 × 10⁸ m/s (la plus grande vitesse possible) |
| Propagation | En ligne droite dans un milieu homogène |
| Lumière blanche | Composée de toutes les couleurs de l’arc-en-ciel (spectre visible). Se décompose avec un prisme |
On voit l’éclair avant d’entendre le tonnerre car la lumière voyage à 300 000 km/s (quasi instantanée) tandis que le son voyage à 340 m/s. Si tu comptes 6 secondes entre l’éclair et le tonnerre : d = 340 × 6 = 2 040 m ≈ 2 km.
VIII. Récapitulatif des formules
| Grandeur | Formule | Unités |
|---|---|---|
| Énergie cinétique | Ec = ½ × m × v² | J, kg, m/s |
| Énergie potentielle | Epp = m × g × h | J, kg, N/kg, m |
| Énergie mécanique | Em = Ec + Epp | J |
| Puissance | P = E / t | W, J, s |
| Énergie | E = P × t | J ou Wh |
| Rendement | η = (E_utile / E_reçue) × 100 | % |
| Vitesse (son, lumière) | v = d / t | m/s, m, s |
| Fréquence | f = 1 / T | Hz, s |
IX. Glossaire des définitions
X. Questions fréquentes (FAQ)
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