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Leçon n° 15 : CONVERSION DES DIVERSES FORMES D'ENERGIE

 

Cette leçon comporte cinq paragraphes.

 

1- RESSOURCES ENERGETIQUES UTILISEES PAR L'HOMME


· 1-1 Ressources énergétiques renouvelables ou non

· Les sources énergétiques renouvelables : L'énergie solaire est la principale source d'énergie renouvelable. De cette énergie dérivent des énergies secondaires. Nous citerons l'énergie des vents pouvant actionner des rotors d'alternateurs pour produire de l'énergie électrique. Nous citerons aussi l'énergie photovoltaïque produisant de l'électricité à partir du rayonnement solaire. Le soleil permet aussi la croissance des végétaux avec production de bois pouvant fournir de l'énergie thermique. Il permet également la pluie (évaporation de l'eau de mer) et le stockage d'énergie hydraulique dans les barrages montagnards. On pourrait en citer d'autres comme l'énergie des marées qui peut produire de l'électricité

· Les sources énergétiques non renouvelables : le pétrole, le charbon bien que provenant également du Soleil sont considérées comme des sources d'énergie non renouvelables car leurs productions ont nécessité des millions d'années.

L'uranium 235 créé en même temps que la Terre il y a 4 à 5 milliards d'années, utilisé dans les réacteurs nucléaires à fission, est aussi une source d'énergie non renouvelable.

Des études sont faites pour essayer de réaliser des réacteurs à fusion deutérium - tritium. Si ces études étaient couronnées de succès l'avenir énergétique de l'humanité serait assurée pour longtemps. Une étape doit être étudiée à Cadarache (ITER).

· 1-2 Transport et stockage de l'énergie

Le pétrole (énergie chimique) peut être transporté depuis les pays producteurs vers les pays consommateurs par des pétroliers, des pipe-lines.

L'énergie électrique est transportée par des lignes haute-tension.

L'énergie hydraulique est stockée par des barrages sur les rivières. C'est une énergie de pesanteur. Elle est souvent transférée sous forme cinétique à des alternateurs qui la transformeront en énergie électrique.

L'énergie peut-être stockée dans des piles ou des accumulateurs mais en quantité relativement faible. Pendant qu'une pile débite, elle transforme de l'énergie chimique en énergie électrique.

· 1-3 Distinction entre puissance et énergie

L'énergie W peut être reçue ou donnée par un système en un temps t plus ou moins long. Par définition la puissance P moyenne échangée par ce système avec l'extérieur est :

P = W / t (1)

· La puissance P est en watt (W)

· L'énergie W est en joule (J)

· Le temps t est en seconde (s)

P = dW / dt (2)

· P est ici la puissance instantanée si dt devient très petit.


Remarque
: L'ordre de grandeur de la puissance des différents systèmes qui intéressent l'homme est très variable.

Montre à quartz : 10 - 6 W = 1 mW.

Diode électroluminescente : 10 - 2 W = 10 mW.

Lampe à économie d'énergie : 10 W environ.

Lampe à incandescence : 100 W environ.

Machine à laver : 2000 W.

Automobile : 10 5 W = 100 kW.

Puissance (1001 CV) du moteur de la Bugatti Veyron 16.4 de 2005 : 736 kW.

Locomotive Diesel : 3 x 10 6 W = 3 MW

Usine marémotrice de la Rance : 2,40 x 10 8 W = 240 MW.

Puissance électrique moyenne d'un réacteur nucléaire d'une tranche de centrale nucléaire moderne : 10 9 W = 1 GW.

Pic de consommation électrique enregistré en France le 8 février 2012 à 19 h 00 : 1,016 x 10 11 W = 101,6. GW

Puissance totale reçue par la Terre (provenant du Soleil) : 1,74 x 10 17 W = 174 PW.

Puissance totale rayonnée par le Soleil : 3,86 × 10 26 W = 386 YW

Luminosité approximative de la Voie lactée : 5 x 10 36 W.

 

2- PRODUCTION DE L'ENERGIE ELECTRIQUE


Un générateur électrique fournit de l'énergie électrique et consomme une autre forme d'énergie.

Les cellules photovoltaïques permettent de transformer directement l'énergie lumineuse en énergie électrique mais cela ne produit qu'un faible pourcentage de l'énergie électrique nécessaire aux activités humaines.

L'énergie électrique est essentiellement produite par des alternateurs dans des centrales nucléaires, hydrauliques ou thermiques.

(3)

L'eau ou la vapeur d'eau sert à faire tourner une turbine.

Cette turbine entraine le rotor d'un alternateur.

L'alternateur reçoit de l'énergie mécanique et délivre de l'énergie électrique (courant alternatif)

Les piles et les accumulateurs seront étudiés dans la leçon suivante. Ils transforment de l'énergie chimique en énergie électrique (courant continu).

Rendement de conversion :

Le rendement d'un alternateur est égal au rapport de l'énergie électrique qu'il fournit sur l'énergie mécanique qu'il consomme :

Rendement = Energie électrique fournie / Energie mécanique consommée (4)

De façon générale le rendement d'une machine est égal au quotient de l'énergie utile qu'elle fournit sur l'énergie qu'elle reçoit :

Rendement = Energie utile fournie / Energie reçue = Puissance utile fournie / Puissance reçue (4 bis)

 

3- CONSOMMATION DE L'ENERGIE ELECTRIQUE


De très nombreuses activités humaines consomment de l'énergie électrique. Nous citerons l'éclairage, le chauffage, le transport, la téléphonie, la radio, la télévision, la médecine, etc.

Un récepteur électrique reçoit de l'énergie électrique qu'il transforme en d'autres formes d'énergie. Une lampe fournit de l'énergie lumineuse et calorifique, un moteur fournit de l'énergie mécanique et calorifique, un électrolyseur fournit de l'énergie chimique et calorifique, etc.

 
·
3-1 Energie électrique reçue par un récepteur en courant continu. Puissance du transfert.


· Lorsqu'un récepteur de bornes A et B, soumis à une tension électrique continue UAB, est parcouru par un courant électrique continu d'intensité IAB, l'énergie électrique WAB qu'il reçoit pendant la durée D t est :

WAB = UAB . IAB . D t (5)

WAB est en joule (J)

UAB est en volt (V)

IAB est en ampère (A)

D t est en seconde (s)

· La puissance électrique PAB = WAB / D t (6) reçue est :

PAB = UAB . IAB (7)

PAB est en watt (W)

UAB est en volt (V)

IAB est en ampère (A)

Remarques :

· Tension et intensité du courant électrique sont des grandeurs algébriques qui restent constantes en courant continu. On peut les représenter par une flèche comme sur le schéma ci-dessous.

(8)

· L'intensité IAB du courant électrique est positive si le courant, à l'intérieur du récepteur AB, circule de A vers B. Si le courant circule de B vers A, alors IAB est négatif. Rappelons que l'intensité du courant se mesure avec un ampèremètre placé en série avec le dipôle AB. (9)

· La tension UAB entre les bornes A et B d'un récepteur peut s'exprimer sous forme d'une différence de potentiel VA - VB entre les bornes.

Cette tension UAB = VA - VB (10) se mesure avec un voltmètre branché en dérivation aux bornes A et B du récepteur.


· 3-2 Un conducteur ohmique est un récepteur particulier. Loi d'Ohm. Loi de Joule.


Un conducteur ohmique reçoit de l'énergie électrique. Il transforme cette énergie électrique en énergie calorifique et en rayonnement.

a- Loi d'Ohm pour un conducteur ohmique.

Le graphe représentant la tension UAB en fonction de l'intensité IAB du courant électrique est une droite passant par l'origine, tant que la valeur absolue de l'intensité n'est pas trop grande. Ce graphe est parfois appelé caractéristique du conducteur ohmique.

(11)

· Le graphe montre que UAB est une fonction linéaire de IAB.

· La loi d'Ohm s'écrit donc pour un conducteur ohmique :

UAB = RAB . IAB (12)

RAB est la résistance, positive, du conducteur ohmique AB.

· Unités :

La tension UAB est en volt ( V )

L'intensité du courant IAB est en ampère ( A )

La résistance RAB est en ohm ( W )


b- Energie électrique reçue par un conducteur ohmique. Puissance de ce transfert d'énergie. Loi de joule.

Lorsqu'un conducteur ohmique de bornes A et B, soumis à une tension électrique continue UAB, est parcouru par un courant électrique continu d'intensité IAB, la puissance électrique PAB qu'il reçoit est :

PAB = UAB . IAB (7)

Mais, on sait que :

UAB = RAB . IAB (12)

Par conséquent :

PAB = RAB . I ²AB (13)

Cette relation traduit la loi de Joule que l'on peut aussi écrire d'après (12) :

PAB = U ²AB / RAB (14)

PAB est en watt (W)

IAB est en ampère (A)

RAB est en ohm ( W )

UAB est en volt (V)

Cette puissance électrique reçue est intégralement transformée en chaleur et en rayonnement. En régime permanent, elle est transférée vers le milieu extérieur.   

(15)

Remarque : L'effet Joule existe dans tous les appareils électriques (tous possèdent une résistance plus ou moins grande). Ce dégagement d'énergie thermique est recherché et utile dans le cas d'un radiateur électrique. Il est à inscrire au rang des pertes dans de nombreux autres cas : fonctionnement d'un moteur ou d'un générateur, lignes de transport de l'énergie électrique, etc.

 

4- ALGEBRISATION DE LA PUISSANCE ELECTRIQUE DONNEE OU RECUE PAR UN APPAREIL


Dans les classes ultérieures on comptera positivement une puissance électrique reçue et négativement une puissance électrique donnée.

La puissance électrique échangée par un appareil AB (générateur ou récepteur) s'écrira :

PAB = UAB . IAB (16)

- Si PAB est positif alors l'appareil reçoit de la puissance électrique, le dipôle AB est un récepteur. (17)

- Si PAB est négatif alors l'appareil donne de la puissance électrique, le dipôle AB est un générateur. (18)

Remarque :

On sait que UAB et UBA sont de signe opposé : UAB = - UBA (19)

On sait que IAB et IBA sont de signe opposé : IAB = - IBA (20)

Par contre, on voit que PAB = UAB . IAB est du même signe que PBA = UBA . IBA. Les deux expressions sont équivalentes : PAB = PBA (21)

 

5- QUELQUES APPAREILS ELECTRIQUES ET LEURS SYMBOLES


Voici la représentation de quelques appareils électriques souvent utilisés :

(22)


VOIR :

Exercice 15-A : Connaissances du cours n° 15.

Exercices 15-B : Energie électrique et énergie chimique - Rendement des panneaux photovoltaïques.

Exercices 15-C : Loi d'Ohm pour un conducteur ohmique - Loi d'Ohm pour un récepteur - Loi d'ohm pour un générateur.

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