Sources d'énergie, de l'atome à l'éolienne : physique 6e secondaire

Une machine convertit l'énergie d'une forme à une autre ; l'énergie totale se conserve, mais seule une partie est utile. Le rendement compare l'énergie utile à l'énergie absorbée. Les ressources non renouvelables s'épuisent, les renouvelables se régénèrent rapidement.

Au jury de la Fédération Wallonie-Bruxelles, ce chapitre fait partie de l'UAA 7 de physique de l'examen de sciences du CESS. Entraîne-toi avec l'examen blanc de sciences corrigé, au format du jury.

Compétences visées

• Expliquer comment produire et transporter de l'énergie électrique.
• Développer des arguments scientifiques en faveur et contre l'utilisation de ressources ou de technologies énergétiques.

Demi-vie par lecture graphique seulement, défaut de masse qualitatif, courant induit sans formule, pas de calcul de calorimétrie (WBE 478). En sciences générales, la radioactivité et la thermodynamique relèvent de l'UAA8, Matière et énergie.

Ressources énergétiques et rendement

À connaître

• rendement : $\eta = \frac{E_\text{utile}}{E_\text{absorbée}} \cdot 100\ \%$
• énergie et puissance : $E = P \cdot \Delta t$ ; $1\ \mathrm{kWh} = 3{,}6 \cdot 10^{6}\ \mathrm{J}$

Méthodes

• Chaîne énergétique. On schématise l'énergie absorbée, l'énergie utile et les pertes, souvent de la chaleur.
• Calculer un rendement. Énergie utile divisée par énergie absorbée, toujours inférieur à 100 %.
• Renouvelable ou non. On compare les sources selon la disponibilité, le coût, l'environnement et les déchets.

Exercices types

• Une bouilloire de 2000 W chauffe 1,0 L d'eau de 20 °C à 100 °C en 3,0 min. Chauffer 1 kg d'eau de 1 °C demande environ 4200 J. Calcule le rendement de la bouilloire.
• Un panneau photovoltaïque de 1,6 m² reçoit 1000 W/m² et fournit 240 W. Calcule son rendement.
• Une éolienne de 2 MW tourne en moyenne à 25 % de sa puissance. Combien d'éoliennes faut-il pour produire 1 TWh par an ?
• Compare le gaz naturel et l'éolien selon la disponibilité, le coût, l'impact sur l'environnement et les déchets.

Production et transport de l'électricité

Une génératrice produit un courant induit quand une bobine capte une variation de champ magnétique, souvent grâce à un mouvement. Le transformateur multiplie la tension par le rapport des nombres de spires. On transporte l'électricité sous haute tension pour limiter les pertes thermiques.

À connaître

• transformateur : $\frac{U_2}{U_1} = \frac{N_2}{N_1}$
• à puissance égale, $P = U \cdot I$ : tension plus haute, intensité plus faible, moins de pertes

Méthodes

• Courant induit. Il faut une variation de champ magnétique dans la bobine ; plus elle est rapide, plus la tension est grande.
• Transformateur. Rapport des tensions égal au rapport des nombres de spires, en courant alternatif.
• Réseau électrique. Élévation de la tension à la centrale, transport, puis abaissement près des consommateurs.

Exercices types

• Un transformateur a 500 spires au primaire et 25 au secondaire. Branché sur 230 V, quelle tension donne-t-il ?
• Pourquoi élève-t-on la tension à la sortie d'une centrale ? Explique avec un schéma de la ligne.
• Cite deux conditions pour qu'une génératrice produise un courant induit.

Énergie thermique et machines thermiques

La chaleur passe du corps chaud au corps froid par conduction, convection ou rayonnement. Le premier principe relie la variation d'énergie interne à la chaleur et au travail reçus. Une machine thermique ne transforme jamais toute la chaleur en travail : son rendement reste inférieur à celui de Carnot.

À connaître

• premier principe : $\Delta U = Q + W$
• machine thermique, sur un cycle : $W = Q_c - Q_f$ et $\eta = \frac{W}{Q_c}$
• rendement maximal de Carnot : $\eta_\text{max} = 1 - \frac{T_f}{T_c}$, températures en $\mathrm{K}$

Méthodes

• Conduction, convection, rayonnement. Contact, mouvement de matière, ou ondes électromagnétiques sans milieu matériel.
• Premier principe. L'énergie interne varie de la chaleur reçue plus le travail reçu.
• Rendement d'une machine thermique. Une partie de la chaleur est toujours cédée à la source froide ; températures en kelvins pour Carnot.

Exercices types

• À chaque cycle, un moteur reçoit 1000 J de la source chaude et cède 700 J à la source froide. Calcule le travail fourni et le rendement.
• Une centrale fonctionne entre 300 °C et 30 °C. Calcule son rendement maximal.
• Explique les transferts d'énergie dans un réfrigérateur à partir de son schéma.
• Quel mode de transfert de la chaleur limite-t-on avec un double vitrage ? Et avec une couverture de survie ?

Radioactivité et énergie nucléaire

Un noyau contient Z protons et A − Z neutrons ; des isotopes ont le même Z. Les noyaux instables se désintègrent en émettant un rayonnement alpha, bêta ou gamma ; l'activité se mesure en becquerels et la demi-vie se lit sur la courbe de décroissance. La fission d'un noyau lourd libère de l'énergie car les produits ont une masse plus petite : c'est le défaut de masse.

À connaître

• noyau : ${}^{A}_{Z}\mathrm{X}$, avec $A - Z$ neutrons, par exemple ${}^{235}_{92}\mathrm{U}$
• demi-vie $T_{1/2}$ : après chaque $T_{1/2}$, l'activité est divisée par 2 ; activité en $\mathrm{Bq}$
• équivalence masse-énergie : $E = m c^2$ ; énergie libérée : $E = \Delta m \cdot c^2$

Méthodes

• Composition du noyau et isotopes. Z protons, A nucléons ; des isotopes diffèrent par le nombre de neutrons.
• Rayonnements et activité. Alpha, bêta, gamma : pouvoir de pénétration croissant ; activité en becquerels.
• Demi-vie sur un graphique. Durée au bout de laquelle l'activité est divisée par deux, lue sur la courbe.
• Fission et centrale nucléaire. La fission libère l'énergie du défaut de masse ; la chaleur fait tourner une turbine et un alternateur.

Exercices types

• Donne la composition des noyaux de carbone 12 et de carbone 14. Pourquoi sont-ils des isotopes ?
• Sur la courbe de décroissance de l'iode 131, lis la demi-vie. Quelle fraction de l'activité reste après 24 jours ?
• L'activité d'un échantillon de radon passe de 800 Bq à 100 Bq. Combien de demi-vies se sont écoulées ? Avec une demi-vie de 3,8 jours, combien de jours ?
• D'où vient l'énergie libérée dans un réacteur nucléaire ? Décris le trajet de cette énergie jusqu'au réseau électrique.

Autres chapitres de 6e

• Électromagnétisme (partie II)
• Oscillations et ondes
• Matière et énergie
• La Terre et le cosmos

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