I - L'énergie: ses formes, ses effets, ses transformations

(Tableau récapitulatif en fin de page)

Plusieurs expériences nous ont familiarisés avec quelques-unes des différentes formes d'énergie:

l'énergie mécanique: mouvements, forces, pressions, vitesses, déformations...

l'énergie thermique: la chaleur, le froid, les variations de température, les combustions

l'énergie lumineuse: la lumière, le soleil, les appareils d'éclairage

l'énergie électrique: les piles, le secteur, les lampes, les appareils de chauffage, les moteurs...

(Il en existe d'autres.)

D'une manière générale, on appelle énergie la capacité d'un corps à produire un travail mécanique ou à modifier une température.

A/ l'énergie mécanique

Tout ce qui concerne une force, une pression ou une vitesse et tout ce qui produit un mouvement, une déformation, une variation de vitesse, met en jeu de l'énergie mécanique.

Les sources d'énergie mécanique sont variées:

1/ La chute des corps, par exemple les éboulements, la pluie, la grêle, la fonte des neiges et la formation des cours d'eau, l'écoulement des fluides... A l'origine de la chute des corps, il y a la force de gravitation. Tout objet placé en hauteur possède une énergie mécanique potentielle, qui dépend de sa masse et de son altitude.

Expériences:

a/ On laisse rouler une bille sur un plan incliné et on lui fait percuter une bille immobile. On constate que plus la bille part de haut, plus elle procure d'énergie à l'autre bille qui est projetée d'autant plus fort et plus loin.

b/ On a laissé tomber de différentes hauteurs une grosse bille sur une plaque d'argile bien molle, puis on a mesuré le diamètre de chaque empreinte. (L'impact de la bille provoque une déformation, c'est bien d'énergie mécanique dont il est question.) On a constaté que plus la bille tombait de haut, plus l'empreinte était large et profonde. Cela montre que plus on place la bille en hauteur, plus elle a d'énergie.

L'empreinte est mesurée:
On laisse maintenant tomber une masse de 200 g d'une hauteur de 1 m. L'empreinte obtenue est profonde, ce qui est le signe d'un travail mécanique assez important.

Une autre expérience a montré qu'une boule de polystyrène (très légère) tombant de 100 cm (un mètre) ne dégageait pas plus d'énergie que la bille en verre lâchée à seulement 10 cm.

Lors de l'impact d'une météorite sur la surface d'une planète, il y a formation d'un cratère d'autant plus grand que la météorite est massive et rapide. L'énergie du choc est si importante qu'elle fait fondre les roches; une partie de l'énergie mécanique est convertie en chaleur.

2/ L'énergie du vent, des courants et des cours d'eau.

L'atmosphère de la terre est agitée: d'énormes masses d'air sont en mouvement. Les vents sont causés par les différences de température entre les masses d'air, selon leurs conditions d'éclairement, leur altitude ou leur situation. Ainsi, on peut dire que l'énergie du soleil est à l'origine des vents (et même des courants marins), car c'est le soleil qui réchauffe l'air, le sol, les mers et les océans. Il y a donc transformation d'énergie thermique en énergie mécanique.

L'homme a appris à exploiter l'énergie mécanique du vent avec les bateaux à voile, les moulins à vent et les éoliennes.

Avec les barrages, on utilise la force motrice de l'eau pour entraîner une turbine et un alternateur qui produiront de l'électricité:

 

 

3/ l'énergie musculaire

Les aliments que nous consommons nous apportent de l'énergie chimique que notre organisme et nos muscles transforment en énergie mécanique. L'homme a exploité la force musculaire des animaux (ou même des autres hommes avec l'esclavage ) pour travailler à sa place. Toutes les constructions de l'Antiquité jusqu'au 19ème siècle sont dues à la force musculaire animale ou humaine.

4/ l'énergie d'un gaz ou d'un liquide sous pression

La pression, c'est la force qui s'exerce dans un récipient fermé lorsqu'il contient un gaz ou un liquide qui cherche à s'échapper. Par exemple, la pression de la vapeur d'eau soulève le couvercle d'une marmite.

Dans la nature, le volcanisme, les geysers ou le vent sont des exemples de l'action d'une pression. C'est la pression de l'eau au pied des barrages qui fait tourner les turbines. La dilatation des gaz et la vaporisation des liquides font naître des pressions qui peuvent être utilisées pour mouvoir un piston, faire tourner un moteur ou une turbine.

5/ Les moteurs

On peut considérer les moulins à eau ou à vent comme les premiers moteurs. Avec le progrès technique, on a mis au point des moteurs capables de convertir l'énergie thermique en énergie mécanique. Le moteur à vapeur, le moteur Stirling, les moteurs à explosion (essence, gaz ou diesel), les réacteurs d'avions et les propulseurs des fusées sont des moteurs thermiques. Les moteurs thermiques nécessitent la combustion d'un carburant (charbon, dérivés du pétrole, gaz, mélanges réactifs) dont l'énergie chimique est transformée en chaleur. On fait la distinction entre les moteurs thermiques à combustion externe (Stirling: dilatation d'un gaz; vapeur: vaporisation d'eau) et ceux à combustion interne, dans lesquels c'est la détente des gaz de combustion qui fournit une force motrice s'exerçant sur un piston (moteur à explosion), une turbine (réacteur) ou une tuyère (moteur de fusée).

Illustration: la machine à vapeur et le moteur Stirling

Les moteurs électriques convertissent directement l'énergie électrique en force mécanique: des bobinages exercent des forces magnétiques qui font tourner un rotor. Il existe plusieurs types de moteurs électriques:

- Les moteurs à induction utilisent un courant alternatif, c'est à dire un courant qui change de sens plusieurs fois par seconde, créant un "champ tournant".

- Ceux des jouets sont composés d'un rotor à trois bobinages placé entre deux aimants permanents de polarités opposées. Le passage d'un courant continu provoque la rotation des bobines devant les aimants.

 

Bobinage du rotor d'un moteur électrique à aimants permanents.	Quand on applique les fils sur le collecteur, le rotor se met à tourner.

6/ Les explosifs

On les oublie mais ils sont une source très importante d'énergie mécanique, largement utilisée pour les chantiers de grands travaux, les mines, les carrières, mais aussi hélas pour la destruction: canons, bombes, armes en tous genres... Ils tiennent dans l'Histoire une place aussi importante que les énergies fossiles.

Un explosif est un mélange de produits chimiques qui provoque une réaction brutale. Cette réaction dégage dans un temps très court une grande quantité de gaz et de chaleur, il s'en suit une onde de choc très destructrice.

B/ L'énergie thermique: chaleur, froid, combustions, combustibles fossiles... (en attente)

C/ L'énergie lumineuse: les rayonnements solaires et leurs effets, les appareils d'éclairage.

D/ L'énergie électrique: magnétisme, effet Joule, piles, circuits...

L'électricité est un déplacement de charges électriques dans un conducteur. Les fils électriques sont faits de métaux conduisant bien le courant comme le cuivre ou l'aluminium. L'énergie électrique peut être utilisée pour produire de la chaleur, de la lumière et des forces magnétiques; ce sont les trois principaux effets du courant électrique:

- Effet thermique: une résistance traversée par un courant se met à chauffer, de même un fil placé en court-circuit rougit et fond si le courant est assez fort. Cela montre que l'énergie électrique peut être très facilement convertie en chaleur. Le four, le grille-pain, les radiateurs, le séchoir, le fer à repasser... contiennent des résistances chauffantes. C'est le physiscien anglais James Joule (1818-1889) qui a étudié l'effet thermique de l'électricité. (voir la résistance chauffante)

- "Effet" lumineux: dans les lampes à incandescence, il y a un petit filament qui chauffe et qui devient brillant. Il émet une lumière jaune, presque blanche. Ce filament est fait d'un métal qui résiste bien à la chaleur: le tungstène (point de fusion à 3410°C). Ce n'est pas ici un effet direct du courant mais plutôt un effet dérivé... (Voir l'animation sur le filament qui chauffe)

Il existe d'autres façons de produire de la lumière avec l'électricité, comme par exemple les tubes au néon ou les diodes luminescentes.

- Effet magnétique: On a placé une boussole au-dessous d'un fil de cuivre tendu. Quand le courant passe dans le fil, l'aiguille de la boussole dévie; cela indique la présence d'une force magnétique. Le passage d'un courant dans un fil crée un champ magnétique. Si on enroule le fil sur lui-même comme sur une bobine, on remarque que l'effet magnétique est plus important. On réalise des bobinages autour d'un noyau de fer pour obtenir une plus forte aimantation.

bobinage + noyau de fer = électroaimant

On trouve des électroaimants dans les moteurs électriques, les hauts-parleurs, les sonnettes, les klaxons, les ouvre-porte, les transformateurs... etc.

Principales inventions utilisant les électroaimants: télégraphe, dynamo, moteurs, téléphone...

Voir la page: électricité

 

II Produire, transporter, stocker et transformer l'énergie

Transformation d'énergie lumineuse en électricité par la pile solaire

L'énergie lumineuse est convertie en électricité, qui est à son tour transformée en énergie mécanique par le moteur

En plaçant le doigt sur l'arbre du moteur on sent sa force.

Tout ce qui est capable de produire un travail contient de l'énergie. L'énergie se présente sous plusieurs formes et peut être produite par différentes sources.

Il existe des sources d'énergie naturelles et des sources artificielles (= créées par l'Homme)

Le soleil est à l'origine de la plupart des sources d'énergie présentes sur terre: chaleur, lumière, élévation des masses d'eau, vents, courants marins, orages, croissance des végétaux, biomasse, énergies fossiles.

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