Transformations d’énergies

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1 Transformations d’énergies

2 I : L’énergie électrique :

3 Transformation de l'énergie électrique en énergie thermique : l’effet Joule
L'effet Joule est la manifestation thermique de la résistance électrique. Il se produit lors du passage d'un courant électrique dans tout matériau conducteur, à l'exception des supraconducteurs qui nécessitent cependant des conditions particulières. L'effet porte le nom du physicien anglais James Prescott Joule qui l'a étudié vers 1860. Se traduit par la relation: W l’énergie dissipé par ce dipôle en Joules (J) Avec t1 et t2 les deux moments auxquels nous calculons W, exprimés en secondes (s) R la résistance de ce même dipôle en ohms i le courant en ampère (A)

4 Les applications: 1 ) Chauffage : -radiateur - four -plaque de cuisson -sèche-cheveux -grille-pain 2) Éclairage : Les ampoules à incandescence

5 Transformation de l'énergie électrique en énergie rayonnante : L’électroluminescence.
L’électroluminescence: L'électroluminescence (EL) est un phénomène optique et électrique durant lequel un matériau émet de la lumière en réponse à un courant électrique qui le traverse, ou à un fort champ électrique. Cela est à distinguer de l'émission de lumière en raison de la température (incandescence) ou de l'action des produits chimiques (chimiluminescence). Application: -rétro-éclairage pour les affichages à cristaux liquides (tableau de bord, les montres, thermostats etc…) -DEL - les lampes électroluminescentes -décorations sur des objets de tous les jours.

6 Avantage: - Faible consommation - Sécurité d'un fonctionnement en basse tension. - Chauffent proportionnellement moins que l'incandescence en raison du meilleur rendement. -Peut produire une grande variété de couleurs Inconvénients: -Le prix

7 Transformation de l'énergie électrique en énergie chimique : l’électrolyse
L'électrolyse est un processus d'échange au cours du quel l'énergie électrique est transformée en énergie chimique. La réaction a lieu dans une solution d'eau salée: l'électrolyte. Les ions doivent pouvoir circuler librement dans l'eau pour passer d'une électrode à l'autre. Les deux électrodes sont reliées par l'électrolyte et par un générateur de courant électrique.

8 Application: - Préparer et purifier des métaux et non-métaux. - Protection contre la corrosion ou de la conservation d'anciens objets (en archéologie notamment) - Création de piles.

9 Les moteurs électriques
Le principe de fonctionnement :

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11 On distingue deux types de moteurs :
-les moteurs synchrones : leur vitesse de rotation est proportionnelle à la fréquence des courants qui les traversent -les moteurs asynchrones : sont des machines à courant alternatif sans connexion entre le stator et le rotor, qui plus est, la vitesse de rotation n’est pas forcément proportionnelle à la fréquence des courant qui les traversent, d’où le nom.

12 Comme les machines électriques sont réversibles, un moteur peut devenir générateur. Dans ce cas il sera de type synchrone et sera alors appelé dynamo ou alternateur.

13 Transformation de l'énergie électrique en énergie mécanique : piézo-électricité
La piézoélectricité (du grec piézein presser, appuyer) est la propriété que possèdent certains corps de se polariser électriquement sous l’action d’une contrainte mécanique et réciproquement de se déformer lorsqu’on leur applique un champ électrique. Les deux effets sont indissociables. Le premier est appelé effet piézoélectrique direct ; le second effet piézoélectrique inverse.

14 Application: - Allume-gaz - Capteurs ( pression, microbalance…) - Actionneurs (injecteurs à commande piézoélectrique en automobile, nano manipulateurs, platines de translations, deflecteur acousto-optique…) Matériaux : - Quartz - Topaze - Tourmaline - Berlinite (AlPO4) - L'arséniate de gallium

15 II) L’énergie Hydraulique :

16 Transformation de l'énergie hydraulique en énergie mécanique : les turbines hydrauliques
Définition: Energie Hydraulique: L'énergie hydraulique est l'énergie fournie par le mouvement de l'eau, sous toutes ses formes, chute, cours d'eau, marée. Ce mouvement peut être utilisé directement, par exemple avec un moulin à eau, ou plus couramment être converti, par exemple en énergie électrique dans une centrale hydroélectrique. L'énergie hydraulique est en fait cinétique dans le cas des marées et cours d'eau, et potentielle dans le cas des chutes.

17 Située en aval d'un barrage hydroélectrique, cette turbine est actionnée par l'écoulement de l'eau et actionne un alternateur qui produit de l'électricité. Elle peut utiliser principalement la pression de l'eau, type Francis ; la vitesse de l'eau type Pelton ; ou encore un gros débit (type groupe Bulbe ou Kaplan).

18 Application: Dans une machine hydraulique, l'huile mise sous pression par une pompe et injectée dans un récepteur hydraulique, Moteur hydraulique ou vérin pousse une lourde charge en exerçant une force qui peut atteindre plusieurs tonnes Une centrale hydroélectrique utilise l'énergie de la hauteur de chute et du débit d'un cours d'eau Une centrale marémotrice utilise l'énergie des marées, l'énergie des vagues et l'énergie des courants marins

19 III) Energie Mécanique :

20 Définition : L’énergie mécanique est une quantité utilisée en mécanique classique pour désigner l’énergie d’un système emmagasinée sous forme d’énergie potentielle mécanique. L'énergie mécanique s'exprime généralement : Em = Ec + Ep Où Ec est l’énergie cinétique, Ep l’énergie potentielle et Em l’énergie mécanique.

21 Transformation de l'énergie mécanique en énergie hydraulique : pompes
Une pompe est un dispositif permettant d'aspirer et de refouler un fluide. Les Romains en avaient jeté le principe et mené les premières applications, mais les pompes modernes ont été développées à partir du XVIIIe siècle.

22 Transformation de l'énergie mécanique en énergie électrique : éolienne.
Une éolienne est un dispositif qui utilise la force motrice du vent. Cette force peut être utilisée mécaniquement (dans le cas d'une éolienne de pompage), ou pour produire de l'électricité (dans le cas d'un aérogénérateur).

23 Avantages: - Il s’agit d’une forme d’énergie indéfiniment durable et propre. - Elle ne nécessite aucun carburant. - Une éolienne est en grande partie recyclable car construite en acier. Après son temps de fonctionnement (environ 20 ans), elle est entièrement démontable. Inconvénients: - L'électricité éolienne est une énergie intermittente. - La nuisance sonore. - Perturbation des ondes hertziennes. - Pollution visuelle.

24 Transformation de l'énergie mécanique en énergie thermique : frottements, chocs :
Les frottements sont des interactions qui s'opposent à la persistance d'un mouvement relatif entre deux systèmes en contact. Applications: - freinage -le sciage - le polissage - le lavage Les frottements ont cela dit des conséquences fâcheuses (usure, perte d'énergie et de rendement, échauffement, etc.) pour de nombreuses applications technologiques.

25 Les chocs : Il y a choc mécanique lorsqu'une force, une position, une vitesse ou une accélération est brusquement modifiée et que cela crée des régimes transitoires dans le système considéré. Les types de chocs sont très variés : collisions, percussions, chutes (lors des manutentions), secousses (notamment lors d'un transport), ondes de choc (liées aux explosions ou aux séismes), etc. Applications: -pare-chocs -d'amortisseurs et suspensions.

26 IV) L’énergie chimique :

27 Lorsque deux atomes s'unissent pour former une molécule, la liaison chimique créée stabilise le système : ceci se traduit par une libération d'énergie, généralement sous forme de chaleur. A l'inverse, pour rompre la liaison qui unit deux atomes dans une molécule, il faut fournir de l'énergie à cette molécule. Un processus qui libère globalement de l'énergie est dit exothermique tandis que celui qui en consomme est dit endothermique. Les réactions de combustion sont donc de toute évidence exothermiques.

28 Transformation de l'énergie chimique en énergie mécanique : les explosions.
Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un volume plus grand, généralement sous forme de gaz. Plus cette transformation s'effectue rapidement, plus la matière résultante se trouve en surpression ; en se détendant jusqu'à l'équilibre avec la pression atmosphérique, elle crée un souffle déflagrant ou détonant, selon sa vitesse. Application : -On utilise la détente des gaz pour produire un travail dans les moteurs à explosion (déflagration) ou les moteurs à réaction. - On utilise aussi les propriétés de transformation hyper rapide de certains matériaux pour fabriquer des explosifs à des fins de génie civil, génie militaire ou pour fabriquer des munitions et des armes.

29 V) L’énergie rayonnante :

30 Transformation de l'énergie rayonnante en énergie chimique : photochimie
La photochimie concerne l'intervention de la lumière ( au sens large, de l'infrarouge aux ultra-violets ) dans une réaction chimique. Applications: - Photosynthèse - La vision - Tous les photorécepteurs.

31 Transformation de l'énergie rayonnante en énergie électrique : les cellules photovoltaïques.
Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière, génère de l'électricité. C'est l'effet photovoltaïque qui est à l'origine du phénomène. Le courant obtenu est fonction de la lumière incidente. L'électricité produite est fonction de l'éclairement, la cellule photovoltaïque produit un courant continu. Applications: - parfois utilisées seules (éclairage de jardin, calculatrice, ...) - panneaux solaires photovoltaïques

32 - Coûts de fonctionnement sont très faibles
Avantages: - Haute fiabilité - Coûts de fonctionnement sont très faibles - ne nécessitent ni combustible, ni transport, ni personnel spécialisé (dans le cas des panneaux solaires) - Non polluant - Silencieux Inconvénients: - Rendement - Lorsque le stockage de l'énergie électrique sous forme chimique (batterie) est nécessaire, le coût du générateur photovoltaïque est accru

33 Transformation de l'énergie rayonnante en énergie thermique : capteurs solaire thermique
Le capteur solaire thermique (ou capteur héliothermique) est un dispositif conçu pour recueillir l'énergie provenant du soleil et la transmettre à un fluide caloporteur.

34 Applications: -Chauffage et eau chaude combinés. -Eau chaude solaire. -Chauffage solaire. -Plancher solaire direct -Climatisation solaire. -Electricité solaire.

35 VI) L’énergie nucléaire :

36 Le terme d’énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :
Au niveau microscopique, l’énergie nucléaire est l’énergie associée à la force de cohésion des nucléons, la force nucléaire forte (protons et neutrons) au sein du noyau des atomes. Les transformations du noyau libérant cette énergie sont appelées réactions nucléaires. La force nucléaire faible, elle, régit les réactions entre particules et neutrinos ; Au niveau macroscopique, l’énergie nucléaire correspond, d’une part à l’énergie libérée par les réactions de fusion nucléaire au sein des étoiles, d’autre part aux usages civils et militaires de l’énergie libérée lors des réactions de fission ou de fusion du noyau atomique.

37 Transformation de l'énergie nucléaire en énergie thermique : les réacteurs nucléaires
Un réacteur nucléaire est un dispositif dans lequel une réaction en chaîne peut être initiée, modérée et contrôlée (par l'Homme ou par la nature, comme dans le cas d'un réacteur nucléaire naturel contrairement à une bombe atomique, pour laquelle la réaction en chaîne se produit en une fraction de seconde). Applications: - La production de chaleur - La production de plutonium à usage civil (combustible MOX) ou militaire (bombe atomique). - Production d'électricité la propulsion nucléaire navale de navires, militaires (sous-marins nucléaires, porte-avions…) ou civils (brise-glace) - la propulsion nucléaire navale de navires, militaires (sous-marins nucléaires, porte-avions…) ou civils (brise-glace)

38 Avantage : - Les ressources naturelles de la planète (gaz, charbon, pétrole notamment) étant de plus en plus rare, le nucléaire permet d'économiser ces ressources. - coût de fonctionnement globalement moins cher que les centrales à combustibles classiques. - Contrairement aux centrales thermiques classiques, les centrales nucléaires ne rejettent pas de CO2.) . Inconvénients: - dangereux: l'installation d'une centrale nucléaire nécessite des précautions énormes et coûte très cher; on ne peut pas être sûr d'une sécurité absolue. - Les déchets radioactifs. - Il risque de proliférer à des fins militaires.

39 VII) L’énergie Thermique :

40 Transformation de l'énergie thermique en énergie rayonnante : l’incandescence
L'incandescence est une émission de lumière due à la chaleur. En effet, tous corps chauffé émet dans le spectre visible à partir d'une certaine température ; on parle de « rayonnement du corps noir ». On parle d'incandescence : - Dans le cas d'une combustion lente : charbon, cigarette ; - Dans le cas des ampoules électriques.

41 Transformation de l'énergie thermique en énergie électrique :
L'effet thermoélectrique est un phénomène physique présent dans certains matériaux : il y lie le flux de chaleur qui les traverse au courant électrique qui les parcourt. Application: - Réfrigérateurs alimentaires de petite taille (par exemple de voiture). - Refroidissement des solutions dans les laboratoires d'analyses biologiques et médicales. - Containers utilisés pour le transport d’organes à transplanter . - Les systèmes de guidage laser (contraintes vis-à-vis des vibrations). - Système de refroidissement des caméras d'astronomie - Refroidissement des microprocesseurs sur-cadencés, afin de limiter leur température. - Application militaire et Aérospatiale.

42 Les moteurs thermiques
Aussi appelés « moteurs à combustion interne », ces moteurs fonctionnent grâce à la combustion réalisée avec le mélange air/carburant. Cette combustion génère une augmentation rapide du volume des gaz dans le cylindre ce qui entraîne le piston. (Voir l’exposé de Matthieu et de Gaëtan)

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