Le concept d’énergie © https://www.ponts.org/media/event/2015150439_ene.jpg Isabelle Tarride IA-IPR.

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1 Le concept d’énergie © Isabelle Tarride IA-IPR

2 L’énergie au cycle 3 Isabelle Tarride IA-IPR

3 Définitions du mot énergie
L’énergie, c’est … Énergie Puissance physique de quelqu'un, qui lui permet d'agir et de réagir . Être sans énergie à la fin de la journée Dictionnaire Larrousse Énergie « Puissance physique » Volonté tendue vers une action déterminée ; puissance, vigueur, force morale. L'énergie du désespoir Dictionnaire Larrousse Énergie « Force mentale » Grandeur caractérisant un système physique, gardant la même valeur au cours de toutes les transformations internes du système (loi de conservation) et exprimant sa capacité à modifier l'état d'autres systèmes avec lesquels il entre en interaction. Énergie « En sciences » Impossible de formuler une définition simple. De nombreuses définitions font appel à des grandeurs du type : force et puissance… ce n’est pas satisfaisant. En physique l’énergie ne peut être définie directement, on la définit par ses effets (capacité de modifier l’état…) et par ses propriétés (se conserve) Isabelle Tarride IA-IPR

4 L’énergie ce n’est pas….
Une force modélise une action. Action de contact : pousser, tirer, tenir, retenir… ou action à distance : attirer, repousser… La force s’exprime en Newton (N) La puissance caractérise la vitesse d’un transfert d’énergie. Elle s’exprime en Watt (W). C’est l’énergie transférée en 1 seconde. L’énergie est un concept abstrait, formel. Difficile à concevoir. Sa présence est attestée par des changements mais pas mesurable directement. De la température Une puissance Une force La Température est une grandeur caractéristique de l’agitation microscopique d’un système. S’exprime en degrés Celsius ou kelvin. L’énergie est un concept abstrait, formel. Difficile à concevoir. Sa présence est attestée par des changements mais pas mesurable directement. Or on sait plus facilement manipuler des concepts formels quand ils sont mesurables ex : masse, volume… (on peut les ordonner, trier…). La pensée cherche à se faire une image concrète (matérialiser les objets abstraits, anthropomorphiser). Force = modélisation d’une action (action de contact : pousser, tirer, tenir, retenir… ou action à distance : attirer, repousser… gravitation, électrostatique, magnétique). On représente une force par une flèche. La valeur de la force s’exprime en Newton. Puissance = caractérise la vitesse de transfert d’énergie = énergie transférée en 1 seconde P = E/t. La puissance s’exprime en Watt Température = grandeur caractéristique de l’agitation microscopique d’un système S’exprime en degrés Celsius ou kelvin. L’énergie est une grandeur qui s’exprime en Joule dans le SI. Cette unité est homogène à des W s ou à des N m L’énergie s’exprime en Joule Isabelle Tarride IA-IPR

5 Qu’est-ce que l’énergie ?
Perspective socio-économique et environnementale Entité (substance, denrée…) qui peut être produite, stockée, transportée et consommée… Perspective scientifique Grandeur relative à un système qui se conserve si le système est isolé. Double discours qui peut générer des confusions et devenir un obstacle à l’appropriation du concept scientifique d’énergie Isabelle Tarride IA-IPR

6 Le point de vue scientifique
Qu’est-ce que l’énergie ? Le point de vue scientifique À tout système dans un état donné on peut associer une grandeur appelée énergie. Système Énergie E1 Énergie E2 Énergie E3 Système d’énergie E Système d’énergie E’ Si l’on est capable d’évaluer les transferts d’énergie, on peut connaître la variation d’énergie du système. État initial État final La variation de l’énergie du système = somme des énergies reçues  somme des énergies cédées E’ – E = E1  ( E2 + E3) Isabelle Tarride IA-IPR

7 Le point de vue scientifique
Qu’est-ce que l’énergie ? Le point de vue scientifique Un système isolé n’échange pas d’énergie avec l’extérieur. L’ énergie d’un système isolé se conserve. Système d’énergie E Système d’énergie E’ A l’intérieur du système, des sous-systèmes peuvent échanger de l’énergie. Tout ce qui est perdu par les uns est gagné par les autres. E’ = E État initial État final Isabelle Tarride IA-IPR

8 Formes et sources d’énergie
L’énergie se présente sous de nombreuses formes et provient de diverses sources. Isabelle Tarride IA-IPR

9 Les formes de l’énergie
Stockée dans les objets, les molécules, les atomes, l’énergie se manifeste de multiples façons. Mais qu’elle soit mécanique, cinétique, énergie thermique des mers, chimique, rayonnante ou encore nucléaire, elle peut toujours se convertir d’une forme à une autre.    Énergie musculaire Énergie électrique Énergie thermique Énergie éolienne Énergie solaire et nucléaire Énergie mécanique Énergie thermique Énergie cinétique Énergie chimique Énergie rayonnante Énergie nucléaire l’Association des entreprises électriques suisses (AES).  Provoque un mouvement Tentons d’y voir clair… Provoque de la chaleur Énergie solaire Énergie éolienne Provoque de la lumière Énergie hydraulique Énergie de la biomasse Énergie géothermique Énergie marine Énergie éolienne Énergie solaire Énergie hydraulique Énergie musculaire Énergie fossile Énergie de la biomasse Isabelle Tarride IA-IPR Énergie marine Énergie géothermique Énergie nucléaire

10 Les formes de l’énergie
Énergie musculaire Énergie électrique Énergie thermique Énergie éolienne Énergie solaire et nucléaire Énergie mécanique Énergie thermique Énergie cinétique Énergie chimique Énergie rayonnante Énergie nucléaire Comment classer ? Provoque un mouvement Provoque de la chaleur Énergie solaire Énergie éolienne Provoque de la lumière Énergie hydraulique Énergie de la biomasse Énergie géothermique Énergie marine Énergie éolienne Énergie solaire Énergie hydraulique Énergie musculaire Énergie fossile Énergie de la biomasse Énergie marine Énergie géothermique Isabelle Tarride IA-IPR Énergie nucléaire

11 Les formes de l’énergie
Énergie musculaire Énergie électrique Énergie thermique Énergie éolienne Énergie solaire et nucléaire Énergie mécanique Énergie thermique Énergie cinétique Énergie chimique Énergie rayonnante Énergie nucléaire Provoque un mouvement Une première tentative de classement – Les grandes familles qui se dégagent sont associées à des phénomènes physiques. Mais peut-on les distinguer si facilement ? Par exemple : l’énergie chimique permet de produire de l’énergie thermique (chaleur), de la lumière (feu), des mouvements (explosions)… Provoque de la chaleur Énergie solaire Énergie éolienne Provoque de la lumière Énergie hydraulique Énergie de la biomasse Énergie géothermique Énergie marine Énergie éolienne Énergie solaire Énergie hydraulique Énergie musculaire Énergie fossile Énergie de la biomasse Énergie marine Énergie géothermique Isabelle Tarride IA-IPR Énergie nucléaire

12 Les formes de l’énergie
Énergie thermique Énergie liée à la « chaleur ». Elle correspond à de l’agitation microscopique. Énergie mécanique Énergie liée à la position ou au mouvement des objets macroscopiques. Énergie lumineuse Énergie transportée par les ondes électromagnétiques. Énergie électromagnétique Énergie contenue dans la matière Énergie liée à des interactions dans la matière : liaisons entre atomes dans les molécules, liaisons entre nucléons dans les noyaux atomiques. L’énergie liée à des déplacements de charges électriques.

13 Les formes de l’énergie
Énergie thermique Énergie liée à la « chaleur ». Elle correspond à de l’agitation microscopique. Énergie mécanique Énergie thermique Énergie liée à la position ou au mouvement des objets macroscopiques. Énergie liée à la position ou au mouvement. Un classement difficile Énergie électromagnétique Énergie contenue dans la matière Énergie liée à des interactions dans la matière : liaisons entre atomes dans les molécules, liaisons entre nucléons dans les noyaux atomiques. L’énergie liée à des déplacements de charges électriques, transportée par les ondes électromagnétiques.

14 Les formes de l’énergie que dire au cycle 3 ?
Énergie mécanique Énergie thermique Énergie liée à la position ou au mouvement. X X Un classement difficile Énergie électromagnétique Énergie contenue dans la matière Énergie liée à des interactions dans la matière : liaisons entre atomes dans les molécules, liaisons entre nucléons dans les noyaux atomiques. L’énergie liée à des déplacements de charges électriques, transportée par les ondes électromagnétiques. Énergie électrique Énergie chimique Énergie lumineuse Énergie nucléaire

15 Les formes de l’énergie que dire au cycle 3 ?
Énergie mécanique Énergie thermique Énergie chimique Énergie nucléaire Énergie lumineuse Énergie électrique Isabelle Tarride IA-IPR

16 Les sources de l’énergie
Certaines formes d’énergie se stockent d’autres ne se stockent pas. X Énergie cinétique Énergie mécanique Énergie thermique Énergie de position Énergie chimique Énergie nucléaire Énergie lumineuse Énergie électrique Les formes d’énergie qui se stockent Celles qui ne se stockent pas Les formes d’énergie qui se stockent sont celles qui constituent les sources d’énergie Isabelle Tarride IA-IPR

17 Une nuance entre sources et transferts d’énergie
Les formes d’énergie qui ne se stockent pas sont des modes de transfert de l’énergie d’un système à un autre. Transfert électrique (lorsqu'il y a de l'électricité) ; Transfert thermique (ou transfert par chaleur) ; Transfert par rayonnement (cas particulier : la lumière) ; Transfert d’énergie cinétique (lorsqu'il y a une variation de vitesse) En toute rigueur. Il faudrait proscrire l’expression « l’énergie électrique » ! L’énergie stockée dans un condensateur est une énergie électrostatique. Piles et accumulateurs sont des réservoirs d’énergie chimique ! En physique , s’il y a bien de l’énergie dans les conducteurs électriques, l’électricité n’est qu’un mode de transfert de l’énergie. On peut faire le même raisonnement pour « l’énergie lumineuse » non stockable mais seulement transférée et pour l’énergie thermique (chaleur). ur, on ne devrait pas parler d’énergie électrique, rayonnante ou thermique Isabelle Tarride IA-IPR

18 Conversions et transferts
L’énergie se transfère d’un système à un autre, ou se convertit d’une forme en une autre Idem dans la lampe : conversion d’énergie électrique en énergies lumineuse et thermiques Transfert d’énergie par rayonnement entre le Soleil et la Terre. Conversion d’énergie dans une pile en fonctionnement, l’énergie chimique est convertie en énergie électrique Dans tous les cas l’énergie totale d’un système isolé est conservée. Isabelle Tarride IA-IPR

19 Conversions et transferts
On schématise les conversions et transferts d’énergie par des chaînes énergétiques. Énergie rayonnante Soleil Réservoir d’énergie nucléaire Terre Énergie rayonnante Énergie thermique L’énergie rayonnante issue du soleil contient de la lumière visible. La Terre rayonne dans l’IR Isabelle Tarride IA-IPR

20 Conversions et transferts
On schématise les conversions et transferts d’énergie par des chaînes énergétiques. Énergie rayonnante Pile Réservoir d’énergie chimique Lampe Énergie électrique Énergie thermique L’énergie rayonnante issue du soleil contient de la lumière visible. La Terre rayonne dans l’IR Énergie thermique Isabelle Tarride IA-IPR

21 Conversions et transferts
Ce qui est facilement mesurable, c’est le transfert d’énergie. Formes de transferts d’énergie Travail mécanique E = FDL Transfert d’énergie cinétique E = ½ mDv² Transfert d’énergie potentielle de pesanteur E = mgDh Énergie thermique E = mcDT Énergie électrique E = PDt = UIDt Énergie rayonnante E = hc/l Isabelle Tarride IA-IPR

22 Conversions et transferts
1/4,184 calories Dans le système international d’unités, l’énergie se mesure en Joule (J) Que représente 1 Joule ? L’énergie perdue par une masse de 100g qui tombe de 1 m L’énergie consommée par une lampe de 25W en 40 ms 1 calorie = quantité d'énergie nécessaire pour élever la température d'un gramme d'eau liquide de 1 °C L’énergie d’une masse de 2 kg se déplaçant à 1 m/s (3,6 km/h) Isabelle Tarride IA-IPR

23 Sources d’énergie – Ressources énergétiques
Énergie de position Énergie chimique Reconnaissez-vous les formes d’énergie stockées ? Énergie nucléaire Isabelle Tarride IA-IPR

24 Sources d’énergie – Ressources énergétiques
Les ressources renouvelables sont exploitables sans limite de durée à l’échelle humaine. Isabelle Tarride IA-IPR

25 Sources d’énergie – Ressources énergétiques
Toutes les autres sont des ressources non renouvelables. Au rythme actuel de la consommation, les ressources connues seront épuisées dans quelques dizaines d’années. Isabelle Tarride IA-IPR

26 Quelques obstacles didactiques
L’énergie est reconnue lorsqu'il y a un effet perceptible (changement visible, lumière, échauffement, mouvement…). Les énergies potentielles (liaisons chimiques, énergie potentielle de pesanteur…) ne sont pas reconnues . L’énergie chimique est reconnue s’il y a réaction, l’énergie potentielle de pesanteur est associée à l’existence d’une chute. L'énergie est parfois conçue comme quelque chose de présent et d'actif pendant un certain temps, puis qui disparaît. Pour rendre compte de la conservation de l’énergie, les élèves et les étudiants rencontrent des difficultés tant pour le choix du système isolé que pour l’écriture du bilan. La perte ou le gain d’énergie d’un système non isolé n’est pas associée à la conservation de l’énergie d’un système plus large. On note la confusions entre chaleur, température, chaleur et source de chaleur et la croyance en l’existence autonome du "chaud" et du "froid ". La température est souvent considérée comme une caractéristique du matériau (les métaux, la faïence sont froids par nature, la laine est chaude, la glace est toujours à 0°C etc.). La chaleur est souvent considérée comme l'unique cause du changement de température. Entendre par « Chaleur » transfert d’énergie thermique. Ainsi, interrogés afin de savoir s’il était normal d’attribuer de l’énergie au butane contenu dans une bouteille, les élèves ne répondent par l’affirmative que s’il y a combustion du gaz. Isabelle Tarride IA-IPR

27 Merci pour votre attention