Sources, formes et conversions d'énergie
Tu pédales sur ton vélo et la lampe avant s'allume. Pourtant, il n'y a aucune pile dans cette lampe ! D'où vient la lumière ? Dans cette page, tu vas suivre le trajet de l'énergie dans un objet technique, de sa source jusqu'à son utilisation, et tu pourras répondre à cette question.
Les sources d'énergie
Un objet technique ne crée pas d'énergie : il la prend quelque part. Ce « quelque part » est une source d'énergie.
Il y a deux grandes familles :
Associer chaque source d'énergie à sa nature : (a) soleil ; (b) charbon ; (c) vent ; (d) pétrole. Natures : renouvelable ou non renouvelable.
Associer chaque source d'énergie à sa nature : (a) soleil ; (b) charbon ; (c) vent ; (d) pétrole. Natures : renouvelable ou non renouvelable.
Les formes d'énergie
Une même énergie peut prendre plusieurs formes. En 5e, on en retient surtout cinq :
| Forme | Exemple |
|---|---|
| mécanique | une roue qui tourne, un cycliste qui pédale |
| électrique | le courant d'une pile ou de la prise |
| lumineuse | le Soleil, une lampe allumée |
| thermique (chaleur) | un radiateur, des freins qui chauffent |
| chimique | une pile, de l'essence, un repas |
On y ajoute l'énergie sonore (haut-parleur) et l'énergie nucléaire (uranium).
Un objet technique convertit une forme d'énergie en une autre :
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panneau photovoltaïque : lumineuse → électrique ;
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lampe : électrique → lumineuse (et un peu de thermique) ;
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moteur électrique : électrique → mécanique ;
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haut-parleur : électrique → sonore ;
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dynamo : mécanique → électrique.
Associer chaque objet à la conversion d'énergie qu'il réalise : (a) lampe ; (b) moteur électrique ; (c) panneau photovoltaïque ; (d) haut-parleur. Conversions : 1.…
Associer chaque objet à la conversion d'énergie qu'il réalise : (a) lampe ; (b) moteur électrique ; (c) panneau photovoltaïque ; (d) haut-parleur. Conversions : 1. énergie lumineuse en énergie électrique ; 2. énergie électrique en énergie lumineuse ; 3. énergie électrique en énergie mécanique ; 4. énergie électrique en énergie sonore.
La chaîne d'énergie
Dans un objet technique, l'énergie passe par plusieurs blocs, toujours dans le même ordre. C'est la chaîne d'énergie.
| Fonction | Rôle | Exemples |
|---|---|---|
| Alimenter | stocker ou fournir l'énergie | pile, batterie, panneau solaire, prise secteur |
| Distribuer | envoyer l'énergie au bon moment, en bonne quantité | interrupteur, variateur, fils |
| Convertir | changer la forme d'énergie | moteur, lampe, résistance |
| Transmettre | amener l'énergie convertie jusqu'à l'utilisation | roue, courroie, engrenages, réflecteur |
Pour la lampe de poche, la pile est le bloc « alimenter » : elle stocke de l'énergie chimique et la fournit sous forme électrique.
Une chaîne d'énergie comporte quatre fonctions : alimenter, distribuer, convertir, transmettre. Placer ces fonctions dans l'ordre logique, puis donner pour une lampe de…
Une chaîne d'énergie comporte quatre fonctions : alimenter, distribuer, convertir, transmettre. Placer ces fonctions dans l'ordre logique, puis donner pour une lampe de poche : la pile correspond à quelle fonction ?
Représenter par un schéma en blocs (décrit par écrit) la chaîne d'énergie d'une trottinette électrique : batterie, variateur, moteur, roue. Pour chaque bloc, indiquer sa…
Représenter par un schéma en blocs (décrit par écrit) la chaîne d'énergie d'une trottinette électrique : batterie, variateur, moteur, roue. Pour chaque bloc, indiquer sa fonction (alimenter, distribuer, convertir, transmettre) et la forme d'énergie en sortie.
Cas du vélo avec dynamo
Revenons à la question du début. Les jambes du cycliste fournissent de l'énergie mécanique. La dynamo la convertit en énergie électrique. La lampe convertit celle-ci en énergie lumineuse. Il n'y a pas de pile : le cycliste est la source !
Un vélo équipé d'une dynamo allume sa lampe avant. a) Indiquer la forme d'énergie fournie par les jambes du cycliste. b) Indiquer la forme d'énergie produite par la…
Un vélo équipé d'une dynamo allume sa lampe avant.
- a) Indiquer la forme d'énergie fournie par les jambes du cycliste.
- b) Indiquer la forme d'énergie produite par la dynamo.
- c) Indiquer la forme d'énergie utile fournie par la lampe, et nommer la forme d'énergie perdue sous forme de chaleur.
Une lampe solaire de jardin comporte un panneau photovoltaïque, une batterie, un interrupteur crépusculaire et une LED. a) Dessiner (en décrivant les blocs) la chaîne…
Une lampe solaire de jardin comporte un panneau photovoltaïque, une batterie, un interrupteur crépusculaire et une LED.
- a) Dessiner (en décrivant les blocs) la chaîne d'énergie complète en indiquant les formes d'énergie entre chaque bloc.
- b) Expliquer pourquoi la lampe peut éclairer la nuit alors que le panneau ne produit rien.
- c) Citer deux pertes d'énergie dans la chaîne.
Pertes et rendement
Aucune conversion n'est parfaite : une partie de l'énergie part toujours sous forme de chaleur, non utile. Un moteur chauffe, une ampoule aussi.
Un ventilateur de bureau fonctionne avec une prise du secteur. Il reçoit 20 J d'énergie électrique par seconde et fournit 14 J d'énergie mécanique par seconde. a)…
Un ventilateur de bureau fonctionne avec une prise du secteur. Il reçoit 20 J d'énergie électrique par seconde et fournit 14 J d'énergie mécanique par seconde.
- a) Calculer l'énergie perdue par seconde.
- b) Calculer le rendement $\eta = \dfrac{E_{utile}}{E_{reçue}}$ en pourcentage.
- c) Citer sous quelle forme l'énergie est perdue.
Un vélo à assistance électrique a une batterie de 36 V et 10 A·h. Le moteur fournit une puissance utile de 180 W, avec un rendement de 80 %. a) Calculer l'énergie…
Un vélo à assistance électrique a une batterie de 36 V et 10 A·h. Le moteur fournit une puissance utile de 180 W, avec un rendement de 80 %.
- a) Calculer l'énergie stockée dans la batterie en Wh ($E = U \times Q$).
- b) Calculer la puissance électrique absorbée par le moteur.
- c) Calculer la durée de fonctionnement théorique du moteur avec la batterie pleine.
Comparer deux solutions
Pour choisir une source, on regarde sa nature (renouvelable ou non), sa forme d'énergie primaire (rayonnement solaire, énergie nucléaire de l'uranium…), sa chaîne d'énergie et son impact environnemental.
| Solution | Énergie primaire | Nature |
|---|---|---|
| Panneaux solaires thermiques | rayonnement du Soleil | renouvelable |
| Électricité du réseau en France | en grande partie nucléaire (uranium), aussi hydraulique, éolien, gaz | mixte : surtout non renouvelable (uranium) |
Une bonne réponse argumentée donne un choix, des raisons et une limite. Par exemple : le solaire thermique émet peu de CO₂ en fonctionnement, mais il dépend de l'ensoleillement et son efficacité est plus faible en hiver, donc il faut souvent un appoint.
Une famille de Lyon compare deux sources pour alimenter un chauffe-eau : électricité du réseau (en partie nucléaire) et panneaux solaires thermiques. a) Classer ces…
Une famille de Lyon compare deux sources pour alimenter un chauffe-eau : électricité du réseau (en partie nucléaire) et panneaux solaires thermiques.
- a) Classer ces sources en renouvelable ou non renouvelable en justifiant, et nommer la forme d'énergie primaire de chacune.
- b) Écrire la chaîne d'énergie de chaque solution.
- c) Argumenter laquelle présente le plus faible impact environnemental, en indiquant une limite de ta réponse.
Retour au début : le vélo allume sa lampe parce que la dynamo convertit l'énergie mécanique des jambes en énergie électrique.
L'essentiel
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Une source d'énergie est renouvelable (soleil, vent, eau) ou non renouvelable (charbon, pétrole, gaz, uranium).
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L'énergie existe sous plusieurs formes (mécanique, électrique, lumineuse, thermique, chimique, sonore) et les objets techniques les convertissent.
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La chaîne d'énergie suit l'ordre : alimenter → distribuer → convertir → transmettre.
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Il y a toujours des pertes, surtout en chaleur : $E_{reçue} = E_{utile} + E_{perdue}$.
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Le rendement vaut $\eta = \dfrac{E_{utile}}{E_{reçue}}$ ; il est inférieur à 100 %.