Énergie : formes, conversions et chaînes énergétiques
Rappels de 6e (formes d’énergie, énergies stockées ou de transfert, convertisseurs, chaîne énergétique) ; énergie cinétique et de position selon la masse ; réservoir, convertisseur, transfert et conversion ; énergie utile et énergie dissipée dans une chaîne énergétique ; le joule et ses multiples, ordres de grandeur ; conservation de l’énergie, bilan et rendement.
À propos de cette page
Six problèmes sur l’énergie : la lampe frontale d’une randonneuse, l’étiquette d’un paquet de céréales, le moteur d’un portail, une balle de tennis qui rebondit, le freinage récupératif d’une voiture électrique et le bilan d’une centrale nucléaire, avec bilans en joules et rendements.
6 problèmes, du plus simple au plus difficile. Écris tes réponses, puis « Vérifier ».
Résoudre un problème : la méthode
Je repère les objets : le réservoir, le ou les convertisseurs, ce qui reçoit l’énergie à la fin.
Je nomme chaque forme d’énergie et je sépare l’énergie utile de l’énergie dissipée.
Je mets toutes les énergies dans la même unité (J, kJ ou MJ) avant de calculer.
Je calcule avec la conservation : reçue = utile + dissipée (ou + stockée) ; rendement = utile ÷ reçue × 100.
Je vérifie : un rendement est inférieur à 100 % ; la somme des énergies qui sortent ou sont stockées égale l’énergie reçue.
Problème 1 · La lampe frontale★★★Facile
Pour une randonnée de nuit, Inès allume sa lampe frontale, qui fonctionne avec trois piles. La lampe éclaire le chemin et sa coque devient tiède.
1. Quelle forme d’énergie est stockée dans les piles ? Énergie
Les piles sont des réservoirs d’énergie chimique.
2. Sous quelle forme l’énergie est-elle transférée des piles à la lampe ? Énergie
Le courant transfère de l’énergie électrique.
3. La lampe est-elle un réservoir ou un convertisseur ?
Elle change la forme de l’énergie, elle ne la stocke pas : convertisseur.
4. Quelle est l’énergie utile fournie par la lampe ? Énergie
On l’allume pour éclairer : énergie lumineuse.
5. Quelle énergie est dissipée, puisque la coque tiédit ? Énergie
La lampe chauffe un peu : énergie thermique, dissipée dans l’air.
Problème 2 · L’étiquette d’un paquet de céréales★★★Moyen
Sur un paquet de céréales, on lit : « valeur énergétique : 1 600 kJ pour 100 g ». Mathis en verse une portion de 42 g dans son bol. L’apport de référence d’un adulte pour une journée est de 8 400 kJ.
1. Écris 1 600 kJ en joules : J
1 600 × 1 000 = 1 600 000 J.
2. Écris 1 600 kJ en mégajoules : MJ
1 600 ÷ 1 000 = 1,6 MJ.
3. Quelle énergie apporte la portion de 42 g ? kJ
100 g apportent 1 600 kJ, donc 1 g apporte 16 kJ : 16 × 42 = 672 kJ.
4. Quelle part de l’apport de référence (8 400 kJ) cette portion représente-t-elle ? %
672 ÷ 8 400 × 100 = 8 %.
Problème 3 · Le moteur d’un portail★★★Moyen
Pour ouvrir un portail, son moteur, branché sur le réseau électrique, reçoit 6 000 J d’énergie. Le portail reçoit 3 300 J d’énergie cinétique.
1. Dans la chaîne énergétique, quelle forme d’énergie écrit-on sur la flèche entre le réseau et le moteur ? Énergie
Le réseau transfère au moteur de l’énergie électrique.
Le moteur chauffe : énergie thermique, dissipée dans l’air.
4. Quel est le rendement du moteur ? %
3 300 ÷ 6 000 × 100 = 55 %.
Problème 4 · La balle qui rebondit★★★Difficile
Une balle de tennis est lâchée sans vitesse. Au départ, elle possède 1,20 J d’énergie de position (par rapport au sol). Juste avant de toucher le sol, elle possède 1,16 J d’énergie cinétique. Elle rebondit, et au plus haut du rebond elle ne possède plus que 0,66 J d’énergie de position.
1. Pendant la chute, l’énergie de position de la balle est convertie surtout en énergie .
Elle perd de l’altitude et gagne de la vitesse : énergie cinétique.
2. Quelle énergie a été dissipée pendant la chute, par frottement avec l’air ? J
1,20 − 1,16 = 0,04 J.
3. Quelle énergie a été dissipée en tout, du lâcher jusqu’au plus haut du rebond ? J
1,20 − 0,66 = 0,54 J.
4. Pendant le choc, la balle et le sol s’échauffent très légèrement : l’énergie est dissipée surtout sous forme .
L’énergie n’a pas disparu : elle est surtout devenue thermique (et un peu sonore : on entend le choc).
Problème 5 · Le freinage d’une voiture électrique★★★Difficile
Quand une voiture électrique ralentit, son moteur fonctionne « à l’envers » et recharge la batterie : c’est le freinage récupératif. Pendant un ralentissement, la voiture perd 300 kJ d’énergie cinétique et la batterie en stocke 180 kJ.
1. Pendant le freinage, le moteur convertit l’énergie cinétique en énergie .
Il fonctionne comme un alternateur : énergie électrique.
2. La batterie stocke cette énergie sous forme d’énergie .
Une batterie stocke de l’énergie chimique.
3. Quelle énergie n’a pas été récupérée ? kJ
300 − 180 = 120 kJ.
4. Quelle part de l’énergie cinétique a été récupérée ? %
180 ÷ 300 × 100 = 60 %.
5. Sous quelle forme est surtout l’énergie non récupérée ? Énergie
Freins, moteur et pneus chauffent : énergie thermique, dissipée.
Problème 6 · Le bilan d’une centrale nucléaire★★★Difficile
Dans une centrale nucléaire, le réacteur chauffe de l’eau, dont la vapeur fait tourner une turbine reliée à un alternateur. Chaque seconde, le réacteur fournit 3 000 MJ d’énergie thermique et l’alternateur fournit 1 000 MJ d’énergie électrique au réseau.
1. Quelle forme d’énergie, stockée dans le combustible, le réacteur convertit-il en énergie thermique ? Énergie
Le combustible stocke de l’énergie nucléaire (dans le noyau des atomes) : le réacteur la convertit en énergie thermique.
2. Écris 1 000 MJ en kilojoules : kJ
1 000 × 1 000 = 1 000 000 kJ.
3. Quelle énergie thermique est dissipée chaque seconde (dans l’eau du fleuve ou l’air des tours de refroidissement) ? MJ
3 000 − 1 000 = 2 000 MJ : deux tiers de l’énergie thermique.
4. Quel est le rendement de la centrale, arrondi à l’unité ? %
1 000 ÷ 3 000 × 100 ≈ 33 %.
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