M. VERHILLE — Physique-Chimie · 3ème
Objectifs et compétences
Objectifs du chapitre, en lien avec le programme de cycle 4 (BO n° 31 du 30 juillet 2020) :
- Identifier les sources d'énergie renouvelables et non renouvelables
- Décrire une chaîne de conversion d'énergie
- Calculer l'énergie cinétique d'un objet
- Connaître le principe de conservation de l'énergie
Compétences du socle :
- D1.3 : Utiliser la formule Ec = 1/2 × m × v², convertir les unités
- D4 : Systèmes naturels et techniques (centrales, conversions)
- D5 : Enjeux énergétiques (renouvelable vs fossile, contexte réunionnais)
À la fin de ce chapitre, l'élève sait :
I] Sources d'énergie
Énergies non renouvelables (fossiles et fissiles)
- Fossiles : charbon, pétrole, gaz naturel (stocks limités, CO₂)
- Fissiles : uranium (nucléaire)
Énergies renouvelables
| Source | Centrale |
|---|---|
| Soleil | Panneaux solaires, centrale solaire |
| Vent | Éoliennes |
| Eau | Centrale hydroélectrique |
| Biomasse | Bois, biogaz |
| Chaleur terrestre | Géothermie |
Renouvelable ≠ illimitée : l'éolien et le solaire sont intermittents (dépendent du vent/soleil).
Exemple réunionnais — données 2024 : selon l’Observatoire Énergie Réunion (bilan 2024, édition 2025), 92,4 % de l’électricité produite provient de ressources renouvelables locales et importées. Le fioul lourd et le charbon ont été remplacés dans les principales centrales par du biodiesel et des pellets de bois. La bagasse, l’hydraulique (Takamaka, Rivière de l’Est) et le solaire participent aussi au mix. Ce taux de production électrique ne mesure ni l’autonomie énergétique totale de l’île ni la part de ressources locales.
Source datée : OER — chiffres clés 2024, publiés en 2025.
SWAC du CHU Sud : il utilise le froid de l’eau de mer profonde pour la climatisation et réduit ainsi la consommation d’électricité. Il ne produit pas d’électricité : c’est distinct d’une centrale exploitant l’énergie thermique des mers. Principe du SWAC.
Conversions d'énergie électrique
| Appareil | Énergie entrante | Énergie sortante utile | Pertes |
|---|---|---|---|
| Radiateur | Électrique | Thermique (chaleur) | — |
| Perceuse | Électrique | Mécanique (rotation) | Thermique (chaleur) |
II] Chaînes de conversion d'énergie
Diagramme général
Carte simplifiée : les étapes intermédiaires et transferts thermiques ne sont pas tous dessinés. Les chaînes ci-dessous les détaillent pour l’éolienne et l’hydraulique.
| Convertisseur | Énergie entrante | → Énergie électrique |
|---|---|---|
| Centrale hydraulique | Cinétique (eau) | ✓ |
| Hydraulienne | Cinétique (eau) | ✓ |
| Éolienne | Cinétique (vent) | ✓ |
| Cellule photovoltaïque | Solaire (électromagnétique) | ✓ |
| Pile | Chimique | ✓ |
| Centrale nucléaire/thermique | Nucléaire / Chimique | ✓ |
Chaîne éolienne
Énergie cinétique du vent → [pales] → Énergie mécanique → [alternateur] → Énergie électrique (+ pertes thermiques)
Chaîne centrale hydraulique
Énergie potentielle (eau en hauteur) → [conduite forcée] → Énergie cinétique → [turbine+alternateur] → Énergie électrique
III] Énergie cinétique et conservation de l'énergie
Énergie cinétique
L'énergie cinétique est l'énergie que possède un objet en raison de son mouvement. Plus un objet est lourd ou rapide, plus son énergie cinétique est grande.
| Grandeur | Symbole | Unité |
|---|---|---|
| Énergie cinétique | Ec | Joule (J) |
| Masse | m | Kilogramme (kg) |
| Vitesse | v | Mètre par seconde (m/s) |
Attention : la vitesse est au carré → si la vitesse double, l'énergie cinétique est multipliée par 4.
Exemples de calcul
Voiture (m = 1 000 kg) à 50 km/h (13,9 m/s) :
Même voiture à 100 km/h (27,8 m/s) :
La vitesse a doublé → l'énergie cinétique a été multipliée par 4. C'est pourquoi la distance de freinage augmente très vite avec la vitesse.
Sécurité routière
| Vitesse | Ec (voiture 1 000 kg) | Distance de freinage (route sèche) |
|---|---|---|
| 50 km/h | ~97 kJ | ~14 m |
| 90 km/h | ~313 kJ | ~44 m |
| 130 km/h | ~652 kJ | ~93 m |
À La Réunion : les accidents de la route sont la première cause de mortalité chez les jeunes. La route du littoral et les routes sinueuses des Hauts sont particulièrement dangereuses. À 90 km/h sur une route mouillée, la distance de freinage peut dépasser 80 m.
Énergie potentielle de pesanteur (qualitative)
L'énergie potentielle de pesanteur est l'énergie que possède un objet en raison de sa position en hauteur par rapport au sol. Plus un objet est haut et lourd, plus son énergie potentielle est grande.
Exemples : eau en haut d'un barrage, skieur en haut d'une piste, livre sur une étagère.
Conservation de l'énergie
Principe de conservation de l'énergie : l'énergie ne peut être ni créée ni détruite. Elle se transforme d'une forme en une autre. L'énergie totale d'un système isolé reste constante.
Exemple : chute libre
Quand un objet tombe :
- Son énergie potentielle diminue (il descend)
- Son énergie cinétique augmente (il accélère)
- La somme Ep + Ec reste constante (en négligeant les frottements)
Exemple : freinage
Quand une voiture freine :
- Son énergie cinétique diminue (elle ralentit)
- L'énergie est convertie en énergie thermique (échauffement des freins)
- L’énergie totale est conservée ; une partie est transférée en énergie thermique aux freins et à l’environnement. Cette énergie n’est plus disponible pour maintenir le mouvement dans la situation étudiée.
IV] Exercice DNB — Lac de Serre-Ponçon (tâche complexe)
Données : P = 380 MW | Production réelle = 700 000 000 kWh/an | 1 MW = 1 000 kW
Q1. Source renouvelable ? → Oui (hydroélectrique = eau = renouvelable)
Q2. Énergie de l'eau en hauteur ? → Énergie potentielle de pesanteur
Q3. Chaîne énergétique :
| Conversion | |
|---|---|
| Eau en hauteur | → Énergie potentielle de pesanteur |
| Conduite forcée | → Énergie cinétique (+ pertes thermiques par frottement) |
| Turbine | → Énergie mécanique de rotation |
| Alternateur entraîné par la turbine | → Énergie électrique (+ dissipation thermique) |
Q4. La centrale fournit-elle sa puissance nominale toute l’année ? Peut-on en déduire sa durée réelle de fonctionnement ?
Étape 1 : P = 380 MW = 380 000 kW
Étape 2 : 1 an = 365 × 24 = 8 760 h
Étape 3 : Énergie si fonctionnement continu à puissance nominale = P × t = 380 000 × 8 760 = 3 328 800 000 kWh
Étape 4 : 3 328 800 000 >> 700 000 000 kWh réels
Conclusion : elle ne fournit pas sa puissance nominale toute l’année. Le rapport 700 000 000 / 3 328 800 000 ≈ 0,21 donne un facteur de charge d’environ 21 %. Cela correspond à environ 1 842 h équivalentes à pleine puissance, pas à une durée réelle d’activité : une puissance plus faible pendant davantage d’heures donnerait aussi cette production.
Bilan — Ce qu'il faut retenir
| Notion | Définition | Formule |
|---|---|---|
| Énergie cinétique (Ec) | Énergie liée au mouvement d'un objet ; dépend de la masse et du carré de la vitesse | Ec = 1/2 × m × v² |
| Énergie potentielle (Ep) | Énergie liée à la position en hauteur d'un objet | — (qualitative) |
| Conservation de l'énergie | L’énergie totale d’un système isolé se conserve ; l’énergie mécanique seule peut diminuer par dissipation | E_totale = constante pour un système isolé |
| Énergies renouvelables | Sources d'énergie inépuisables à l'échelle humaine : solaire, éolien, hydraulique, biomasse, géothermie | — |
| Énergies fossiles | Sources d'énergie en quantité limitée : charbon, pétrole, gaz naturel ; produisent du CO₂ | — |
| Chaîne énergétique | Diagramme montrant les conversions d'énergie successives dans un système (ex : éolienne, centrale) | — |
Erreurs fréquentes à éviter
- Confondre Ec et Ep : l'énergie cinétique dépend de la vitesse (mouvement), l'énergie potentielle dépend de la hauteur (position).
- Oublier que v est au carré : si la vitesse double, Ec est multipliée par 4 (pas par 2). C'est pourquoi la distance de freinage augmente très vite.
- Croire que l'énergie disparaît : lors d'un freinage, l'énergie cinétique ne disparaît pas — elle est convertie en chaleur (énergie thermique).
- Confondre renouvelable et propre : une énergie renouvelable (biomasse) peut produire du CO₂ ; renouvelable signifie « inépuisable à l'échelle humaine ».
Vidéos complémentaires
🎬 Énergie et ressources : https://www.youtube.com/watch?v=1W8batkuLwc 📺 Chaîne YouTube éducative : https://www.youtube.com/channel/UCytD7WkOvT8W8OipMGPVwPg
Référence : programme de physique-chimie du cycle 4 et ressources ministérielles. Les objectifs et approfondissements de ce chapitre constituent une progression du professeur.
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