Thème 4 : Activités humaines et besoin en énergie (Physique - Chimie) : fiche complète

Introduction :

Depuis la révolution industrielle, les besoins énergétiques de l'Homme deviennent de plus en plus importants. Aujourd'hui, l'énergie la plus utilisée à l'échelle mondiale est l'énergie fossile, qui représente 80% des emplois énergétiques mondiaux.

Révolution industrielle : période historique qui marque le passage d'une société essentiellement agricole et artisanale à une société à dominante commerciale et industrielle. Le terme est employé pour la première fois en 1837. En France, la révolution industrielle s'installe et progresse durant tout le XIXème siècle.

Énergie fossile : énergie résultant de la décomposition très lente et progressive d'organismes vivant au sein des sols. En raison de la lenteur du processus, ces énergies sont dites non renouvelables. De plus, leur combustion induit une production de dioxyde de carbone importante qui va renforcer l'effet de serre. On retrouve dans cette catégorie d'énergie le pétrole, le charbon ou encore le gaz.

Mixe énergétique : désigne l'ensemble des sources d'énergie utilisées dans une zone géographique donnée (à l'échelle du monde, du pays, voire d'une région).

En raison du faible renouvellement de l'énergie fossile et de la pollution qu'elle occasionne, il faut réussir à trouver certaines alternatives plus respectueuses de l'environnement et surtout davantage renouvelables. De plus, il faut parvenir à répondre aux besoins énergétiques croissants de l'activité humaine qui ne font que s'accroître.

I - Puissance et énergie :



Objectif : être capable de calculer la dépense énergétique en appliquant une formule donnée, tout en sachant la retourner de manière à calculer la durée de fonctionnement ou la puissance.

- Il existe une relation entre l'énergie E qui correspond à la dépense énergétique d'un appareil et la puissance P :

Note : on peut calculer l'énergie en joule (J) : dès lors E s'exprime en joule (J) ; P s'exprime en watt (W) ; T s'exprime en secondes (s).

Exemple d'application :

Un appareil consomme 1200 W en l'espace de 30 minutes. Calculer sa dépense énergétique E.

Méthode 1 :
- Pour calculer E en kWh, il faut déjà procéder à une conversion : comme 1200 W = 1,2 kW et que 30 min = 0.5 h, on a :
E = P x T
E = 1,2 x 0.5
E = 0,6
Donc l'énergie E dépensée par l'appareil équivaut à 0,6 kWh sur l'espace d'une demi-heure de fonctionnement.

Méthode 2 :
Pour calculer E en J, il faut procéder à une conversion : comme 30 min = 60 x 30 = 1800 s, on a :
E = P x T
E = 1200 x 1800
E = 2 160 000
Donc l'énergie E dépensée par l'appareil équivaut à 2 160 000 J sur l'espace d'une demi-heure de fonctionnement.

II - Production d'énergie :



A/ Centrales thermiques à combustible fossile ou à flamme :



Source : introuvable, réutilisée ici : https://phossiles.webnode.fr/fossiles/

Fonctionnement :

1) Combustion réalisée à partir d'énergie fossile dans la chaudière, dégageant une grande quantité de chaleur qui chauffe l'eau de la chaudière.
2) Cette eau chauffée à très haute température est ainsi transformée en vapeur d'eau.
3) Cette vapeur sous pression fait tourner une turbine (second compartiment) qui est elle-même rattachée à un alternateur qui va produire de l'électricité.
4) Vapeur refroidie, transformation en eau renvoyée alors dans la chaudière : cela crée un boucle.

Combustion : réaction chimique exothermique entre un combustible et un comburant.

Schéma de la chaîne énergétique correspondant aux transformations d'énergie ayant lieu dans la centrale thermique à flamme :


Source : https://www.annabac.com/annales-bac/la-centrale-charbon

B/ Centrales thermiques à combustible nucléaire :



Source : introuvable, réutilisée ici : http://physique.vije.net/BTS/index.php?page=energie6

Fonctionnement :

1) L'énergie est fournie par un réacteur nucléaire (et non plus par combustion d'énergie fossile) fonctionnant avec le l'uranium 235 ou du plutonium 239. Il ne s'agit pas là de combustion, mais de fission.
Fission nucléaire :impact entre un neutron et un noyau lourd (noyau d'uranium ou de plutonium) qui va ainsi "éclater" en chaîne pour produire une importante quantité de chaleur.

2) Le circuit primaire (rose sur le schéma) communique sa chaleur au circuit secondaire qui peut donc obtenir de la vapeur à haute pression.
3) La vapeur à haute pression va faire tourner une turbine rattachée à un alternateur pour produire de l'électricité.
4) Circuit de refroidissement, l'eau redevient liquide et est réutilisée.

Le schéma de la chaîne énergétique est le même : il faut simplement modifier l'élément "combustion de charbon" par "fission nucléaire à partir d'un noyau lourd, d'uranium 235 ou de plutonium 239".

C/ Fission et fusion nucléaire :


Ce sont deux types de réactions possibles dans le but de produire une importante quantité de chaleur. La fusion nécessitant une température dantesque (telle que celle du soleil), il est impensable d'y avoir recours afin de produire de l'énergie. On utilise donc la fission.

Une fission nucléaire consiste à envoyer un neutron sur un noyau lourd (d’uranium 235 par exemple) pour le briser et qu’il libère d’autres neutrons qui vont rentrer en contact avec d’autres noyaux. Quand un noyau est cassé on constate une importante libération d’énergie.

La fusion est une réaction observable sur le soleil. Elle consiste à réunir deux atomes légers en un atome plus lourd. Ce type de réaction provoque une génération d’énergie très importante. Les charges positives dans les atomes les empêchent de se rapprocher suffisamment près pour fusionner, c’est pour cela qu’une température très haute est nécessaire pour suffisamment perturber le noyau et permettre la fusion. On parle d’une température équivalente à 15 millions de degrés.


Source : Partie 2 du sujet de Sciences 18SCELAN1 distribué en Amérique du Nord, disponible ici : http://www.sujetdebac.fr/annales-pdf/2018/es-l-sciences-premiere-2018-amerique-nord-sujet-officiel.pdf

Légende :
1. Réaction de fusion
2. Réaction de fission

D/ Les grand inconvénients des deux types de centrale :


1. Centrale à combustible fossile :

- La combustion d'énergie fossile libère une importante quantité de dioxyde de carbone ce qui, on le sait, pose problème d'un point de vue environnemental avec le renforcement de l'effet de serre et donc du réchauffement climatique.
- L'énergie fossile met des milliers d'année à se "renouveler" ce qui lui vaut le titre d'énergie "non renouvelable" : on ne pourra donc pas se reposer sur cette solution éternellement.

2. Centrale à réacteur nucléaire :

- Libération de déchets radioactifs extrêmement dangereux dont le temps de décomposition est très long. L'argile est employé pour "stocker" ces déchets.
- Risque d'explosion, comme au Japon (Fukushima) et en Russie (Tchernobyl) causant d'énormes dégâts que ce soit sur le court terme (explosion) ou sur le long terme (radioactivité).

Annexe - Rappels essentiels :



Notation atomique et règle de conservation :

On rappelle qu'un atome possède une notation codifiée telle que :

Source : https://www.superprof.fr/ressources/physique-chimie/seconde/structure-matiere/noyau-atome.html

Lors d'une réaction nucléaire, les nombre de nucléons A et le nombre de protons Z sont obligatoirement conservés.

Rappel sur les isotopes :

Chaque atome possède un nombre de protons défini, numéroté Z. On dit que deux atomes sont des isotopes dans le cas où ils disposeraient du même nombre de protons tout en ayant un nombre de neutrons différents.
Exemple : le carbone 12, 13 et 14 contiennent chacun 6 protons mais contiennent respectivement 6, 7 et 8 neutrons.

Conclusion :



Lorsque les besoins énergétiques de l'Homme ne cessent de s'accroître, la production énergétique pose maintenant de nouveaux problèmes :
- la question de la gestion environnementale : effet de serre, caractère renouvelable des ressources et déchets radioactifs.
- risques importants quant à l'utilisation du nucléaire.

Ainsi, la solution qui paraît s'offrir est celle des énergies renouvelables : éoliennes, panneaux solaires, barrages... Mais se pose alors la question de la productivité énergétique car, comparativement aux centrales à combustible fossile et à réacteur nucléaire, la production est moindre.

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