Recherche de solution 14








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2.4 Vulgarisation des concepts scientifiques ou technologiques impliqués dans le problème


Le concept central de la présente situation d’apprentissage gravite autour de l’énergie. Plus précisément, à apprécier l’efficacité des transformations d’énergie pour un système donné. L’énergie se définit comme étant: “la capacité de provoquer un changement, par exemple de changer l’état de la matière ou d’effectuer un travail entraînant un mouvement, de la chaleur ou de la lumière.” (http://bv.alloprof.qc.ca/s1079.aspx) L’énergie ne se voit pas. On la remarque seulement à cause de ses effets.

Dans le cas présent, le système à l’étude sera composé d’un moteur électrique qui accomplira un certain travail. Pour ce faire, un moteur électrique utilise de l’énergie électrique pour la transformer en énergie mécanique. Or, la plupart des moteurs peuvent aussi fournir de l’énergie électrique à partir d’énergie mécanique et donc agir comme un générateur. Dans les deux cas, on assiste alors à un changement de forme de l’énergie. On parle donc de transformation d’énergie. À noter que l’énergie peut également être transférée, c’est-à-dire, sans qu’elle ne subisse de modification de son état initial. La figure 1 donne un exemple de chaque cas. Dans la première partie du laboratoire, il sera important de faire ressortir que l’énergie fournie initialement est de type “électrique” et que l’énergie finale sera de type “potentielle gravitationnelle”.  Inversement, la seconde partie du laboratoire démontrera qu’il est possible d’effectuer une transformation d’énergie allant de l’énergie potentielle gravitationnelle à de l’énergie électrique (http://bv.alloprof.qc.ca/s1089.aspx).

a)

b)

Figure 1 : Transfert d’énergie en a) : le pédalier d’un vélo utilise de l’énergie mécanique. Cette énergie mécanique se propagera jusqu’aux roues qui utiliseront cette énergie telle quelle. Transformation d’énergie en b) : l’énergie chimique contenue dans le bois peut servir à alimenter un feu. Une part de l’énergie chimique devient alors de l’énergie lumineuse et de l’énergie thermique.

Maintenant, pour connaître la quantité d’énergie qui peut être théoriquement transformée durant une période de temps donnée, on utilise la notion de puissance (P) qui s’exprime en watts (W). La puissance électrique d’un moteur est dépendante de la différence de potentiel entre ses bornes (U, en volts) et l’intensité du courant dans le circuit électrique (I, en ampères) qui l’alimente. On peut la calculer ainsi: P=UI. La puissance correspond donc, en des termes plus simples, à la rapidité à laquelle l’énergie est transformée pour accomplir un certain travail.

Afin d’évaluer la capacité du moteur à effectuer le travail demandé, il est possible de recourir de nouveau à la notion de puissance, mais en y intégrant cette fois-ci le concept d’énergie électrique. L’énergie, s’exprimant en joules (J), se traduit, telle que définie précédemment, en la capacité de produire un travail. Le travail étant ici, le résultat accompli à l’aide de l’électricité, l’énergie utilisée est donc qualifiée d’énergie électrique. Ainsi, si on multiplie la puissance (W) par le temps (secondes) on obtient l’énergie électrique (EE=Pt) consommée par le moteur (http://bv.alloprof.qc.ca/science-et-technologie/l%27univers-materiel/l%27electricite/la-relation-entre-la-puissance-et-l%27energie-electrique-%28p=ui%29.aspx).

L’énergie électrique sera, dans notre cas, utilisée par un moteur pour élever un objet à la verticale. À mesure que l’objet montera, il gagnera un nouveau type d’énergie, l’énergie potentielle gravitationnelle (Epg) s’exprimant elle aussi en joules (J). Une énergie potentielle est une énergie emmagasinée dont les effets ne sont visibles que lors de la libération de cette énergie. On parle d’énergie potentielle qui est gravitationnelle puisque tout objet, à la surface de la Terre, est soumis à l’emprise de l’accélération gravitationnelle (g), une constante établie à une valeur de g = 9,81 m/s2. L’accélération gravitationnelle est le résultat qu’exerce la pesanteur provoquée par la gravité terrestre. Plus un objet tombe de haut, plus il pourra gagner de la vitesse, car il aura accéléré pendant plus longtemps. Donc, plus un objet est élevé, plus il aura la capacité de créer un changement important (ici, une plus grande vitesse). Il aura donc une énergie potentielle gravitationnelle plus grande. La hauteur (h) d’un objet jouera donc un rôle dans la quantité d’énergie potentielle gravitationnelle d’un corps. La masse de l’objet aura aussi une incidence sur la forme d’énergie décrite. On peut facilement imaginer qu’un ballon de soccer et une boule de quilles tombant du 10e étage d’un édifice n’auront pas le même effet s’ils tombent sur une voiture, et ce, malgré une vitesse théoriquement semblable au moment de l’impact. Encore une fois, quand on parle de capacité à effectuer un changement, on parle essentiellement d’énergie. La boule de quilles, de masse plus grande que le ballon de soccer, aura une énergie plus grande malgré les autres variables qui sont constantes. L’énergie potentielle gravitationnelle est donc aussi dépendante de la masse (m).

En résumé, l’énergie potentielle gravitationnelle est une énergie potentielle, donc emmagasinée, qui tient en compte les aspects reliés à la hauteur (h) et à la masse (m) dans un contexte de gravité terrestre (g). Elle est calculée ainsi: Epg= mgh. Comme il est illustré dans la figure 2, n’importe quelle masse qui se trouve au sol a une énergie potentielle gravitationnelle nulle. À masse égale, celle qui se trouve plus haute aura une énergie potentielle gravitationnelle plus élevée. Enfin, à hauteur égale, ce sera la plus grande masse qui aura une plus grande énergie potentielle gravitationnelle (http://bv.alloprof.qc.ca/p1027.aspx).

Sol

Epg I =Epg II = 0 J

0.1 kg

0.3 kg

Epg I < Epg II

Epg I < Epg II

0.1 kg

0.1 kg

0.1 kg

0.3 kg

I

II

I

II

I

II

Figure 2 : Influence de la hauteur et de la masse d’un objet sur son énergie potentielle gravitationnelle.

Finalement, afin de s’assurer d’utiliser le vocabulaire adéquat entourant l’énergie durant la présente SAÉ, il importe de faire la distinction entre énergie reçue  (consommée) et  énergie utile. L’énergie reçue correspond à l’énergie qui alimentera la première étape d’une transformation d’énergie. Par exemple, dans le cadre de notre laboratoire, cette “énergie reçue” correspond à l’énergie électrique alimentant le moteur pour le faire fonctionner. Or, l’énergie reçue sera plutôt, en deuxième partie du laboratoire, l’énergie potentielle gravitationnelle. En effet, c’est cette dernière qui fera alors tourner le moteur pour qu’il génère de l’énergie électrique. L’énergie utile, quant à elle, sera l’énergie qui servira à effectuer un travail et pour laquelle on a initié la transformation d’énergie en premier lieu. Par exemple, lorsqu’on allume le rond d’un four, l’énergie utile est la chaleur produite. C’est celle qui permet le changement d’état des aliments et c’est pour l’obtenir qu’on a consommé puis transformé de l’énergie électrique à la base. En première partie du laboratoire, l’énergie utile sera donc maintenant l’énergie potentielle gravitationnelle. Puis, en deuxième partie, ce sera l’énergie électrique produite par le moteur (en mode générateur) qui sera qualifiée d’énergie utile.  

Si la transformation d’énergie était efficace à 100%, la quantité d’énergie reçue serait transformée, joule pour joule, en une même quantité d’énergie utile. Or, il n’existe pas de transformation d’énergie qui soit efficace à 100%; il y a toujours une “perte”. Cette perte peut être plus ou moins grande et devrait plutôt être qualifiée d’énergie dissipée (fig.3). En effet, selon la loi de la conservation de l’énergie, il n’y a pas de pertes possibles d’énergie dans un système. Cette dernière ne peut qu’être, transformée ou transférée. Par exemple, un moteur automobile dégage beaucoup de chaleur lors de la transformation de l’énergie. Or, la chaleur est parfois considérée comme une “perte” d’énergie puisqu’elle n’est pas le résultat initialement recherché par le procédé. Toutefois, cette chaleur est réellement de l’énergie et pourrait générer un travail à part entière.

Moteur (ou autre machine)

Énergie reçue

Énergie utile

Énergie dissipée


Figure 3 : schéma d’une transformation d’énergie.

L’énergie dissipée dans notre laboratoire se traduira principalement par de la chaleur qui émanera du moteur, et ce, dans les deux parties du laboratoire. En bref, l’énergie reçue équivaut à la somme de l’énergie utile et de l’énergie dissipée (fig. 3) . De façon pragmatique, l’énergie dissipée peut être, certes, moins intéressante que l’énergie utile, mais ne représente certainement pas une perte.

Les transformations d’énergies sont donc nombreuses, peuvent prendre plusieurs formes et sont essentiellement imparfaites. Afin d’en apprécier l’efficacité, il est nécessaire de déterminer le rendement énergétique (η). Pour ce faire, on utilise la formule suivante (fig.4) mettant en rapport l’énergie utile sur l’énergie reçue, le tout résultant en un pourcentage d’efficacité. Dans une transformation énergétique, l’énergie utile sera donc toujours inférieure à l’énergie reçue puisqu’une partie sera dissipée sous une autre forme (ex. chaleur). Le rendement énergétique permet donc de calculer la proportion d’énergie consommée par un appareil qui sera réellement transformée en énergie utile recherchée. Cette information est d’intérêt dans la vie quotidienne, car elle permet de sélectionner de meilleurs appareils au rendement plus performant ou encore, de trouver des solutions à des problèmes d’efficacité technologique (http://bv.alloprof.qc.ca/s1091.aspx).

X 100

η =

Eutile

Ereçue

Figure 4 : équation du rendement énergétique. Ce dernier s’exprime en pourcentage.
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