Énergie : sources, conversions et bilans en 3ème
Cours complet, points clés à retenir et exercices d'entraînement de énergie : sources, conversions et bilans pour les élèves de 3ème. Conforme au programme officiel.
Réviser notion par notion
Ce que tu vas réviser
- Formes d'énergie : cinétique, de position (gravitationnelle), thermique, chimique, électrique, lumineuse
- Conversions d'énergie d'une forme à une autre
- Conservation de l'énergie (notion de chaîne énergétique)
- Sources d'énergie : renouvelables / non renouvelables / fossiles
- Puissance et énergie : E = P × t ; unités (J, kWh)
- Enjeux énergétiques contemporains
Les formes d'énergie
Un système peut posséder de l'énergie sous plusieurs formes : énergie cinétique (liée à la vitesse), énergie de position (ou potentielle de gravitation, liée à l'altitude), énergie thermique, énergie chimique (stockée dans les carburants, les aliments, les piles), énergie électrique, énergie lumineuse et énergie nucléaire. L'énergie se mesure en joules (J).
Exemple
Une cycliste en haut d'une côte a de l'énergie de position. En descendant, elle prend de la vitesse : l'énergie de position diminue et l'énergie cinétique augmente. Elle freine : les freins chauffent (énergie thermique).
À retenir : L'énergie existe sous plusieurs formes (cinétique, de position, thermique, chimique, électrique, lumineuse, nucléaire) et se mesure en joules (J).
Conversions d'énergie et conservation
Un convertisseur transforme l'énergie d'une forme en une autre. Une chaîne énergétique représente ces conversions : réservoir d'énergie, convertisseur(s), puis récepteur. L'énergie se conserve : l'énergie totale reste constante, elle se transfère et se convertit d'une forme à une autre mais ne disparaît pas. Une partie de l'énergie est souvent convertie en énergie thermique non utile, dissipée dans l'environnement.
Exemple
Une ampoule à incandescence convertit de l'énergie électrique en énergie lumineuse (utile) et surtout en énergie thermique : environ 5 % seulement de l'énergie reçue est convertie en lumière.
À retenir : L'énergie se conserve : elle se transfère et se convertit, et une partie est dissipée sous forme d'énergie thermique.
Sources d'énergie et bilan énergétique
Le bilan énergétique compare les sources d'énergie utilisées et leurs usages (habitat, transports, industrie). Les sources non renouvelables sont les énergies fossiles (pétrole, gaz, charbon) et l'uranium du nucléaire, dont les réserves s'épuisent. Les sources renouvelables (soleil, vent, eau, biomasse, géothermie) se reconstituent à l'échelle humaine.
Exemple
En France, on produit de l'électricité avec des centrales nucléaires, des éoliennes et des panneaux solaires. Cette électricité alimente nos maisons, nos écoles et nos voitures.
À retenir : Le bilan énergétique mondial montre que les énergies fossiles (pétrole, gaz, charbon) représentent encore environ 80 % de l'énergie consommée dans le monde.
Énergie nucléaire en France
L'énergie nucléaire provient de la fission de noyaux d'uranium. Cette réaction libère énormément de chaleur, qui produit de la vapeur, laquelle fait tourner une turbine reliée à un alternateur qui produit de l'électricité. La France utilise beaucoup l'énergie nucléaire dans ses centrales.
Exemple
La centrale nucléaire de Cattenom produit de l'électricité pour des millions de foyers français. Elle émet très peu de CO2 en fonctionnement, contrairement aux centrales à charbon, mais elle produit des déchets radioactifs.
À retenir : La France produit environ les deux tiers de son électricité grâce à l'énergie nucléaire, ce qui la rend peu émettrice de CO2, mais le nucléaire produit des déchets radioactifs.
Transition énergétique
C'est le passage progressif d'un système reposant sur les énergies fossiles, qui émettent du CO2, à un système reposant sur des énergies peu émettrices de CO2 : énergies renouvelables (solaire, éolienne, hydraulique, géothermique, biomasse) et, en France, nucléaire, avec des économies d'énergie.
Exemple
De plus en plus de maisons ont des panneaux solaires sur le toit. Les villes installent des éoliennes. Les voitures électriques remplacent progressivement les voitures à essence.
À retenir : La transition énergétique est nécessaire pour lutter contre le réchauffement climatique et protéger la planète.
Stockage de l'énergie : batteries
Une batterie stocke l'énergie électrique chimiquement. Elle permet d'utiliser l'électricité plus tard, quand on en a besoin. Les batteries sont dans les téléphones, voitures électriques et lampes de poche.
Exemple
Ton téléphone contient une batterie lithium-ion qui stocke l'énergie. Quand tu le charges, l'électricité se transforme en énergie chimique. Quand tu l'utilises, c'est l'inverse.
À retenir : Les batteries transforment l'énergie électrique en énergie chimique pour la stocker et l'utiliser plus tard. Ce stockage est utile car le solaire et l'éolien sont intermittents.
Stockage de l'énergie : hydrogène
Le dihydrogène (H₂), souvent appelé « hydrogène », est un gaz qui peut stocker de l'énergie. On peut le produire par électrolyse de l'eau avec de l'électricité renouvelable, puis l'utiliser dans une pile à combustible pour produire de l'électricité ou faire fonctionner des véhicules.
Exemple
Les voitures à pile à combustible (dites « à hydrogène ») existent déjà. Elles stockent le dihydrogène dans un réservoir et le transforment en électricité pour faire fonctionner le moteur. C'est très propre : seule de l'eau sort du pot d'échappement.
À retenir : Le dihydrogène (« hydrogène ») est une solution de stockage d'énergie pour l'avenir, surtout pour les transports lourds, à condition qu'il soit produit sans émettre de CO2.
Effet de serre et réchauffement
L'effet de serre est un phénomène naturel : certains gaz (CO2, méthane) absorbent une partie du rayonnement infrarouge émis par la Terre et retiennent ainsi la chaleur dans l'atmosphère. Depuis le milieu du XIXe siècle, les activités humaines en émettent trop, ce qui réchauffe anormalement la Terre.
Exemple
Quand tu brûles du pétrole dans une voiture ou du charbon dans une centrale, tu libères du CO2. Ce CO2 s'accumule dans l'atmosphère et réchauffe la planète, comme une couverture trop épaisse.
À retenir : Le réchauffement climatique est causé par l'augmentation des gaz à effet de serre due aux activités humaines.
Calculs d'énergie et puissance
L'énergie se mesure en joules (J) ou en kilowattheures (kWh). La puissance se mesure en watts (W). La relation est : $E = P \times t$ (énergie = puissance × durée). $E$ est en joules si $P$ est en watts et $t$ en secondes ; $E$ est en kWh si $P$ est en kW et $t$ en heures. On a $1\ \text{kWh} = 3{,}6 \times 10^{6}\ \text{J}$.
Exemple
Un radiateur de 1 000 W (1 kW) qui fonctionne 2 heures consomme : $E = 1 \times 2 = 2$ kWh. Sur ta facture d'électricité, tu paies selon les kWh consommés.
À retenir : L'énergie consommée se calcule en multipliant la puissance par la durée : $E = P \times t$.
Les points clés
- L'énergie existe sous plusieurs formes, se convertit d'une forme à une autre et se conserve
- Les énergies fossiles (pétrole, gaz, charbon) produisent du CO2 responsable du réchauffement climatique
- Les énergies renouvelables (solaire, éolien, hydraulique) se renouvellent à l'échelle humaine et émettent peu de CO2 en fonctionnement
- La France utilise beaucoup l'énergie nucléaire, qui émet très peu de CO2 mais pose des problèmes de déchets
- Le stockage de l'énergie (batteries, hydrogène) est essentiel pour la transition énergétique
- L'accord de Paris vise à limiter le réchauffement climatique bien en dessous de 2 °C, si possible à 1,5 °C
- $E = P \times t$ : l'énergie consommée dépend de la puissance et de la durée
L'essentiel
L'énergie se conserve et se convertit. Pour protéger la planète, il faut remplacer progressivement les énergies fossiles par des énergies peu émettrices de CO2 et améliorer le stockage de l'énergie.
Exercices d'entraînement
Entraîne-toi sur ces exercices, puis fais-toi corriger pas à pas par le tuteur.
Exercice 1
Un radiateur électrique a une puissance de 2 000 W. Il fonctionne 3 heures par jour pendant 30 jours. Calcule l'énergie consommée en kWh et le coût si 1 kWh coûte 0,15 euro.
Corrige cet exercice avec le tuteur →Exercice 2
Explique pourquoi la transition énergétique est importante et donne deux exemples de sources d'énergie renouvelable qui pourraient remplacer le charbon.
Corrige cet exercice avec le tuteur →