Les grands principes de conservation
Le cas de l'énergie

I Qu'est-ce qu'un principe de conservation ?

I.1 Les grands principes de la physique

D'après le Robert, un principe c'est un énoncé d'une loi générale non démontrée, mais vérifiée dans ces conséquences : principe d'Archimède : Principe stipulant que tout corps plongé dans un fluide au repos subit une force verticale égale en intensité et opposée en signe au poids du liquide déplacé.

Lois édictant l'invariance de grandeurs physiques par exemple lors de transformations.

Parmi les lois fondamentales des sciences physiques figurent les lois de conservation de la matière (V. Lavoisier), de la charge électrique, de l'énergie.

A partir du texte de Feynman (la nature de la physique, Points Sciences, Le Seuil, 1980), essayons de voir comment Feynman définit le principe de conservation.

"Pour lui, une loi de conservation signifie qu'il existe un nombre que l'on peut calculer en un moment donné, puis, bien que la nature subisse de multiples variations, si on calcule cette quantité en un instant ultérieur, elle sera toujours la même, le nombre n'aura pas varié."

Pour Feynman, le principe

§ est quelque chose qui n'est pas mis en défaut et les lois sont en accord avec ces grands principes : "Lorsqu'on étudie les lois de la physique, on en découvre un grand nombre, compliquées et détaillées (…), mais à travers la variété de ces lois particulières règnent de grands principes généraux auxquelles toutes les lois paraissent obéir"

§ qui permet de ne pas se centrer dans le détail des phénomènes : "Telle est l'essence même d'une loi de conservation. nous n'avons pas besoin d'entrer dans le jeu pour en connaître au moins les rudiments"

Principe de conservation : il existe une grandeur que l'on peut calculer à un moment donné et qui est conservée.

I.2 Pourquoi ces lois sont-elles si puissantes ?

Pas mises en défaut

Permettent de réfuter certaines affirmations sans entrer dans le détail

I.3 Exemple de conservation

En physique : la loi de la conservation de la charge électrique

Neutralité électrique de l'atome

L'atome étant électroniquement neutre le nuage électronique renferme autant de charges négatives (électron) que le noyau possède de charge positive (proton).

Electro-neutronalité

En chimie expérience de Lavoisier : Antoine Laurent, Chimiste français (1743-1794) la loi de conservation de la masse.

La masse des réactifs réellement utilisés est égale à la masse des produits formés.

Ses découvertes et sa méthode expérimentale, fondée sur le principe de conservation de la masse, font de lui un des fondateurs de la chimie moderne. Il affirma que l'air n'est pas un élément simple, comme on le considérait à son époque, mais constitué de deux gaz, un "respirable" (l'oxygène), l'autre non (l'azote). Il évalua la proportion des deux constituants (1/5 d'oxygène, 4/5 d'azote) avec une précision remarquable.

On lui doit également la synthèse de l'eau (1783) ainsi que sa décomposition (1785), qui en explicite la composition.

H2O à H+ + OH-

Nous nous allons nous intéresser à l'un des principes de conservation qui est celui de l'énergie.

II Conservation de l'énergie

II.1 Différents points de vue

II.1.1 Expressions courantes et différents points de vue

A quels termes peut-on référer le terme énergie ?

Voir questionnaire questions A :

Citez 4 mots que vous associez à énergie

Parmi les différents termes proposés on remarque :

Quatre termes se réfèrent à la physique : puissance, force, chaleur

Trois se réfèrent à la physique et à la vie quotidienne : nucléaire, électricité, solaire

L'une des questions auxquels nous essaierons de répondre : est-ce que l'électricité est une énergie ?

En conclusion

Il est nécessaire d'avoir un modèle permettant de décrire et expliquer les phénomènes généraux que l'on peut rencontrer dans les différents domaines

II.1.2 Manifestations de l'énergie

Donner des exemples de la vie quotidienne des manifestations de l'énergie :

Une voiture possède une énergie de plus en plus grande plus elle roule vite

Un ressort comprimé a une énergie plus grande que lorsqu'il est détendu

L'énergie d'une casserole d'eau augmente lorsqu'on la chauffe

Différentes manifestations : mvt, chaleur, lumière, électricité

L'énergie d'un système physique dépend de l'état dans lequel se trouve le système physique : la vitesse, la déformation du ressort, la température de l'eau

Question 4 : corps qui contient ou ne contient pas d'énergie

Un objet possède de l'énergie à condition qu'il soit capable de produire des transformations tq :

§ Augmenter la température

§ Faire fonctionner un appareil électrique

§ Mettre un objet en mouvement

II.1.3 Identification des sources d'énergie

Question 2 : types d'énergie

Difficulté à différencier source d'énergie et forme d'énergie

Question 5 : les corps qui utilisent de l'énergie

2. Proposition d'un texte présentant différentes sources d'énergies

Questions :

Relever les différentes sources d'énergies introduites dans le texte

On se rend compte à la lecture des différentes réponses des élèves que le langage courant désigne les objets ou les situations ; le langage scientifique désigne des formes d'énergie

Deux sortes de sources d'énergie :

Energie non renouvelable	Energie renouvelable
Fossile (charbon, pétrole, …)	Hydraulique, éolien, solaire géothermique biomasse (bois (chauffage 8% de la production mondiale d'énergie soit le double que le nucléaire), les cultures énergétiques (canne à sucre, betterave, colza) destiner au biocarburant, déchets urbains (papier, paille, lisier (chauffage ou production d'électricité)
Nucléaire
Nom	Adjectif

II.1.4 Quantification et mesure

1. Nécessité d'une mesure

2. Système international : le Joule J c'est le watt seconde

Le joule est une unité peu utilisée dans la vie de tous les jours

W/h : le kilo Watt/heure : quantité d'énergie mise en jeu par un appareil d'une puissance de 1000 watt pendant un délai d'une heure.

Un KWh vaut donc 3600*1000 = 3 600 000 J.

Tep : tonnes équivalent pétrole

Tec : tonne équivalent charbon

II.2 Conservation de l'énergie et transformation

II.2.1 Principe de conservation et modèle énergétique

La conservation de l'énergie est un principe comme on pourrait dire dans la vie quotidienne il n'y a rien sans rien.

Mais que signifie cette conservation de l'énergie ? Elle est conservée pour qui ?

Elle est conservée pour un système donné. Il faut trouver un système qui permet d'étudier sans contraintes les variations de l'énergie dans le système pris.

Le meilleur système c'est l'univers ? car dans ces cas là il est celui pour lequel il n'y a pas de contrainte externe.

Un système : délimité par une enveloppe. On cherche à déterminer les forces externes aux systèmes

Un système isolé qui n'échange ni matière ni énergie avec l'environnement

II.2.2 Les différentes formes d'énergies en physique

Cinétique : quand il existe un mouvement, vitesse.

Modification du mouvement selon la masse et la vitesse.

Potentielle : quand le système peut, en étant libérer de certaines contraintes donner de l'énergie sous une autre forme

Par exemple énergie électrique

II.2.3 Les transferts

Trois types de transfert d'énergie

Le mode travail

Quand il y a un déplacement :

visible à travail mécanique

charge électriqueà travail électrique à électricité

la chaleur : dès qu'il existe une différence de température

conduction : pas de déplacement de matière, mais des charges électriques

convection : l'air chaud à tendance à monter (radiateur)

changement d'état : froid quand on sort de la douche

Remarque : atmosphère se réchauffe à on apporte de la chaleur de la terre

Le rayonnement :

Exemple : ampoule, soleil, micro-onde. Seul transfert possible dans le vide.
Proposition du modèle énergétique.

Exemple à partir de la chaîne énergétique.

II.2.4 Rendement et puissance

Rendement (d'un transformateur)

R = Eutile/ E reçue

E = P*t E en joule (J), P en watt, t en seconde

Proportion de ce qui est utile par rapport à ce qui est reçue par le transformateur.

Exemple pour une ampoule : 10% pour la lumière et 90 % pour la chaleur

En pratique, la durée d'utilisation d'un appareil s'évalue plutôt en heures. L'unité de l'énergie est alors le Wh.

Puissance :

Cela donne une idée précise de l'énergie transférée pendant un temps donné

Si une quantité E est transférée pendant un temps t alors la puissance du transfert est P = E/t

Une ampoule de 100 W : chaque seconde donne 100 J

60 Ww pendant 10 minute = 60 * 10 * 60 = 36000 J

Application : Le compteur électrique

Mesure en kWh : la consommation totale d'énergie d'une installation. Nous dirions plutôt énergie utilisée.