Conversion de l'énergie mécanique dans une chute d'eau
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Objectifs
Il est possible, notamment lors de sa chute, de tirer de
l'eau une énergie dite hydraulique.
À quelle sorte d'énergie correspond cette énergie hydraulique et quelles sont les conversions énergétiques qui se produisent ? Comment est-elle exploitée dans les centrales hydroélectriques ?
À quelle sorte d'énergie correspond cette énergie hydraulique et quelles sont les conversions énergétiques qui se produisent ? Comment est-elle exploitée dans les centrales hydroélectriques ?
1. Variation des différents types
d'énergie d'une eau au cours de sa chute
a. Les différents types d'énergie
Comme pour tous les corps, on peut associer à
l'eau une énergie cinétique, une
énergie de position et une
énergie mécanique.
Ces différents types d'énergie sont comparés en différents points :
Ces différents types d'énergie sont comparés en différents points :
- juste avant la chute (Point A) ;
- au cours de la chute (Point B) ;
- en fin de chute (Point C).
b. L'énergie mécanique
Au cours de sa chute, l'eau n'est soumise qu'à
son poids (les frottements de l'air peuvent
être négligés) donc son
énergie mécanique reste constante au
cours de la chute. L'énergie mécanique
est la même aux points A, B et C.
c. L'énergie de position
- Au point A :
l'altitude est maximale donc l'énergie de position est également maximale. -
- Au point B :
l'altitude est inférieure à celle du point A, donc l’énergie de position au point B, notée Ep(B), est inférieure à l’énergie de position au point A, notée Ep(A).
On a donc Ep(B) < Ep(A). -
- Au point C :
l'altitude est inférieure à celle du point B, donc l'énergie de position au point C, notée Ep(C), est inférieure à l’énergie de position au point B, Ep(B).
On a donc Ep(C) < Ep(B).
Au final : Ep(C) < Ep(B) < Ep(A).
L'énergie de position de l'eau diminue au cours de la chute.
d. L'énergie cinétique
L'énergie cinétique peut être
déduite de l'énergie mécanique qui
reste constante et des variations de l'énergie de
position.
Puisque l'énergie de position diminue au cours de la chute, l'énergie cinétique augmente.
Em = Ec(A) + Ep(A) = Ec(B) + Ep(B) = Ec(C) + Ep(C).
Puisque l'énergie de position diminue au cours de la chute, l'énergie cinétique augmente.
Ec(C) > Ec(B) > Ec(A).
e. Bilan des conversions d'énergie
En fin de chute, l'énergie cinétique est
maximale. Elle est d'autant plus élevée que
l'énergie de position était grande avant la
chute.
Puisque l'énergie de position d'un corps dépend de sa masse et de sa hauteur, l'énergie cinétique de l'eau au pied de la chute augmente avec la hauteur de chute et le débit de l'eau.
Puisque l'énergie de position d'un corps dépend de sa masse et de sa hauteur, l'énergie cinétique de l'eau au pied de la chute augmente avec la hauteur de chute et le débit de l'eau.
2. Exploitation de l'énergie hydraulique par une
centrale hydroélectrique
a. Barrage d'une centrale hydroélectrique
L'énergie mécanique de l'eau peut
être utilisée pour produire de
l'électricité au sein d'une centrale
hydroélectrique.
De telles centrales peuvent exploiter directement une chute d'eau en montagne, mais elles bénéficient en général d'une retenue d'eau constituée à l'aide d'un barrage. Dans ce type de centrale, l'eau n'est pas en chute libre mais il y a un écoulement vers un point d'altitude moins élevée.
Principe de fonctionnement d'une centrale hydroélectrique avec barrage.
Les conclusions sur les conversions d'énergie restent valables :
L'énergie de position initiale est convertie en énergie cinétique et la valeur de cette dernière est d'autant plus grande que la différence d'altitude est importante et que le débit de l'eau est élevé.
Centrale hydroélectrique.
De telles centrales peuvent exploiter directement une chute d'eau en montagne, mais elles bénéficient en général d'une retenue d'eau constituée à l'aide d'un barrage. Dans ce type de centrale, l'eau n'est pas en chute libre mais il y a un écoulement vers un point d'altitude moins élevée.
Principe de fonctionnement d'une centrale hydroélectrique avec barrage.
Les conclusions sur les conversions d'énergie restent valables :
L'énergie de position initiale est convertie en énergie cinétique et la valeur de cette dernière est d'autant plus grande que la différence d'altitude est importante et que le débit de l'eau est élevé.
Centrale hydroélectrique.
b. Conversions d'énergie dans une centrale
hydroélectrique
Dans une centrale
hydroélectrique, une partie de
l'énergie cinétique de l'eau qui
s'écoule est transférée à une
turbine qui est mise en rotation.
L'énergie cinétique de translation de l'eau est en partie transférée sous forme d'énergie cinétique de rotation à la turbine.
Les turbines sont couplées à des alternateurs qui convertissent alors l'énergie cinétique de rotation en énergie électrique.
L'énergie cinétique de translation de l'eau est en partie transférée sous forme d'énergie cinétique de rotation à la turbine.
Les turbines sont couplées à des alternateurs qui convertissent alors l'énergie cinétique de rotation en énergie électrique.
Remarque :
La conversion d'énergie cinétique en énergie électrique n'est jamais totale : elle s'accompagne d'une perte d'énergie sous forme thermique, à cause des frottements entre les pièces qui constituent la turbine et l'alternateur ainsi qu'à cause de l'effet joule qui intervient dans l'alternateur.
La conversion d'énergie cinétique en énergie électrique n'est jamais totale : elle s'accompagne d'une perte d'énergie sous forme thermique, à cause des frottements entre les pièces qui constituent la turbine et l'alternateur ainsi qu'à cause de l'effet joule qui intervient dans l'alternateur.
c. Avantages de l'hydroélectricité
L'énergie hydroélectrique est une
énergie propre. Elle ne produit pas de
déchets (contrairement à
l'énergie nucléaire) et ne rejette pas
directement de gaz à effet de serre
(contrairement aux centrales thermiques où sont
brulés du charbon, du gaz naturel ou du
pétrole).
C'est une énergie renouvelable puisqu'elle repose sur l'écoulement de l'eau au cours de son cycle.
Les barrages permettent de constituer une réserve d'énergie mécanique qui peut facilement être convertie en énergie électrique.
C'est une énergie renouvelable puisqu'elle repose sur l'écoulement de l'eau au cours de son cycle.
Les barrages permettent de constituer une réserve d'énergie mécanique qui peut facilement être convertie en énergie électrique.
L'essentiel
Au cours d'une chute d'eau :
L'énergie cinétique de l'eau au pied de la chute augmente avec la hauteur de chute et le débit de l'eau.
Une centrale hydroélectrique comporte le plus souvent un barrage qui retient l'eau. Les variations d'énergie lors de l'écoulement de l'eau sont comparables à celles qui se produisent au cours d'une chute libre.
Dans une centrale hydroélectrique, l'énergie cinétique de translation de l'eau est en partie transférée sous forme d'énergie cinétique de rotation à la turbine. Les turbines sont couplées à des alternateurs qui convertissent alors l'énergie cinétique de rotation en énergie électrique.
Une partie de l'énergie est dissipée sous forme thermique.
L'énergie hydroélectrique a l'avantage d'être une énergie propre, renouvelable et les barrages permettent de constituer une réserve d'énergie mécanique.
- l'énergie mécanique de l'eau reste constante ;
- l'énergie de position de l'eau diminue au cours de sa chute ;
- l'énergie cinétique de l'eau augmente au cours de la chute.
L'énergie cinétique de l'eau au pied de la chute augmente avec la hauteur de chute et le débit de l'eau.
Une centrale hydroélectrique comporte le plus souvent un barrage qui retient l'eau. Les variations d'énergie lors de l'écoulement de l'eau sont comparables à celles qui se produisent au cours d'une chute libre.
Dans une centrale hydroélectrique, l'énergie cinétique de translation de l'eau est en partie transférée sous forme d'énergie cinétique de rotation à la turbine. Les turbines sont couplées à des alternateurs qui convertissent alors l'énergie cinétique de rotation en énergie électrique.
Une partie de l'énergie est dissipée sous forme thermique.
L'énergie hydroélectrique a l'avantage d'être une énergie propre, renouvelable et les barrages permettent de constituer une réserve d'énergie mécanique.
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