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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 ?

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 :

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 E_p(B), est inférieure à l’énergie de position au point A, notée E_p(A).
On a donc E_p_(B) < E_p(A).
Au point C :
l'altitude est inférieure à celle du point B, donc l'énergie de position au point C, notée E_p(C), est inférieure à l’énergie de position au point B, E_p(B).
On a donc E_p_(C) < E_p(B).

Au final : E_p(C) < E_p(B) < E_p(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.

E_m = E_c(A) + E_p(A) = E_c(B) + E_p(B) = E_c(C₎ + E_p(C).

Puisque l'énergie de position diminue au cours de la chute, l'énergie cinétique augmente.

E_c(C) > E_c(B) > E_c(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.

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.

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.

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.

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.

L'essentiel

Au cours d'une chute d'eau :

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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