Conversion de l'énergie mécanique dans une chute d'eau
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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 ?
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).
- 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.
Puisque l'énergie de position diminue au cours de la chute, l'énergie cinétique augmente.
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.
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.
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.
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'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'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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