L’énergie est une grandeur qui mesure l’aptitude à modifier son environnement.
Elle se note E et se mesure en joule (J).
Elle peut prendre six formes : nucléaire, thermique, mécanique électrique chimique et lumineuse.
La puissance est une grandeur qui mesure la quantité d’énergie fournie par unité de temps. Elle se note P et se mesure en watt (W).
P =
Avec E l'énergie en joule (J), t le temps en seconde (s)
Le rendement (notée η) est défini par :
η =
le rendement est une grandeur sans unité.
L’énergie peut être produite par différentes sources, généralement le but est de faire tourner une turbine pour produire l’électricité avec un alternateur.
Les différentes productions utilisant ce système sont :
- nucléaire : la fission de l’uranium
- thermique : la combustion du charbon ou du gaz
- barrage : la chute de l’eau
- éolienne : le vent
On peut aussi produire de l’électricité avec les panneaux photovoltaïque solaires.
L’électricité est une forme d’énergie facile à produire et à transporter mais difficile à stocker.
Pour cela on peut la stocker dans des piles ou des accumulateurs sous forme d’énergie chimique.
La première pile a été inventé par Alessandro Volta en 1800 suite à une controverse avec Luigi Galvani qui pensait que l’électricité était d’origine animale.
Cette première pile était constituée d’une empilement de disque de cuivre et de zinc séparés de tissu imbibé d’eau salée.
Cette technique a été améliorée au cours du temps pour donner les piles modernes et les piles rechargeables aussi appelées accumulateurs.
Les piles à combustible peuvent produire de l’électricité par oxydation du dihydrogène.
Les réactions oxydo-réduction sont des transferts d’électrons d’une espèce chimique vers une autre.
Le réducteur va libérer un électron qui sera accepté par un oxydant.
Red ⇌ Ox + n e –
Un oxydant et un réducteur forment un couple rédox noté ox / red.
Une réaction d’oxydoréduction fait toujours intervenir deux couples rédox.
Ox 1 + Red 2 → Ox 2 + Red 1
Exemple :
Demie-équation du couple Cu2+ / Cu
Cu2+ ⇌ Cu
on équilibre :
Cu2+ + 2 e–– ⇌ Cu
Demie équation du couple Ag+ / Ag
Ag+ ⇌ Ag
Ag+ + e– ⇌ Ag
Pour le couple Cu 2+ / Cu deux électrons sont changés, alors que pour le couple Ag + / Ag un seul électron est échangé.
Donc on multiplie la deuxième équation par deux pour équilibrer le nombre d'électron, d'où
2 Ag + + 2 e – ⇌ 2 Ag
Enfin on combine les deux demie-équations, attention à bien mettre les réactifs du côté droit.
L'équation bilan de la réaction est :
Cu + 2 Ag + → Cu 2+ + 2 Ag
On peut utiliser le transfert d’électron d’une transformation d’oxydoréduction pour faire une pile.
En compartimentant les réactifs et en les reliant avec un pont salin on permet la circulation de charge électrique et on obtient un courant électrique.
Le sens de réaction est spontanée et produit de l’énergie.
Exemple pile Daniell
Couple mis en jeu :
Zn 2+ / Zn Cu 2+ / Cu
demi équation
Zn 2+ + 2 e – ⇌ Zn
Cu 2+ + 2 e – ⇌ Cu
L'équation bilan de la réaction est :
Zn + Cu 2+ → Zn 2+ + Cu
Pour recharger une pile on doit inverser le sens de la réaction, c’est à dire reformer les réactif à partir des produits.
Ce sens de réaction n’est pas spontané, il est forcé et il faut donc apporter de l’énergie au système pour qu’il évolue dans ce sens.
Exemple : accumulateur Ni / Zn
Couple mis en jeu :
Zn 2+ / Zn Ni 2+ / Ni
demi équation :
Zn 2+ + 2 e – ⇌ Zn
Ni 2+ + 2 e – ⇌ Ni
sens de la décharge (production d’électricité)
Zn + Ni 2+ → Zn 2+ + Ni
sens de la charge (consommation d’électricité)
Zn 2+ + Ni → Zn + Ni 2+
accumulateur lithium / ion
Couple mis en jeu :
CoO 2 / LiCoO2 C 6 / LiC 6
CoO2 + Li + + e- ⇄ LiCoO2
LiC 6 ⇄ C 6 + Li + + e -
LiC 6 + CoO2 → C 6 + LiCoO 2
Autre réaction réversible :
Photosynthèse
6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H12O₆ + 6 O₂ (sens forcé)
Respiration
C₆H12O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O (sens spontané)