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Expériences

Voici quelques expériences qui permettent de se plonger dans la thématique des énergies de façon concrète et ludique. Classées par énergies, elles sont à réaliser en classe ou chez soi, avec l'aide d'un adulte.

Biomasse

Fabriquer du biogaz

Il est possible de fabriquer sans danger du biogaz.
Pour cela :

  1. Remplissez à moitié seulement une bouteille en verre, avec des végétaux humides venant du jardin.
  2. Fermez la bouteille.
  3. Placez la bouteille près d’une source de chaleur douce (soleil, radiateur) et laissez fermenter.
  4. Chaque jour, observez la bouteille : notez le léger tassement de la biomasse, la buée sur les parois de la bouteille.
  5. Au bout de 5 à 7 jours, ouvrez la bouteille en prenant garde de l’écarter de toute flamme ou source de chaleur et de ne pas diriger son goulot vers un visage.
  6. Lors de l’ouverture, vous entendrez un léger sifflement et une odeur nauséabonde se dégagera : les matières organiques ont fermenté et du biogaz sous pression s’est formé !
  7. Recommencez l’expérience avec d’autres sortes de biomasse, comme des restes de la cantine par exemple.

Que s’est-il passé ?

Une fois la bouteille fermée au moyen du bouchon, des bactéries (êtres vivants microscopiques) présentes dans la biomasse se sont mises en action. Ce sont elles qui sont responsables de la fermentation. Les bactéries se nourrissent de la matière organique, se multiplient et rejettent du gaz, qui est appelé biogaz pour le différencier du gaz naturel que l’on puise dans le sol. Le biogaz produit par les bactéries est un mélange principalement constitué de méthane et de dioxyde de carbone. C’est le méthane, une fois purifié, qui est utilisé comme carburant pour des bus ou des voitures, ou brûlé pour produire de la chaleur et de l’électricité. Attention, pour fabriquer rapidement du biogaz, les bactéries ont besoin d’une source de chaleur. De plus, alors que l’oxygène nous permet de respirer, il est nocif pour les bactéries responsables de la fermentation du biogaz. C’est pour cette raison qu’il est extrêmement important pour la réussite de l’expérience de bien fermer la bouteille.

Énergie éolienne

Observer l’énergie éolienne grâce aux mobiles thermiques

  1. Découpez des spirales et des hélices dans une feuille métallique.
  2. Suspendez-les avec un fil au-dessus d’une bougie ou d’un radiateur.
  3. Spirales et hélices se mettent à tourner grâce aux transferts d’énergie !

Que se passe-t-il ?

La source de chaleur réchauffe l’air qui entoure la spirale ou l’hélice. Cet air devient moins dense et donc moins lourd que l’air – plus frais – du reste de la pièce. Cet air chaud monte, et, spirales et hélices se retrouvent dans un courant ascendant qui les met en mouvement. C’est de cette façon que se forment les vents ! En Allemagne, les crèches de Noël traditionnelles utilisent le même principe : la chaleur des bougies permet d’actionner les pales d’un moulin horizontal qui fait alors tourner une crèche.

Énergie solaire

Voir l’énergie du Soleil

  1. Peignez deux pots en verre, l’un en noir et l’autre en blanc.
  2. Remplissez ces pots de glaçons, fermez-les et posez-les au rayons du soleil.

Que se passe-t-il ?

D’abord, on observe que les glaçons fondent. Cela veut donc dire que la surface de chaque pot a absorbé une énergie extérieure, qui s’est transformée en énergie thermique en augmentant la température de l’air à l’intérieur et a ainsi fait fondre la glace.

Ensuite, les glaçons fondent plus rapidement dans le pot noir. En effet, la couleur noire absorbe davantage la lumière. Le pot noir a donc absorbé plus d’énergie, ce qui a réchauffé plus vite les glaçons, alors que le blanc a réfléchi une grande partie du rayonnement solaire et, par conséquent, a absorbé moins d’énergie.

Énergie nucléaire

Qu’est-ce que l’uranium enrichi ?

Les roches (ou minerais) dans lesquelles on trouve le métal d’uranium n’en contiennent, en général, qu’une très faible quantité : plus ou moins 0.5%. Voici une façon de mieux comprendre le procédé d’enrichissement de l’uranium.

  1. Achetez un très gros tube de smarties.
  2. Choisissez une couleur qui représentera l’uranium et enlevez tous les smarties de cette couleur, sauf un.
  3. Sur ce smartie, dessinez au stylo une fine ligne qui représentera la quantité d’uranium 235 par rapport à la quantité d’uranium 238.
  4. Le tube de smarties fermé représente la roche qu’on extrait de la mine d’uranium.
  5. Ouvrez la boîte et versez les smarties dans une assiette pour symboliser le passage à l’usine où la roche est broyée.
  6. Les différentes couleurs de smarties représentent les différents composants d’une roche. Mais le seul composant qui intéresse les mineurs est l’uranium (le smartie de la couleur choisie), soit 1 smartie sur 200.
  7. Cherchez ce smartie dans l’assiette pour vous représenter ainsi l’extraction du métal.

Que se passe-t-il ?

Le métal d’uranium est composé de différentes sortes d’uranium. Celui qui est intéressant pour fabriquer le combustible nucléaire ne représente qu’une infime partie. Le smartie qui représente l’uranium doit encore être partagé en 6 et seul le morceau qui contient la « ligne » correspond à l’uranium qui sera effectivement utilisé. On peut donc faire la comparaison suivante : la quantité d’uranium 235 incluse dans les roches d’uranium correspond à un sixième de smartie par rapport à une grande boîte complète de smarties (200).

Énergie hydraulique

Débit et pression

Voici une expérience qui vous permettra d’observer l’énergie hydraulique à l’aide de deux grandes bouteilles en PET (identiques).

  1. Faites un trou à mi-hauteur de la première bouteille en PET, puis un trou identique au quart de la hauteur de la deuxième bouteille. Pour cela, vous pouvez utiliser un fil de fer chauffé au briquet par exemple.
  2. Bouchez ces trous à l’aide d’une pâte de bricolage ou d’un scotch et remplissez les deux bouteilles d’eau.
  3. Ôtez simultanément les deux bouchons de pâte à bricoler des deux bouteilles.

Que se passe-t-il ?

Une fois les bouchons ôtés, l’eau s’écoule des deux bouteilles. On observe que les débits d’eau ne sont pas les mêmes selon la bouteille. La bouteille avec le trou à mi-hauteur laisse s’échapper un débit d’eau relativement faible. Tandis que la bouteille avec le trou le plus bas laisse s’échapper un débit d’eau nettement plus fort. Comme dans un barrage, la hauteur d’accumulation et la quantité d’eau stockée sont importantes. Plus la pression est grande, plus la force d’entraînement de la turbine le sera également. C’est ainsi que l’on peut constater que l’eau crée de l’énergie grâce à la pression due à la gravitation. En résumé, l’énergie dépend de la pression (puissance) et du volume d’eau stockée (durée du turbinage).

Énergie musculaire

Comment transforme-t-on l’énergie ?

Nous expérimentons à chaque instant l’énergie du corps humain. Rien que par le fait de respirer ou de penser. Une expérience toute simple permet d’observer la transformation de cette énergie.

  1. À vous de trouver un outil adapté selon l’endroit où vous faites l’expérience: un vélo avec une lampe à dynamo ou une lampe de poche à manivelle.
  2. Faites un tour à vélo dans la cour ou dans votre quartier, ou activez la lampe à manivelle à l’intérieur.
  3. Dans les deux cas, la lampe s’allume !

Que se passe-t-il ?

Grâce à notre énergie musculaire, nous activons un mécanisme (les roues ou la manivelle). Ce mouvement, cette rotation, c’est de l’énergie cinétique. Celle-ci permet d’actionner la dynamo qui va produire un petit courant électrique. Ce courant alimente les phares du vélo. Aujourd’hui, les vélos sont de moins en moins équipés de lampes à dynamo… pourtant ce sont les seules qui n’utilisent pas de piles. Cela dit, à l’arrêt (au feu rouge par exemple), le vélo devient rapidement invisible, ce qui soulève des questions de sécurité.

Énergie géothermique

Observer le fonctionnement de l’énergie géothermique

  1. Entourez une boîte de pellicule photo avec un élastique.
  2. Versez de l’eau froide dans une bouteille en verre à large goulot.
  3. Remplissez la boîte de pellicule photo d’eau chaude mélangée à quelques gouttes d’encre.
  4. Munissez-vous d’une baguette et passez-la dans l’élastique afin de pouvoir disposer la boîte de pellicule photo au fond de la bouteille d’eau froide.

Que se passe-t-il ?

Un nuage d’eau chaude visible grâce à l’encre se forme au-dessus de la boîte à pellicule photo et remonte jusqu’à la surface de la bouteille d’eau froide. L’eau chaude, plus légère que l’eau froide, se déplace vers le haut.
Dans la géothermie, c’est le même principe : on fait remonter la chaleur située au cœur de la Terre, pour chauffer sa surface.

Énergies marines

Comment fonctionne une usine marémotrice?

Pour réaliser cette expérience, vous avez besoin d’un aquarium et d’une hélice de moulin à eau.

  1. L’hélice, c’est l’hydrolienne :Vous pouvez utiliser l’hélice d’un jouet pour le bain ou la fabriquer vous-même.
  2. Pour la fabriquer: traversez un bouchon de liège avec une aiguille. Plantez 3-4 demi-bâtons de glace dans le bouchon.
  3. Le dispositif doit être fixé de manière à ce que l’hélice puisse tourner. (Sur des supports en bois avec un trou large par exemple.)

L’aquarium, c’est la mer :

  1. Prenez une feuille en plastique (étanche) de la même hauteur et de la même largeur que l’aquarium.
  2. Faites un trou dans cette feuille à quelques centimètres de hauteur (environ 5 centimètres), et bouchez-le à l’aide d’un ruban adhésif.
  3. Placez la feuille au centre de l’aquarium, de façon à obtenir deux espaces distincts.
  4. Placez l’hélice à proximité du trou de manière à ce qu’elle puisse tourner.
  5. Remplissez d’eau l’espace vide.
  6. Finalement, retirez le ruban adhésif… et observez!

Que se passe-t-il ?

Lorsque l’on détache le ruban adhésif, l’eau s’écoule de l’espace rempli vers l’espace vide. Le jet situé en face de l’hélice la fait tourner rapidement et on observe l’énergie créée par l’eau.
À mesure que l’eau s’écoule, l’hélice tourne de moins en moins vite mais continue sa rotation sous la force du mouvement de l’eau, même une fois inondée. La vitesse de rotation de l’hélice dépend directement de la force du courant qui est dirigé vers elle.
Les hydroliennes fonctionnent de la même façon. Placées stratégiquement dans les courants marins, elles sont actionnées par la force des courants et leur mouvement crée de l’énergie, que l’on appelle énergie « marine ».

Énergies fossiles

Comment le pétrole remonte-t-il à la surface ?

Après sa formation, le pétrole « migre », c’est-à-dire qu’il quitte la roche dans laquelle il s’est formé (appelée la « roche mère ») et remonte vers la surface, à travers l’eau qui circule dans les roches. L’expérience suivante permet de se faire une image concrète du phénomène :

  1. Mettez un morceau de sucre dans une sous-tasse.
  2. Prenez une huile alimentaire, versez-en un peu sur le sucre et attendez que l’huile pénètre bien.
  3. Prenez ensuite le morceau de sucre et le lâchez-le dans un verre transparent rempli d’eau.

Que se passe-t-il ?

Le morceau de sucre coule vers le fond. Une fois que les remous créés par sa chute disparaissent, on peut clairement observer des gouttes d’huile qui se forment à la surface du sucre avant de remonter jusqu’à la surface de l’eau.
Le morceau de sucre représente la « roche mère » et l’huile représente le pétrole. Le pétrole est plus léger que l’eau. Or, il y a de l’eau qui circule dans les roches, même à une grande profondeur. Et lorsque le pétrole entre en contact avec de l’eau, il est « emmené » vers le haut à cause de la différence de densité, exactement comme l’huile est « extraite » du morceau de sucre.

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