Les transformations de l'énergie

"Les énergies passent d'une forme à l'autre, se transmutent, se suivent comme une pimpante guirlande de rue en rue, de village en village. L'énergie électrique qui arrive dans nos maisons devient énergie lumineuse (lorsqu'elle jaillit sous forme de lumière), thermique (lorsqu'elle chauffe la chambre), chimique (lorsqu'elle recharge la batterie pendant la nuit), mécanique (lorsqu'elle moud le café du matin). Elle court, elle court, l'énergie !"

Les énergies de la planète, François Barruel.

Notre petit jeu sur les formes d'énergie a été repris par les enfants le week-end dernier. J'y vis le signe qu'il était temps d'aller un peu plus loin dans nos investigations scientifiques et de guider Antonin et Louiselle vers la notion de transformation de l'énergie. Je sais que certains d'entre vous attendent cette deuxième séance  depuis longtemps, la voici enfin ! 😊 Et bonne nouvelle si vous aimez ces petites sessions : j'ai la ferme intention de faire plus de sciences avec mes enfants en 2020, youpi !

(La première séance sur "Les formes d'énergie", est ICI.)

Le concept d'énergie, Séance 2

Les transformations de l'énergie

1. Manipulation

Reprenons notre petit jeu de cartes à trier de la dernière séance, donc.

Il ne pose aucune difficulté, mais les enfants formulent, comme à chaque fois qu'ils le manipulent, le fait qu'une image peut souvent tomber sous plusieurs catégories. Ainsi, Louiselle hésite :  la plante a besoin d'énergie lumineuse pour grandir, mais aussi, dans une certaine mesure, de chaleur. Et puis ...

"C'est la chaleur qui cuit mes cookies, remarque Antonin, d'accord. Mais notre four est électrique. Alors sans énergie électrique, pas de chaleur ... En plus, c'est moi qui tourne le bouton du four. C'est une énergie mécanique qui fait l'énergie électrique qui fait l'énergie thermique ..."

Bon sang de bonsoir, si ça continue le Damoiseau va encore me boucler ma séance à lui tout seul sans que j'ai le temps d'en placer une ... 😁

Je formule donc ma question, tout en sachant qu'elle est, comme telle, difficile ...

"Est-ce qu'une forme d'énergie reste toujours la même, ou peut-elle changer ?"

Les enfants restent silencieux quelques instants, digérant cette formulation. Puis Louiselle s'empare de l'exemple donné par son frère :

"Elle peut changer ! Puisque l'énergie électrique du four se change en chaleur ..."

Bingo. 😊

2. Expériences concrètes

1. J'annonce alors aux enfants que nous allons faire une expérience très amusante, au cours de laquelle nous verrons une forme d'énergie se transformer en une autre forme d'énergie. Je brandis alors un objet étrange que je gardais dans mes trésors depuis longtemps, et que nous mettons quelques minutes à monter :

Un bateau pop-pop !!

Si vous avez la chance de vous rendre au Japon, vous trouverez facilement ce genre de petit matériel dans un 100 Yen Shop. Mais en France ... Et bien, je ne sais pas du tout où l'on peut en trouver 😁 - si ce n'est sur Internet, à toutes les gammes de prix. Mais bonne nouvelle : il est tout à fait possible d'en fabriquer soi-même ! 

Qu'est-ce qu'un bateau pop-pop ? C'est un bateau qui fait "pop-pop-pop-pop" en avançant nonchalamment sur l'eau ... Et pourtant, il n'a pas de pile ! Magique ? En fait, il s'agit d'une véritable mini-machine thermique ... Mais voyons plutôt.

Nous remplissons d'eau le petit réservoir en verre et allumons la bougie. Quelques minutes passent, puis le "pop-pop" caractéristique se fait entendre. Il vient du petit réservoir, où des bulles de gaz s'agitent : c'est de la vapeur d'eau, bien sûr, puisque le liquide change d'état sous l'action de la chaleur.  On observe alors de courtes expulsions d'eau, répétitives, par un petit tuyau, à l'arrière du bateau ... qui se met en mouvement.

Alors, les enfants ?? :

"Quelle transformation d'énergie est à l’œuvre dans cette petite machine ?"

" Au début, on allume la bougie : on a de la chaleur. Et à la fin, on a du mouvement, le bateau avance."

Élémentaire, mon cher Watson. L'énergie thermique s'est transformée en énergie mécanique. 😊

Plus précisément, l'énergie calorifique fait bouillir l'eau et créé de la vapeur sous pression qui fait avancer le bateau - mais pourrait tout aussi bien faire tourner une turbine. 

2. Le hasard nous a fournit un autre exemple à travers une merveilleuse machine, qu'une de ses amies avait prêté à Louiselle pour le week-end :

Il s'agit d'une petite lampe dynamo de chez Décathlon ...  On tourne la manivelle et que la lumière soit ! 😊

"Quel changement se produit pour que cette lampe s'allume ?"

"Ben, dit Louiselle, on rentre du mouvement dans la lampe et il en sort de la lumière !"

Ici, l'énergie mécanique s'est transformée en énergie lumineuse !

3. "Oh, super, s'exclame Antonin, qui met en relation ces deux expériences. Ça veut dire qu'on pourrait allumer une lampe avec un bateau pop-pop ! On allume une bougie chauffe-plat, ça fait de la chaleur qui devient du mouvement, et le mouvement fait tourner une manivelle, et ça allume une ampoule !

- Ou alors, poursuit Louiselle platement, on s'éclaire directement à la bougie chauffe-plat, ça va plus vite."

😅

3. Défi photo

"Ce type de transformation est d'autant plus incroyable qu'il est à l’œuvre dans la plupart des objets qui nous entourent. Allez, je vous mets au défi : parviendrez-vous à prendre 5 photos de 5 objets, qui, dans notre maison ou dans notre jardin, servent à transformer une forme d'énergie en une autre ?"

C'est donc parti, appareil en main, et voici quelques-uns des clichés pris par les enfants cet après-midi :

1. D'abord, bien sûr, la simple lampe. C'est l'exemple le plus évident :

"L'énergie électrique entre dans la lampe.  L'énergie lumineuse sort de la lampe.

- Êtes-vous donc d'accord pour dire que la lampe SERT À transformer l'énergie électrique en énergie lumineuse ?"

Les enfants sont d'accord. 😊

D'autres exemples ?

2. Notre Cookéo convertit l'énergie électrique en énergie calorifique. Tout comme notre bouilloire, notre cafetière, notre grille-pain ou notre four (je vous épargne la ribambelle de photos électro-ménagères 😊).

 
3. Appuyer sur un interrupteur transforme une énergie mécanique en énergie électrique.

4. Notre ventilateur est pourvu d'un moteur électrique qui convertit l'énergie électrique en énergie mécanique (mouvement des pales).

5. Au jardin, un petit panneau solaire (cellules photovoltaïques) convertit l'énergie lumineuse en énergie électrique, et permet d'allumer une guirlande d'ampoules sous les actinidias.
 

6. Et puisque nous voilà dehors, tiens ... Une petite question piège ... 😉

"L'énergie se transforme-t-elle d'une forme à l'autre uniquement grâce à des appareils créés par l'homme ? Ou peut-elle se transformer aussi dans la Nature ?"

Les enfants sont un peu désarçonnés. Mais la chance est avec moi, il fait aujourd'hui 14°C ... au soleil.

"Si vous vous placez ici, dans la lumière, vous ne sentez rien sur votre peau ?"

Si. De la chaleur.

Nous jouons alors à comparer la température ressentie à l'ombre et au soleil ... à toucher le pavé de la terrasse à l'ombre et au soleil ...

Les rayons de ce début d'hiver chauffent notre épiderme : l'énergie lumineuse est transformée en énergie calorifique. Alors, on savoure un peu ... Ce que c'est doux, la science ... 😊🌞🌞🌞

7. Concluons : la plupart des outils que nous utilisons au quotidien sont des appareils qui changent une forme d'énergie en une autre forme plus utile pour nous.

"Par exemple, expliquè-je, l'énergie électrique, sous sa simple forme d'électricité, ne sert à rien d'autre qu'à nous électrocuter ! Quand elle est convertie en lumière, en mouvement, ou en chaleur grâce aux lampes, aux moteurs ou aux grille-pains, elle devient très utile."

4. L'énergie, c'est l'énergie (et la matière, c'est la matière)

Vous vous souvenez ?

"Nous, les Hommes, percevons deux dimensions à notre monde physique, qui sont la Matière et l’Énergie."

(C'était la conclusion de notre séquence sur les états de la matière)

Et puisque mes enfants semblent venir à bout de toutes mes questions-pièges, en voici une belle :

"Est-il possible de voir de l'énergie se convertir en matière, 
par exemple en solide, en liquide, ou en gaz ?
Ou d'assister à la transformation de la matière en énergie ?"

Les enfants tombent dans le piège :

"Quand le bois brûle, il se transforme en chaleur ! Le bois, c'est de la matière, qui se transforme donc en énergie ?"

Votre enfant trouvera peut-être d'autres situations qui semblant témoigner d'une transformation de la matière en énergie dans la vie de tous les jours : 

- Quand la cire d'une bougie brûle, elle se transforme en chaleur, donc en énergie !?

- Quand le moteur de notre voiture brûle l'essence du réservoir, il convertit la matière du carburant en mouvement, donc en énergie !?

Et bien, non.

Affirmez-le d'emblée à votre enfant à ce stade : malgré certaines apparences, dans notre monde quotidien, la matière reste de la matière et l'énergie reste de l'énergie.

Et pour l'expliquer, il va falloir déconstruire cette idée fausse à l'aide d'une nouvelle notion ... et de quelques cubes.

5. La notion de stockage

1. Proposez à votre enfant de construire un mur de cubes.

"Un cube, c'est de la matière ou de l'énergie ?"

Pfff, trop facile. De la matière, bien sûr.

Si nous construisons un grand mur avec nos cubes, cela nous demande de l'énergie, à nous les bâtisseurs. Nous faisons des efforts en saisissant le cube, en levant le bras, en luttant contre la force de la pesanteur ! Nous dépensons donc de l'énergie. Qui se déplace. Dans le cube.

Elle court, elle court, l'énergie ! Elle se déplace mais elle est toujours là. La voici donc stockée dans nos cubes. Comment la libérer ?

PAF ! Oui, comme cela : quand on casse le mur, on fait tomber les cubes. L'énergie est libérée (que de mouvement !), mais les cubes eux-mêmes n'ont pas changé d'un iota, n'est-ce pas ? Dans toute cette histoire, un cube reste un cube.

2. Reprenons l'exemple des enfants : lorsqu'une bûche (matière) brûle, on dirait bien qu'elle se transforme en chaleur (énergie) ?

Je propose aux enfants de fabriquer une bûche avec des cubes :

Une bûche, c'est de la matière. Elle est donc constituée d'atomes, de petits grains de matière, qui sont bien rangés les uns à côté des autres. Imaginons que nous soyons minuscules et que nous puissions voir ces atomes, représentés par nos cubes.

Or cette organisation-même a nécessité de l'énergie. Rappelez-vous : quand on construit une tour de cubes, on dépense de l'énergie, qui se retrouve stockée dans les cubes. De même, l'énergie s'accumule dans le bois depuis le début de la vie de l'arbre. En poussant, la plante a stocké de l'énergie (énergie du soleil, énergie des nutriments de la terre ...). La croissance, c'est une affaire d'énergie !

Que se passe-t-il quand je place ma bûche dans le poêle allumé ?

Il se passe PAF.

Les atomes du bois sont toujours là après sa combustion. Ils sont simplement détachés les uns des autres. Certains gros paquets d'atomes se défont si bien qu'ils peuvent se mélanger à l'air : ils se transforment en gaz. D'autres restent solides sous forme de cendres et de poussière.

La matière se transforme donc en matière. Mais cette transformation libère l'énergie qui était stockée dans le bois, ici sous forme de chaleur.

6. Conclusion

La conclusion sur laquelle il faut insister à ce stade (lisez le paragraphe suivant avant de sauter sur votre clavier ! 😁), c’est que l’énergie reste toujours de l’énergie. 

Une forme d’énergie peut se transformer en une autre forme d’énergie ; elle peut être stockée de bien des manières pour être utilisée plus tard (un moteur de voiture convertit l'énergie stockée dans le carburant en énergie mécanique), mais elle reste de l’énergie. 

Et de son côté, la matière reste de la matière. Dans aucun système biologique, dans aucune technologie de la vie quotidienne, dans aucun laboratoire, on ne peut observer de la matière se transformant en énergie, ou de l’énergie se transformant en matière.

Note : en physique nucléaire, il y a une transformation de la matière en énergie, et cette conversion est au cœur du fonctionnement des centrales et des armes nucléaires. De là à déduire que cette transformation est « contre-nature », il n’y a qu’un pas que j’adorerai franchir (nucléaire, non merci !🌞), mais pas de bol : ce type de réaction est aussi la source de l’énergie solaire. 😄

Néanmoins, cela peut être laissé de côté pour le moment – à mon avis jusqu’au collège/lycée. Le fait reste que l’équivalence masse/énergie (le fameux E = mc²) n’est pas à l’œuvre dans la physique, la biologie ou la chimie de tous les jours ! Et cela - le fait que la conversion de la matière en énergie ne soit pas à l’œuvre dans la biologie, la physique et la chimie de tous les jours - est un des concepts scientifiques les plus importants, et il est essentiel pour comprendre la plupart des phénomènes physiques, ingénierique et technologiques – et même peut-être la plupart des phénomènes sociaux et environnementaux. 

Le présenter ainsi aux enfants – même s’il s’agit d’une conclusion provisoire – est, je pense, d’un grand bénéfice pour le développement de leur savoir scientifique.

Qu’en pensez-vous ? 😊

❤

Retrouvez nos séquences scientifiques sur le blog :

- Organiser le monde.

- Solide, liquide, gazeux.

- Les formes d'énergie.

Et à bientôt pour la suite, donc !

Nous observerons la manière dont l'énergie voyage ... 😊

 ❤

D'ici là, je vous souhaite une belle année 2020, 

pleine d'émerveillement scientifique !! 😃