FORMULES de PHYSIQUE
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PILE S
-piles
Une pile est un appareil générateur de courant électrique -continu- dont les intermédiaires de production énergétique sont :
-soit une réaction chimique (cas des piles électriques, galvaniques, électrolytiques)
-soit une reconstitution chimique, c'est à dire l'inverse de l'électrolyse (cas des piles à combustible)
-soit une utilisation de photons (cas des piles solaires, photovoltaïques)
-soit la transformation de matières fissiles (piles atomiques)
PILE ÉLECTRIQUE
-le principe est la transformation d'une énergie chimique (échanges ioniques) en énergie électrique
-d'une part, il y a un corps réducteur, qui offre (lâche, cède, abandonne) des électrons et qui, subissant une oxydation, devient oxydé (il a moins d'électrons) Ce réducteur peut être par exemple une tige de zinc formant l'anode, ou pôle (-) qui, après réaction avec un fluide ambiant dit électrolyte, permet la transformation de Zn en Zn2+ + 2 électrons
-à côté, il y a un corps oxydant, qui veut capter (prendre, obtenir) des électrons et qui, après la réduction qu'il subit, devient réduit (il a plus d'électrons) Cet oxydant peut être par exemple une tige de cuivre formant la cathode, ou pôle (+) qui, après réaction avec un autre électrolyte ambiant, permet la réaction Cu2+ + 2 électrons >>> Cu (il y a augmentation du volume de Cu sur la cathode)
La conjonction des 2 phénomènes (dit redox = réduction d'un côté et oxydation de l'autre) aboutit à 2 mouvements d'électrons dans la même direction, formant un courant électrique circulant extérieurement dans un câble métallique
Une liaison interne boucle le circuit: c'est un pont électro-salin (pour circulation des ions entre les 2 compartiments)
Les électrodes métalliques sont (en Zn,Li,Cu,Ag,Hg,Ni…)
Les électrolytes sont (des sels en solution, H²SO4 ,CuSO4.…)
-caractéristiques
-type d’utilisation: en principe,une pile n’est pas rechargeable (elle restitue son stock chimique d’énergie, point final -contrairement à une batterie d’accus qui est multi-rechargeable-)
Dans les faits, quelques piles salines et alcalines sont rechargeables, mais seulement deux ou trois fois, sous réserve que leur tension ne soit pas descendue plus bas que 1 V (sinon la recharge n’est pas complète, c’est une simple régénération) et sous réserve -en plus- que la recharge soit pratiquée très lentement
C'est pour cela que l’utilisation d’une pile concerne plutôt les faibles puissances
-voltage les éléments constitutifs d'une pile font chacun 1,5 Volt (pour les salines et alcalines) et 4,5 V (pour celles au lithium)
-la borne(-) d'une pile est l'anode, fournisseuse d'électrons et qui sera le siège d'une oxydation
-la borne (+) d'une pile est la cathode, receveuse d'électrons et qui va être réduite (subi une réduction)
-étalonnage des éléments d’une pile-étalon
on choisit une force électromotrice unitaire de 1,0183 Volt (élément d’une pile Weston) ou 1,3 Volt (élément d’une pile mercurielle)
Exemple d'une pile galvanique (comportant Zn, Cu et H²O) >>>
---il y a une part d'oxydation (à l'anode) où Zn donne Zn2+ + 2 électrons
cela produit -0,76 Volt
---une part de réduction (à la cathode) où Cu2+ + 2 électrons donne Cu
cela produit -0,35 Volt et la somme des 2 donne ~ -1,2 Volt
--une pile ne doit pas décharger au-dessous de 0,9 V
Exemple d’une pile électrolytique (ou électrochimique) >>>
ici on doit apporter de l'énergie électrique pour déclencher la réaction chimique (une électrolyse qui, par exemple, va dissocier de l'eau incluse dans une solution sodique, sous forme de H² au pôle - et de O² au pôle +)
Ces piles servent dans l’industrie (par exemple électrosynthèse de l’aluminium)
-bilan énergétique d'une pile (formules de Helmoltz)
U = U / Q + T.ΔU / ΔT
où U(V)= force électromotrice
U(J)= énergie interne
T(K)= température absolue
Q(C)= charge
et F = U.Q
avec F(J)= énergie de Helmoltz (ou énergie libre)
-résistance interne d'une pile électrique
l'intensité i(A) débitée par une pile est: i = U / (R + Ri)
et la puissance est P = U².R / (R + Ri)²
où U(V)= potentiel électrique
R(Ohm)= résistance du circuit
Ri(Ohm)= résistance interne de la pile
TYPES de PILES
-piles sèches
Exemple la pile Leclanché (ou pile zinc-charbon)
Il n'y a plus de liquide, car on a;
-un électrolyte pâteux (chlorure d'ammonium NH4Cl)
-une cathode (+) en charbon (graphite C) entouré d'un dépolarisant (MnO²)
-une anode (-) en zinc (Zn)
La pile est usée quand le Zn est entièrement consommé
-piles jetables
Exemples: piles Volta, Daniell, alcalines, au Lithium
-piles rechargeables
(ce sont en fait des accumulateurs et pas des piles)
les électrolytes sont souvent des gels, du sel fondu...
PILE à COMBUSTIBLE
on utilise ici le phénomène inverse d'une électrolyse, avec génèration de courant électrique à partir d'énergie chimique
-il y a un électrolyte*, avec une oxydation sur une anode** adjointe à une réduction sur une cathode*** et ceci à température entre (60° et 120°) C
* l'électrolyte peut être Pt ou KOH ou acide phosphorique...
** l'anode peut être un combustible gazeux réducteur (comme H² ou méthanol)
*** la cathode peut être un gaz oxydant (comme O² ou air)
Chimiquement, c'est propre (avec électrodes gazeuses, il n'y a que production d'eau)
La gamme de production de ces appareils va de (1 kW à 100 MW)
Leur rendement est de 50 à 60%
PILE PHOTOVOLTAÏQUE
La technique photovoltaïque permet de transformer l'énergie lumineuse (usuellement solaire) en électricité Voir chapitre spécial
PILE ATOMIQUE
C'est le nom simpliste d'un réacteur nucléaire