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 (piles électriques, galvaniques, électrolytiques)
-soit une utilisation de photons (pile solaire, photovoltaïque)
-soit la transformation de matières fissiles (pile atomique)
-soit une reconstitution chimique, c'est à dire l'inverse de l'électrolyse (pile à combustible)
PILE ÉLECTRIQUE
-le principe est la transformation d'une énergie chimique en énergie électrique
Deux électrodes métalliques (en Zn,Li,Cu…) sont immergées dans un électrolyte (une solution, comme H²SO4 ou CuSO4.…)
Il s’établit un pont ionique entre elles, initiant un mouvement d’électrons (c'est à dire un courant électrique). Il y a d'une part oxydation (côté anode) et d'autre part réduction (côté cathode)
Ceci fonctionne tant que l’ensemble des réactions n’a pas atteint l’équilibre
Exemples: piles Volta, Daniell, etc
-les caractéristiques
-type d’utilisation: en principe,une pile n’est pas rechargeable (elle restitue son stock chimique d’énergie, point final. C’est la batterie d’accus qui est multi-rechargeable)
Dans les faits, le piles salines et alcalines sont de petits "accumulateurs" qui sont donc dits rechargeables. Ils peuvent être rechargés 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 également que la recharge soit pratiquée très lentement
Donc l’utilisation d’une pile concerne plutôt les faibles puissances
-ses éléments constitutifs font chacun 1,5 Volt (pour les salines et alcalines) et 4,5 V (pour celles au lithium)
-ses bornes: la borne (-) est l'anode, siège d'oxydation et fournisseuse d'électrons
la borne (+) est la cathode
Exemple d'une pile galvanique (comportant Zn, Cu et H²O) >>>
---il y a une part d'oxydation ('anode) où Zn donne Zn2+ + 2 électrons et produit -0,76 Volt
---une part de réduction (cathode) où Cu2+ + 2 électrons donne Cu et produit -0,35 Volt
La somme donne ~ -1,2 Volt --Une pile ne doit pas décharger au-dessous de 0,9 V
Cas 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)
-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)
-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
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
PILE SECHE
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
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
PILE à COMBUSTIBLE
on utilise ici le phénomène inverse d'une électrolyse, avec génèration de courant électrique à partir d'énergie chimique >>
-un électrolyte*, avec une oxydation sur une anode** ajoutée à une réduction sur une cathode*** et ceci à des températures 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%