Transfert d énergie sous forme thermique

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1 Chapitre 10 Transfert d énergie sous forme thermique Découvrir Activité documentaire n 1 Générations de carburants 1. Il existe trois catégories de carburants : les carburants issus de la pétrochimie, les biocarburants, les algocarburants. 2. Le gaz naturel, le gazole, sont des exemples de carburants issus de la pétrochimie ; le biodiesel, le bioéthanol sont des biocarburants ; enfin, les huiles végétales carburants (HVC) sont un algocarburant. 3. Les avantages et inconvénients des trois catégories de carburant sont consignés dans le tableau ci-après : Catégorie de carburant Avantages Inconvénients Carburants de la pétrochimie (première génération) Agrocarburants (seconde génération) Algocarburants (troisième génération) Prix de revient attractif Ne contribuent pas globalement à l émission de gaz à effet de serre Ne contribuent pas globalement à l émission de gaz à effet de serre Contribuent à l émission de gaz à effet de serre Énergie non renouvelable (stock limité) Prix de revient élevé Mode de production limité par la superficie des terres cultivables Prix de revient très élevé 4. On peut limiter l émission de gaz à effet de serre en utilisant des agrocarburants ou des algocarburants dans les moteurs thermiques, lesquels ne contribuent pas globalement à l effet de serre. Ce qui compte en terme d impact écologique est le bilan global du dioxyde de carbone : les quantités de dioxyde de carbone rejetées lors de combustions d algocarburants ou de biocarburants sont contrebalancées par celles absorbées par les végétaux dont ces carburants sont issus. Globalement, ils n ont donc pas d impact sur les émissions de gaz à effet de serre. Activité expérimentale n 2 Comment déterminer un bilan carbone dans la cuisine? 1. Une cuisson de 20 minutes correspond à un mode de cuisson «auxiliaire»; la masse de propane qui a réagi lors de la cuisson est m i = 73,0/3 = 24,3 g. La quantité de matière correspondante propane est n i = propane mi /M(C H ) = 24,3/44,0 = 0,553 mol. propane 3 8 NATHAN - La photocopie non autorisée est un déli t. 56

2 2. Tableau d avancement : Équation chimique C 3 H 8 (g) + 5O 2 (g) 3CO 2 (g) + 4H 2 O(g) État n propane État initial x = 0 n i propane = 0,553 mol grand 0 0 État au cours de la transformation x n i - x grand 3x 4x propane État final x = x max = 0,553 mol n i x = 0 propane max grand 3x max 4x max Application numérique 0 mol 1,66 mol 2,21 mol 3. La masse de dioxyde de carbone produite est m CO2 = 3x max ) = 73,0 g. La masse d eau produite est m = 4x M(H H2 O) = 39,8 g. O max 2 4. La masse de dioxyde de carbone produite lors de la combustion équivaut à celle produite par une automobile (dont l émission en CO 2 est de 140 g/km) parcourant environ 0,5 km. 5. La cuisson par induction ne met pas en jeu une réaction de combustion : la quantité de CO 2 produite serait nulle. La détermination des quantités de matière des constituants mis en jeu lors d une transformation chimique telle la combustion nécessite l utilisation du tableau d avancement. Extraire l information utile CO 2 et automobile 1. Les véhicules verts appartiennent aux classes A, B et C. Seuls les véhicules de classe A et les véhicules de classe B émettant moins de 106 g/km de CO 2 perçoivent un bonus écologique. 2. Les véhicules à forte émission de CO 2 sont de classe G. 3. Les voitures électriques sont de classe A. Comme elles n émettent pas de CO 2, le bonus écologique serait de euros. Réaliser un TP Énergie thermique 1. C 25 (g) + 38 O 2 (g) 25 CO 2 (g) + 26 H 2 O (g). 2. Le transfert thermique reçu par l eau au cours de la réaction de combustion est : Q = mc(θ 2 θ 1 ) = 100 4,18 20 = 8, J = 8,36 kj. 3. m av = 16,1 g et m ap = 15,8 g soit Δ c, g) = (8, /0,3) 352= 9, J mol Δ c, g) = 25 Δ c H 0 (CO 2, g) + 26 Δ c H 0 (H 2 O, g) Δ f, g) (négligeable) Δ c, g) = -1, J mol -1 ; on retrouve l ordre de grandeur. S entraîner Testez vos connaissances 1. a) ; 2. b) ; 3. b) et c) ; 4. a) ; 5. c) ; 6. c) ; 7. a) ; 8. a) ; 9. b) ; 10. b) et c). Chapitre 10 - Transfert d énergie sous forme thermique 57

3 Applications directes du cours 11 Calculer une enthalpie de combustion 1. C 4 (g) + 13/2 O 2 (g) 4 CO 2 (g) + 5 H 2 2. Δ c H 0 (C 4, g) = 4Δ f H 0 (CO 2, g) + 5Δ f H 0 (H 2 O, ) Δ f H 0 (C 4, g) = 2, J mol Obtention de l éthanol à partir de l éthylène 1. L équation est équilibrée. 2. D autres carburants : l heptane, le gazole, le kérosène, Dans l exercice, le mode de production de l éthanol est celui de la pétrochimie. 13 Réaction exothermique? 1. Ce n est pas une réaction de combustion : les produits formés ne sont pas CO 2 et H 2 O. Il manque également O 2 dans les réactifs. 2. Q P > 0 : c est une réaction endothermique. 14 Le GPL 1. Équations de combustion : C 3 H 8 ( ) + 5 O 2 (g) 3 CO 2 (g) + 4 H 2 C 4 ( ) + 13/2 O 2 (g) 4 CO 2 (g) + 5 H 2 2. Ces combustibles sont issus de la pétrochimie. 3. «Inflammable» et «Gaz sous pression». Les dangers liés aux combustions de carburants sont les risques d incendie ou d explosion. 15 Écrire l équation d une réaction de formation 1. Équation de formation du butane gazeux : 4 C(s) + 5 H 2 (g) C 4 (g) 2. Équation de formation de l éthanol liquide : 2 C(s) + 3 H 2 (g) + ½ O 2 (g) C 2 H 6 16 Des chiffres qui donnent le vert tige! 1. Le mode de production du carburant du projet Shamash est celui de l algochimie. 2. Avantages et inconvénients des algocarburants de l étude par rapport aux agrocarburants : Avantages Rendements à l hectare supérieurs Pas d apport de produits phytosanitaires pour leur culture Exercices d entraînement Prix au litre plus élevé Inconvénients 17 Un coup de BLEVE? 1. La baisse de pression est due à l échappement des gaz lors de la première étape. 2. Les gaz libérés (combustible) lors de la deuxième étape réagissent avec le dioxygène de l air (comburant) en présence d une source de chaleur : les trois ingrédients du triangle du feu sont réunis pour produire une boule de feu, puis une explosion. 3. Pour limiter les risques de BLEVE, les réservoirs des véhicules au GPL sont munis de soupapes de sécurité. 58

4 18 C est pourtant simple! 1. H 2 O (g) est le seul corps composé, les autres sont des corps simples : c est donc l intrus. 2. Les enthalpies de formation positives correspondent à des réactions de formation endothermiques, les enthalpies de formation négatives correspondent à des réactions de formation exothermiques. Les enthalpies de formation des corps simples dans leur état d agrégation le plus stable à la température considérée sont nulles par construction. 3. Seul le dioxygène (O 2 ) gazeux à 298 K est dans son état d agrégation le plus stable à cette température, car c est le seul corps simple dont l enthalpie de formation est nulle à cette température. 19 Véhicule Flex, acte I 1. Le mode de production du bioéthanol au Brésil est celui de l agrochimie. 2. Équation de la réaction : C 2 H 6 O (g) + 3 O 2 (g) 2 CO 2 (g) + 3 H 2 3. Tableau d avancement : Équation chimique C 2 H 6 O (g) + 3O 2 (g) 2CO 2 (g) + 3H 2 O (l) État n éthanol État initial x = 0 n i éthanol = mol grand 0 0 État au cours de la transformation x x grand 2x 3x État final x = x max x max = mol x max = 0 grand 2x max = mol 3x max = mol La quantité de matière initiale en éthanol est : n i = 50/(0,046) = mol. éthanol 4. D après le tableau d avancement, les quantités de matière des produits formés en fin de réaction sont : = 2x max = mol et = 3x max = 3261 mol. 5. La masse de dioxyde de carbone formé par combustion totale du réservoir (une autonomie de 700 km) est m dioxyde de carbone = ) = ,0 = 9, g = 95,6 kg. La masse de dioxyde de carbone libéré par km est donc : 9, /700 = 137 g/km. 6. À 25 C, l énergie libérée par la combustion de 50 kg d éthanol est : Q p = Δ c H 0 x max = 1, J. 20 Véhicule Flex, acte II 1. Équation de la réaction : C 7 H 16 (g) + 11 O 2 (g) 7 CO 2 (g) + 8 H 2 2. Tableau d avancement : Équation chimique C 7 H 16 (g) + 11O 2 (g) 7CO 2 (g) + 8H 2 État n heptane État initial x = 0 n i heptane = 450 mol grand 0 0 État au cours de la transformation x 450 x grand 7x 8x État final x = x max x max = mol 450 x max = 0 grand 2x max = mol 3x max = mol La quantité de matière initiale en heptane est : n i = 45/(0,100) = 450 mol. heptane D après le tableau d avancement, les quantités de matière des produits formés en fin de réaction sont : = 7x max = mol et = 8x max = 3600 mol. Chapitre 10 - Transfert d énergie sous forme thermique 59

5 La masse de dioxyde de carbone formé par combustion totale du réservoir (autonomie de 800 km) est m dioxyde de carbone = ) = ,0 = 1, g = 139 kg. La masse de dioxyde de carbone libéré par km est donc : 1, / 800 = 173 g/km. 3. À 25 C, l énergie libérée par la combustion de 45 kg d heptane est Q p = Δ c H 0 x max = 2, J. 4. Le véhicule Flex n est pas un véhicule écologique lorsqu il fonctionne à l essence sans plomb car la masse de dioxyde de carbone émis par km dépasse 140 g/km (173 g/km). En revanche, il est écologique en fonctionnant avec du bioéthanol (masse de dioxyde de carbone émis par km : 137 g/km d après l exercice précédent). 21 Ne vous dispersez pas! 1. La valeur 3,4 MJ mol -1 est aberrante. Cette valeur est écartée. 2. Il y a N = 8 mesures non aberrantes. La valeur moyenne Δ c H 0 vaut 2,21 MJ mol s = 0,11 MJ mol a) s/1n = 0,04 b) Δ c H 0 = 2,21 ± 0,04 MJ mol a) L incertitude absolue D = t s 1N = 0,09 MJ mol-1 pour un niveau de confiance de 95 %; D = t s 1N = 0,13 MJ mol-1 pour un niveau de confiance de 99 %. D D L incertitude relative = 0,045 pour un niveau de confiance de 95 %; = 0,062 pour Δ c H 0 Δ c H 0 un niveau de confiance de 99 %. b) Pour un niveau de confiance de 95 % : Δ c H 0 = (2,11 ± 0,09) MJ mol -1. Pour un niveau de confiance de 99 % : Δ c H 0 = (2,11 ± 0,13) MJ mol -1. Pour un niveau de confiance de 95 %, on a 95 % de chances que Δ c H 0 soit compris entre 2,02 MJ mol -1 et 2,20 MJ mol -1. Pour un niveau de confiance de 99 %, on a 99 % de chances que Δ c H 0 soit compris entre 1,98 MJ mol -1 et 2,24 MJ mol Rouler bio? Non! Rouler écolo 1. Équation de la réaction : C 19 H 34 O 2 (g) + 53/2 O 2 (g) 19 CO 2 (g) + 17 H 2 2. Tableau d avancement : C 19 H 34 O 2 (g) + 53/2 O 2 (g) 19 CO 2 (g) + 17 H 2 n EMC État initial x = 0 n i = 179,6 mol EMC grand n i = 0 dioxyde de carbone n i = 0 eau État au cours de la transformation x 179,6 x grand 19x 17x État final x = x max = 179,6 mol 179,6 x max grand 19x max 17x max Application numérique 0 mol grand 3412 mol 3053 mol La masse initiale en EMC est : m i = 0,88 60 = 52,8 kg. EMC La quantité de matière initiale en EMC est : n i = 52,8/(0,294) = 179,6 mol. EMC D après le tableau d avancement, les quantités de matière des produits formés en fin de réaction sont : = 19x max = mol et = 17x max = 3053 mol. 60

6 3. Avec un réservoir de 60 L, l autonomie du véhicule consommant 6,5 L aux 100 km est : (60/6,5) 100 = 923 km. 4. La masse de dioxyde de carbone formé par combustion totale du réservoir (autonomie de 923 km) est m dioxyde de carbone = ) = ,0 = 1, g= 150 kg. La masse de dioxyde de carbone libéré par km est donc : 1,50 105/923 = 163 g/km. 5. Le véhicule bien que roulant au biodiesel n est pas un véhicule écologique car le taux d émission e par km dépasse 140 g/km (163 g/km). 23 It s in English Énoncé On travaille à une température de 25 C sous une pression de 1 bar. 1. Écrire l équation de combustion du méthane CH 4 (g). 2. À l aide des enthalpies de formation (voir cours), montrer que l enthalpie de combustion du méthane vaut : Δ c H 0 = 8,9 105 J.mol Un véhicule consomme 5 litres de méthane. Calculer la quantité d énergie thermique Q libérée au cours de la combustion. Données : M CH4 = 16 g mol -1. Masse volumique du méthane : ρ = 0,42 kg.l -1. Corrigé 1. CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2 H 2 2. Δ c H 0 (CH 4, g) = Δ f H 0 (CO 2, g) + 2Δ f H 0 (H 2 O, ) - Δ f H 0 (CH 4, g) = 3, ( 2, ) ( 7, ) = - 8, J mol ,00 L de méthane équivalent à une masse de 0,420 5,00 = 2,10 kg de méthane. Pour cette réaction, l avancement de la réaction est x max = n i CH 4 = 2,10/(0,016) = 131 mol. À 25 C, l énergie libérée par la combustion de 2,10 kg de méthane est Q p = Δ c H 0 x max = -1, J. Chapitre 10 - Transfert d énergie sous forme thermique 61

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