Exercice 1 : Conversion énergétique

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Jonathan Lachance
il y a 5 ans
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1 Exercice 1 : Conversion énergétique 1.1 On fournit 1000 joules à une ampoule à incandescence. a. Sachant que ce type d ampoule ne convertit que 5% de l énergie fournie en énergie utile, combien perd on d énergie? 95% X 1000 = 950J L énergie perdue est de 950 J. b. Sous quelle forme est cette énergie? Cette énergie est perdue sous forme d énergie thermique. 1.2 Un four consomme une quantité d énergie électrique de 900 kj en 15 minutes. En 15 minutes, il fournit une quantité d énergie thermique de 675 kj. Calculer l énergie perdue durant 15 minutes. EPP = EF EPU = = 275kJ L énergie perdue pendant 15 minutes est de 275 kj. Exercice 2 : Rendement énergétique Exercice 2.1 : On estime qu une tonne de pétrole fournit 42 GJ d énergie thermique ou 4500 kwh d électricité. a. Calculer le rendement de la centrale qui convertit l énergie thermique en énergie électrique. Conversion : 4500 kwh en J à 4500 x 3.6 x 106 = X 106 J soit 16,2 GJ Re = EPU/EF = 16.2 GJ/ 42 GJ = 0.39 Le rendement est de Exercice 2.2 : Un four consomme une quantité d énergie électrique de 900 kj en 15 minutes. En 15 minutes, il fournit une quantité d énergie thermique de 675 kj. Calculer le rendement de l appareil. Re = EPU/EF = 675 kj/ 900 kj = 0.75 Le rendement est de Exercice 3 : Puissance Exercice 3.1 : La dépense énergétique d un homme de 25 ans pesant 70 kg et vivant sous climat tempéré est évaluée à kj/jour pour une activité modérée. Calculer la puissance correspondante. P = E/t P =? E= kj = x103 J t = 1j = 24x60x60 = s. P = x 103 / = 144, 68 W La puissance est de W.

2 Exercice 3.2 : Un batteur électrique fonctionne pendant 2 minutes. L énergie produite est de Calculer la puissance de ce batteur. P = E/t P =? E= 60 kj = 60 x103 J t = 2 minutes = 2x60 = 120 s. P = 60 x 103 / 120 = 500 W La puissance est de 500 W. Exercice 3.3 : Un chauffe-plats a une puissance de 50 Watt. Calculer l énergie qu il consomme en 15 minutes. P = E/t è E = P x t P = 50 W E=? t = 15 minutes = 15x60 = 900 s. E = P x t = 50 x 900 = J = 45 kj. L énergie consommée en 15 minutes et de 45 kj. Exercice 4 : Energie et puissance Exercice 4.1 : Les miroirs d une centrale solaire captent une puissance rayonnante de 1 kw/m2. a. Calculer l énergie captée en 1 heure par m2 de miroir. Exprimer le résultat en kj et en kwh. E = P x t = 1000 x 3600 = kj par m² E = 1 x 1 = 1 kw.h par 1 m² L énergie captée en 1 heure est de kj par m² soit 1 kw.h par 1 m². b. Calculer la surface du miroir qu il faudrait installer pour que la puissance captée soit équivalente à la puissance d une éolienne de 1 MW. P = 1 MW = 1000 kw S = 1000 / 1 = 1000 m² La surface nécessaire est de 1000 m 2. Exercice 4.2 : Une photopile de surface S=0.5 m2 est éclairée par un spot halogène d une puissance de 100 W. Un luxmètre permet de mesurer l éclairement E reçu. E= lux a. Calculer en W/m2 l éclairement reçu (1 lux = 1, W/m2). E = x 1.5 x 10-3 = W/m2 L éclairement reçu est de W/m2. b. En déduire la puissance rayonnante PR reçue par la cellule. PR = 937.7x0.5 = W La puissance rayonnante reçue par la cellule est de W. c. Dans ces conditions la photopile débite un courant d intensité I=300 ma sous une tension de 250 mv. Calculer la puissance électrique fournie PE (P [W] = U [V] x I [A]). PE = x 0.3 = W La puissance électrique est de W. d. En déduire le rendement énergétique de la photopile.

3 R = PE/PR = 0.075/ = Le rendement de la photopile est de Exercice 4.3 : Un moteur à essence consomme 9 L par heure quand il fonctionne. La combustion de chaque litre d essence produit une énergie de 10 kwh. a. Calculer l énergie fournie par les 9 litres d essences Calcul de E F Application : E = 9 x 10 = 90 kwh L énergie fournier est de 90 kwh. b. Calculer la puissance absorbée (Pa) par le moteur. Sachant que le temps de fonctionnement est d une heure. Calcul de P F Fromule : P = E / t Application : P = 900 / 1 = 90 kw La puissance absorbée et de 90 kw. c. La puissance utile du moteur (Pu) étant de 31,5 kw, calculer le rendement de ce moteur. Calcul de R R = PPU / PF = 0.3 Le rendement du moteur est de 0.3. Exercice 4.4 : Chloé décide de gagner un peu d'argent en faisant du repassage chez elle. Elle veut savoir combien lui coutera l'électricité nécessaire à l'utilisation de son fer à repasser qui a une puissance de 2200 W. Le repassage dure 4 h. a. Quelle est l'énergie consommée par le fer pendant le repassage? Calcul de E F (fer) Données : P = 2200W, t = 4 h Formule : E = P x t Application : E = 2200 x 4 = 8800 Wh ou 8,8 kwh L énergie consommée est de 8,8 kwh. b. EDF lui facture le kwh, quel est le coût d'utilisation de son fer à repasser? Calcul de prix pour l utilisation du fer Données : Coût = /kWh, E = 8,8 kwh Application : Prix = x 8,8 = 0.69 E Le coût d utilisation du fer à repasser est de 0.69 Euros. c. Chloé remarque en observant le voyant d'alimentation du fer qu'il ne fonctionne en fait que 30% du temps d'utilisation. Quel sera le coût corrigé? Application : Prix = 0.69 x 0.3 = 0.34 E Le coût corrigé d utilisation du fer à repasser est de 0.34 Euros.

4 Exercice 4.5 : Nous lisons sur un panneau solaire : U = 50 V, I = 5 A et P = 210 W. Le panneau produit de l'électricité de 9h du matin à 18 h le soir. a. Calculez la durée de production journalière. t = 18-9 = 9 heures La durée de production journalière est de 9 heures. b. Calculez l'énergie fournie par le panneau en une journée, puis en un mois (on prendra 1 mois = 30 jours). Calcul de l Energie fournie par le panneau Données : tj = 9 h, tm = 9 x 30 = 270 h, P =210 W Fromule : E = P x T Application : E J =9 x 210 = 189 Wh E M =270 x 210 = Wh = 56,7 kwh L énergie journalière fournie est de 189 Wh. L énergie mensuelle fournie est de 56,7 kwh. c. Ma consommation électrique mensuelle est de 800 kwh. Combien de panneaux me faudra-t-il acheter si je veux devenir autonome en énergie? 800/56, 7 = 14.1 Il faudra en acheter au moins 15. Exercice 4.6 : Un moteur de moulin à café absorbe une énergie de 5,18 kj en 14 secondes. Le rendement du moteur est de 89%. a. Calculer la puissance absorbée et la puissance utile du moteur. Calcul de P F Données : E F = 5,18 kj / t=14 s Formule : P = E/t Application : P F = E F /t = 5180/14 = 370 W Calcul de P u Données : P F = 370W, R = 89% = 0.89 Formule : P pu = P F x R Application : P pu = R x P F = 0,89 x 370 = 329,3 W La puissance fournie est de 370 W. La puissance utile est de 329,3 W. b. Calculer l énergie électrique absorbée en 1 heure de fonctionnement et les pertes thermiques correspondantes. Calcul de E F en une heure Données : pour t=14 s, E F = 5,18 kj Application : E F = 5,18 x3600 /14 = 1332 kj L énergie absorbée est de 1332 kj.

5 Calcul de E PP en une heure Données : E F = 1332 kj, R = 89% Application : E PP = 1332 x 0.11 = kj Les pertes énergétiques en une heure sont de kj. Exercice 4.7 : Un groupe électrogène est constitué d un moteur à essence accouplé à un alternateur. Le moteur consomme 2,7 l d essence par heure et fournit une puissance mécanique de 4,3 kw. L alternateur fournit une puissance électrique de 3,8 kw. a. Calculer le rendement de l alternateur. Calcul de R (alternateur) Données : P F = 4,3kW, P PU = 3,8 kw Formule : R = P PU / P F Application : R = 3,8/4,3 = 0,88 soit 88% Le rendement de l alternateur est de 88%. b. Si un litre d essence contient une quantité d énergie chimique potentielle de 11,61 kwh, calculer le rendement du moteur. Calcul de R (moteur) Données : P F = 11,61 x 2,7 = 31,35 kw, P PU = 4,3 kw Formule : R = P PU / P F Application : R = 4,3/31,35 = 0,14 soit 14% Le rendement du moteur est de 14%. Calculer le rendement du groupe électrogène. Calcul de R (groupe électrogène) Données : P F = 31,35 kw, P PU = 3,8 kw Formule : R = P PU / P F Application : R = 3,8/31,35 = 0,12 soit 12% Le rendement du groupe électrogène est de 12%.

6 Exercice 5 : Comparaison de lampe type de lampe lampe LED lampes fluo-compactes ou basse consommation lampe à incandescence ou filament flux lumineux en lumen puissance en W durée de vie en h prix d achat indicatif en a. Nommez la grandeur qui permet une comparaison pertinente des trois lampes. La grandeur permettant la comparaison des différentes lampes est l efficacité lumineuse/le rendement. b. Calculez l efficacité lumineuse de chacune des lampes du document. Justifiez alors l interdiction totale depuis 2012 des lampes à incandescence. Efficacité lumineuse = Flux/puissance EL LED = 420/6 = 70 lumen/w EL FC = 450/9 = 50 lumen/w EL INC = 400/40 = 10 lumen/w Les lampes à incandescence sont 5 à 7 x moins efficace que les deux autres. c. En tenant compte du prix d achat et de son remplacement, l utilisation d une lampe fluocompacte a un coût de 33 euros pour une durée de fonctionnement de h. En approximant le prix du kwh à 0,10 /kwh, déterminez quelle est la lampe la plus économique entre la LED et la fluo-compacte pour une durée d utilisation de h. Coût Fluo-compacte = 33 euros Coût LED = Prix d achat + Consommation Energie consommée Fluocompact = t x P = 6 x = WH = 120 kwh Coût LED = Prix d achat + Consommation = x 0.1 = = 27 euros Pour une utilisation de heures, les lampes LED sont plus économiques de 6 euros. d. La chambre est éclairée avec une lampe à filament de 60 W pendant 1 heure. Le salon est éclairé avec une lampe fluocompacte de 15 W pendant 4 heures. La lampe du salon a consommé : autant d énergie que la lampe de la chambre.

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