Véhicule hybride et impact environnemental

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1 Physique-Chimie Programme de première S Véhicule hybride et impact environnemental Thème : Agir Convertir l'énergie et économiser les ressources Type de ressources : activité documentaire : résolution de problème Notions et contenus : Énergie libérée lors de la combustion d un hydrocarbure ou d un alcool. Compétences travaillées ou évaluées : - Écrire une équation de combustion. - Argumenter sur l impact environnemental des transformations mises en jeu. - Déterminer l ordre de grandeur de la masse de CO2 produit lors du déplacement d un véhicule Nature de l activité : résolution d un problème Résumé (en 5 lignes au plus) : résolution de problème pour une classe de 1S Evaluation de la masse de dioxyde de carbone libérée par kilomètre par un véhicule hybride. En déduire le montant du bonus. Mots clefs : véhicule hybride, dioxyde de carbone, rejets de CO 2, impact environnemental Académie où a été produite la ressource : REIMS

2 Physique-Chimie Programme de première S Véhicule hybride et impact environnemental Table des matières Contextualisation... 3 Les documents supports... 3 Remarques et conseils pour les enseignants... 5

3 Physique-Chimie Programme de première S Véhicule hybride et impact environnemental 1. Contextualisation D après le rapport de la MIES (Mission Interministérielle de l Effet de Serre), il faudrait, en ce qui concerne les pays industrialisés, diviser par 4 les rejets de CO 2 d ici à l horizon 2050 pour contenir le réchauffement climatique en dessous de 2 C. Afin de réaliser cet objectif, les commissions, qui composaient le Grenelle de l environnement, ont présenté entre autres, le bonus/malus qui favorise le développement des véhicules à faible rejet de CO 2. Le groupe japonais Toyota travaille sur l hybride depuis 1997 et l une de ces berlines est le véhicule le plus vendu dans le monde. Problématique :quel est le montant du bonus de ce véhicule hybride? 2. Les documents supports Document 1 : Fiche technique de la Toyota Prius FICHE TECHNIQUE Prix (à partir de ) Moteur / Cylindrée (cm 3 ) / Soupapes 4 / 1798 / 16 Energie électrique / essence Puissance fiscale (CV) 5 Puissance (ch / kw à tr/mn) 136 à 5200 Couple (Nm à tr/mn) 142 à 4000 Transmission avant Boîte de vitesse (man. / auto.) Variable CVT Vmax (km/h) / 0 à 100 km/h (s) 180 / 10,4 Conso. extra-urbaine / urbaine / mixte (l / 100 km) 3,7 / 3,9 / 3,9 CO 2 (g / km) / BONUS - MALUS ( ) Poids (kg) 1370 Réservoir (l) 45 Volume du coffre (dm 3 ) 445 Pneus 195 / 65 R 15 Source : Automobile magazine hors-série «toutes les voitures du monde » - édition 2014

4 Document 2 : Montants bonus / malus : BONUS ZONE NEUTRE MALUS Inférieur à 21 g/km de CO 2 : 27 % du prix (6300 maxi) De 21 à 60 g/km de CO 2 : 4000 Hybrides de 61 à 110 g/km de CO 2 : 8,25 % du prix (entre 1650 et 3300 ) Thermiques < 91 g/km de CO 2 : 150 de 91 à 130 g/km de CO 2 : 4000 de 131 à 135 g/km de CO 2 : 150 de 136 à 140 g/km de CO 2 : 250 de 141 à 145 g/km de CO 2 : 500 de 146 à 150 g/km de CO 2 : 900 de 151 à 155 g/km de CO 2 : 1600 de 156 à 175 g/km de CO 2 : 2200 de 176 à 180 g/km de CO 2 : 3000 de 181 à 185 g/km de CO 2 : 3600 de 186 à 190 g/km de CO 2 : 4000 de 191 à 200 g/km de CO 2 : 6500 A partir de 201 g/km de CO 2 : 8000 Source : L automobile magazine février Document 3 : données relatives à l'essence L essence est un mélange d hydrocarbures. Pour simplifier, on pourra assimiler l essence à un isomère de l octane de formule chimique C 8 H 18 et de masse volumique ρ = 0,70 g.cm -3. M(C) = 12,0 g.mol -1 M(O) = 16,0 g.mol -1 M(H) = 1,0 g.mol -1.

5 3. Remarques et conseils pour les enseignants La classe : 1S Durée : 1h Dans le programme : Thème : Agir Notion et contenus : Convertir l'énergie et économiser les ressources. Énergie libérée lors de la combustion d un hydrocarbure ou d un alcool. Grille d évaluation : Compétences S APPROPRIER ANALYSER REALISER Critères de réussite - Identifier les grandeurs à calculer : la masse de CO 2 émis par km puis le bonus (doc 1) - Extraire et déduire du document 1, le volume d essence (octane) consommé pour 100 km, en déduire le volume consommé par km. - Calculer la masse puis la quantité de matière d octane consommée. - Ecrire l équation de combustion de l octane - Construire un tableau d avancement pour la combustion de l octane - Déduire du tableau la quantité de matière de CO 2 émise lors de la combustion. - Calculer la masse de CO 2 émis - Déduire du document 2, le bonus du véhicule hybride - Le véhicule consomme 3,9 L s il parcourt 100 km soit une volume de 3, L par km. (le cycle mixte est choisi ici, tout autre choix est recevable) - calcul de la masse d octane: m(octane)= ρ V= 0,70 39= 27,3 g -calcul de la quantité de matière d octane : n(c 8 H 18 ) = m(c 8 H 18 ) / M(C 8 H 18 ) = 27,3 / 114,0 = 0,24 mol - Equation de la combustion: 25 C 8 H 18 (l) + O2 (g) 8 CO 2 (g) + 9 H 2 O (g) 2 Tableau descriptif de l avancement de la combustion (non obligatoire) Etat du système Avancement (mol) C 8 H O2 8 CO H 2 O 2 E.I. 0 0,24 excès 0 0 En cours x 0,24 - x excès 8 x 9 x E.F. x max 0,24 - excès 8 x max 9 x max x max Le dioxygène ne peut être le réactif limitant car il est puisé dans l atmosphère. Le réactif limitant étant l octane, l avancement maximal x max = 0,24 mol et la quantité de CO 2 formé est n f (CO 2 ) = 8 0,24 = 1,9 mol La masse de CO 2 émis est : m(co 2 ) = n f (CO 2 ) M(CO 2 ) m T (CO 2 ) = 1,9 44,0 = 84 g Niveaux de maîtrise A B C D

6 D après le document 2, le bonus des véhicules hybrides qui émettent entre 61 g et 100 g de CO 2 au km correspond à 8,25% du prix 8,25 d où bonus = = 2322 euros VALIDER Et COMMUNIQUER Ce bonus est bien dans la fourchette : euros réponse à la question : «Quel est le montant du bonus de ce véhicule hybride?» Faire preuve d'esprit critique sur la valeur du bonus (ou émission CO 2 ) - maîtrise des compétences langagières de base et du vocabulaire scientifique ; - résultats exprimés avec les unités correctes et 1 ou 2 chiffres significatifs au maximum. EVALUATION La grille permet d apprécier, selon quatre niveaux, les compétences développées dans le sujet par le candidat. Pour cela, elle s appuie sur des indicateurs adaptés à l exercice et traduisant les critères fixés. Niveau A : les indicateurs choisis apparaissent dans leur (quasi)totalité Niveau B : les indicateurs choisis apparaissent partiellement Niveau C : les indicateurs choisis apparaissent de manière insuffisante Niveau D : les indicateurs choisis ne sont pas présents L ATTRIBUTION DE LA NOTE Le regard porté sur la grille de compétences de manière globale aboutit, en fonction de la position des croix, à la note évaluant la production de l élève. Il est inutile de chercher à faire un tableau recensant tous les cas de correspondances possibles entre la grille et les notes de 0 à 5. L approche globale selon le profil donné par les croix sur la grille, s avère plus pertinente. Quelques repères, cependant, peuvent être donnés pour l harmonisation : Quelques repères, cependant, peuvent être donnés pour l harmonisation : - majorité de A : note entre 4 et 5 (majorité de A et aucun C ou D : 5) - majorité de B : note entre 2 et 4 (uniquement des B : 3) - majorité de C : note entre 1 et 3 (uniquement des C : 2) - majorité de D : note entre 0 et 2 (uniquement des D : 0 ; dès qu il y a d autres niveaux que le D : 1 ou 2)

7 Scénario pédagogique Compétences mobilisées S approprier Analyser Réaliser Etapes de la démarche Action de l élève Place de l enseignant Prise de connaissance du problème et des documents. Reformulation du problème. L élève repère la grandeur qu il doit chercher et calculer. Interventions concernant le vocabulaire ou pour expliquer ce qu est un véhicule hybride par exemple Au brouillon, lister les différentes étapes nécessaires à la résolution du problème : - Equation de réaction de combustion ; - Tableau d avancement ; - Calcul de la quantité de matière d octane à partir de la masse donnée dans le doc 1 ; - Exploitation du tableau d avancement pour obtenir la quantité de matière de CO 2 émis ; - Calcul de la masse de CO 2 émis ; - Calcul du bonus. Aiguillage des groupes sous forme d un schéma mental par exemple - Equation de réaction de combustion - Tableau d avancement ; - Calcul de la quantité de matière d octane à partir de la masse donnée dans le doc 1 ; - Exploitation du tableau d avancement pour obtenir la quantité de matière de CO 2 émis ; - Calcul de la masse de CO 2 émis ; - Calcul du bonus Aides durée : 5 à 10 minutes Au-delà, aide1 aide 2 aide 3 aide 4 aide 5 aide 6 durée : 15 minutes durée : 20 minutes Valider et Communiquer Réponse aux questions et désamorçage de certaines situations par le biais de coups de pouces Réponse au problème. Vérification du vocabulaire employé, du nombre de chiffres significatifs. Rappel du choix du nombre de chiffres significatifs si besoin En continu puis 5 à 10 minutes de relecture et rectifications

8 Schéma mental : Ce schéma peut être fourni en entier ou en partie suivant les difficultés rencontrées. Equation de combustion Combustion de l octane Tableau d avancement Quantité d octane consommée par km Quantité de CO 2 émis Masse de CO 2 émis Les flèches de couleurs symbolisent les démarches possibles. Bonus Aide 1 : Pour obtenir le montant du bonus, il faut trouver la masse de CO 2 émis par km et à l aide du document 2, calculer sa valeur. Aide 2 : Schéma d une réaction complète de combustion d un alcane, le méthane : Aide 3 : tableau d avancement vierge Etat du système Avancement (mol) E.I En cours E.F. x x max

9 Si nécessaire, ce coup de pouce peut exister sous une forme plus ou moins complète et suivant les étapes suivies par l élève, il comportera des valeurs numériques ou des expressions. Etat du système Avancement (mol) C 8 H O2 8CO 2 + 9H 2 O 2 E.I. 0 n 0 excès 0 0 En cours x excès E.F. x max excès Etat du système Avancement (mol) C 8 H O2 8CO 2 + 9H 2 O 2 E.I 0 0,24 excès 0 0 En cours x excès E.F x max excès Remarque : il est possible que certains élèves ne passent pas par le tableau d avancement s'ils ont raisonné avec les nombres stœchiométriques directement à partir de l équation de réaction. Aide 4 : Deux niveaux différents : La masse volumique s exprime en g.cm -3. Quelle relation peut exister entre la masse volumique, la masse et le volume? La relation entre la masse volumique ρ et le volume V est : avec ρ en g.cm -3 ; m en gramme et V en cm 3. m V Aide 5 : La relation permettant de calculer une quantité de matière à partir d une masse est : Avec n quantité de matière en mol, m la masse en gramme et M, la masse molaire moléculaire en g.mol -1. n m M Aide 6 : trois niveaux différents: De l octane ou du dioxygène, quel est le réactif limitant? Que peut-on dire de la quantité de matière à l état final du réactif limitant? x max = 0,24 mol.