REFLEXIONS AUTOUR DE LA MOTORISATION DES VOITURES PARTIE A : ENERGIE MECANIQUE DES VEHICULES

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Raymonde Pagé
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1 Sujet bac STL SPCL Martinique Juin 013 (Correction) RFLXIONS AUTOUR D LA MOTORISATION DS VOITURS PARTI A : NRGI MCANIQU DS VHICULS A-1 TUD MCANIQU DU MOUVMNT A-1-1 Caractéristique du mouvement a) Le véhicule est animé d un mouvement rectiligne uniforme donc la chronophotographie qui illustre ce mouvement est la chronophotographie 3. La trajectoire est une droite donc le mouvement est rectiligne et l écart entre les points est le même donc la vitesse est constante donc le mouvement est uniforme. f r R r P r N F r c) Le mouvement étant rectiligne uniforme, les forces se compensent donc la résultante des forces est nulle. On a donc : F f A-1- tude de la force de frottement et de son lien avec la consommation a) Les grandeurs du tableau de l annexe 1 dont dépendent la force de frottement et donc la consommation sont la vitesse v et le coefficient aérodynamique C Coefficient aérodynamique consommation Voiture 1 0,4 0,91 Voiture 0,38 0,8 Voiture 3 0,30 0,65 0,4/0,38 1,11 0,91/0,8 1,11 0,4/0,30 1,4 0,91/0,65 1,4 0,38/0,30 1, 0,8/0,65 1,6 Les quotients des consommations sont égaux aux quotients des coefficients donc la consommation est proportionnelle au coefficient de trainée pour une vitesse donnée. c) On ne peut pas faire l hypothèse d une proportionnalité entre consommation et vitesse car les courbes obtenues ne sont pas des droites passant par l origine. d) f 0,5 ρ S C V kg.m -3 m m.s - kg.m.s - N Donc l expression de la force de frottement fluide est bien homogène à une force

La trajectoire est une droite donc le mouvement est rectiligne et l écart entre les points est le même donc la vitesse est constante donc le mouvement est uniforme.

2 A- TUD NRGTIQU A--1. tude de la voiture à moteur thermique a) F ρ v S C 1, 1,8 0,33 5 N 3,6 F m F 5 N 0 P m F m v 5,64 3 W 3, 6 c) m P m t ,96 J 39,6 MJ d) η chimique utile mécanique η mécanique chimique 3 8,96 0, 1,98 J 198 MJ 198 MJ 158 MJ chimique mécanique + thermique thermique chinique - mécanique 1,98 8-3,96 1,58 8 J 158 MJ e) chimique 198 V 5,5 L La consommation en litres pour 0 km est de 5,5 L 0 60 d 91 km 5,5 L autonomie est 91 km pour un volume de gazole de 60 L.

11 3 3600 3,96 J 39,6 MJ d) η chimique utile mécanique η mécanique chimique 3 8,96 0, 1,98 J 198 MJ 198 MJ 158 MJ chimique

3 A-- tude de la voiture à moteur électrique a) utile mécanique η électrique mécanique η électrique 3,95 0,8 4,93 J 49,3 MJ électrique mécanique + thermique thermique électrique - mécanique 4,93-3, J 9,8 MJ électrique 49,3 MJ nergie électrique nergie mécanique th 9,8 MJ nergie thermique PARTI B : RSRVOIRS T CONVRSIONS D NRGI B-1 RFLXION AUTOUR DS RSRVOIRS a) Les deux limites actuelles à l utilisation des batteries pour les véhicules «électriques» sont : la difficulté de stocker l énergie électrique et le temps de charge. Pour une batterie de 0 kg, l autonomie est de 150 km donc pour une autonomie de 00 km, la masse de la batterie sera de : 0 kg 150 km M 00 km M 0 00/ ,3 kg c) Pour diminuer le temps de charge des batteries électriques on peut utiliser des bornes de rechargement offrant une tension plus élevée. d) Puissance électrique fournie par ce panneau solaire. P U I W Rendement du panneau solaire. P P P utile électrique électrique 140 η 0,16 soit 16 % P P S solaire

utilisation des batteries pour les véhicules «électriques» sont : la difficulté de stocker l énergie électrique et le temps de charge.

4 Surface de panneaux solaires, dans ces conditions d éclairement, pour recharger la batterie en une durée de dix heures. nergie de la batterie exprimée en joules : 5 kwh,5 4 Wh, J Puissance de la batterie : P t P t W 3600 Surface de panneaux solaires : Pélectrique η S Pélectrique S η ,6 m 00 0,16 La surface des panneaux solaires à installer sur le toit est de 15 m ce qui est difficile à installer sur le toit d une voiture. B- CONVRSIONS D NRGI B--1 Transfert d énergie sous forme thermique a) quation de la réaction de combustion du mélange d hydrocarbure dans le dioxygène O C H O 8H O + CO distance de 0 km. Quantité de matière d heptane, notée n H0 (exprimée en mol), consommée sur une m ρ V 0 5 nh0 or m ρ V donc nh0 36 mol M M 0 c) Quantité de matière d heptane, notée nh (exprimée en mol) est consommée par km. nh n H0 /0 0,36 mol d) D après l équation de la réaction, on a la relation : nc n H16 CO 1 n n 0,36,5 mol CO C H 4 e) mco nco M CO, g Donc ce véhicule est bien conforme aux normes actuelles car l émission de dioxyde de carbone est inférieure à 140 g par km parcouru. B-- Transfert d énergie sous forme électrique a) Le dihydrogène joue le rôle de réducteur car il cède des électrons

La surface des panneaux solaires à installer sur le toit est de 15 m ce qui est difficile à installer sur le toit d une voiture.

5 H (g) H + (aq) + e - ( ) O (g) + 4H +(aq) + 4e - H O (l) H (g) + O (g) H O (l) c) Dans ce cas, il y a uniquement production d eau et il n y a pas de rejet de dioxyde de carbone contrairement à l utilisation de l heptane. d) Pour limiter le volume de dihydrogène dans le réservoir on peut le comprimé, le liquéfier ou le combiné chimiquement avec du méthanol ou du méthane. Le problème auquel est confrontée la technologie des piles à hydrogène est la production et l approvisionnement qui est couteux en énergie. C.1 TUD NRGTIQU PARTI C : TUD D UN CHAUFF-AU SOLAIR nergie solaire Fluide caloporteur nergie thermique nergie thermique C. THRMOSIPHON a) Le système thermosiphon ne comporte pas de pompe alimentée par le courant électrique. Une installation électrique n est pas nécessaire. Ce type de système est autonome. Le système thermosiphon nécessite de placer le ballon au dessus du capteur c'est-à-dire sous le toit dans les combles C.3 SURFAC D PANNAUX La corse étant située en zone 4, la surface des panneaux solaires est de à,5 m. Mais on utilise un ballon de volume 150 L, il faut donc choisir,5 m pour la surface des panneaux solaires. ( m est à choisir pour un ballon de volume de 0 L) C.4 RNDMNT Le système, suite à des pertes diverses, ne convertit pas toute l énergie lumineuse en chaleur. On souhaiterait connaître le rendement d une telle installation pour 3,00 m² de panneaux. Rappel : rendement puissance reçue par l eau / puissance lumineuse reçue.

Le problème auquel est confrontée la technologie des piles à hydrogène est la production et l approvisionnement qui est couteux en énergie. C.

6 a) m Ceau ϑ ρ V Ceau ϑ ,18 ( 65 15) 3,14 J P t 3,14 P t ,4 W c) P R P L S W d) Putile P 144,4 η 0,58 soit 58 % P P 3000 R C.5 FLUID CALOPORTUR Pour apporter l énergie 3,14. J nécessaire au chauffage de l eau pendant t 5,00 h, le fluide caloporteur doit circuler dans le panneau avec un débit volumique Q V constant en emmagasinant l énergie. a) m C ϑ m C eau eau 3,14 3 ϑ 4,18 ( 5 60). 500,8 kg Q V V m,8 m. s t ρ t ,

J nécessaire au chauffage de l eau pendant t 5,00 h, le fluide caloporteur doit circuler dans le panneau avec un

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