Chaînes énergétiques

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1 Chapite 7 Chaînes énegétiques Découvi Activité expéimentale n 1 Comment fonctionne une voitue utilisant une pile à combustible? Expéience n 1 Au niveau des ésevois, on obseve la fomation de bulles : des bulles de gaz dihydogène dans le ésevoi désigné pa H 2 et de dioxygène dans le ésevoi désigné pa O 2. En cachant le panneau solaie, il n y a plus poduction de gaz au niveau des ésevois : c est le panneau solaie qui appote l énegie nécessaie à la fomation des gaz dihydogène et dioxygène à pati de l eau. Exploite : Énegie solaie Panneau solaie Énegie électique 1. Soleil Expéience n 2 La voitue se met en mouvement. Elle acquiet de l énegie sous fome d énegie cinétique. Losque la voitue oule, on obseve au niveau des ésevois une consommation des gaz dihydogène et dioxygène. Exploite : 1. L énegie stockée pa les ésevois de la pile à combustible est de l énegie chimique. 2. Chaîne énegétique de la voitue alimentée pa la pile à combustible : Résevoi de la pile à combustible Énegie chimique Énegie électique Pile à combustible Moteu électique Énegie NATHAN - La photocopie non autoisée est un délit. Activité documentaie n 2 Odes de gandeus des énegies stockées dans des ésevois d énegie Exploite : 1. L énegie massique de la batteie au plomb de la voitue est J kg 1 ; celle des batteies LMP est : 3, J kg -1. La masse d un ésevoi de gazole de 40 L est 40 0,85 = 34 kg. L énegie massique est 5, J kg -1. L énegie stockée dans un ésevoi de gazole est envion 200 fois plus gande que celle stockée dans une batteie. 2. L énegie poduite à pati de 40 L de gazole est : E m = 0, = J. 3. L énegie poduite à pati de la batteie LMP est : E m = 0, = J. 4. La masse d une batteie LMP qui stockeait autant d énegie qu un ésevoi de 40 L de gazole est de 300 ( /10 8 ) = kg, soit envion 6 fois la masse d une voitue de taille moyenne. Cette masse est top élevée pou ête utilisée pa une voitue électique. Chapite 7 - Chaînes énegétiques 39

2 5. La voitue oule duant une duée T = /( ) = 3, s = 9 h 15 min. Elle pacout une distance égale à L = vt = 27,8 3, = 9, m = 9, km. Une chaîne énegétique epésente les éléments de stockage et de convesion de l énegie en pécisant ses difféentes fomes (électique, chimique, etc.). Extaie l infomation utile La Ventui Eclectic Exploite : 1. Chaîne énegétique simplifiée du véhicule en mouvement (utilisation en diect) : Soleil Énegie ayonnante Panneau solaie Énegie électique Moteu électique Énegie Résevoi Énegie themique En toute igueu, la chaîne doit faie appaaîte la batteie, ca la puissance ayonnante n est pas suffisante pou founi la puissance nécessaie au fonctionnement du véhicule en «diect». La batteie joue à la fois le ôle de ésevoi d énegie sous fome chimique et de convetisseu électique-chimique (fonctionnement en accumulateu), puis chimique-électique losqu elle fonctionne en «pile» : Résevoi d énegie : soleil Énegie ayonnante Panneau solaie Énegie électique Batteie en chage (accumulateu) Énegie chimique Résevoi chimique : batteie Énegie themique Puis : Résevoi chimique : batteie Énegie chimique Batteie Énegie électique Moteu électique Énegie Énegie themique 2. Chaîne énegétique de la echage de la batteie pa l éolienne : Résevoi : vent Énegie Altenateu Énegie électique Batteie en chage (accumulateu) 3. Énegie ayonnante emmagasinée duant une jounée (12 h) : E = 150 2, = 1, J. Énegie chimique Résevoi chimique : batteie Énegie themique NATHAN - La photocopie non autoisée est un délit. 40

3 4. L énegie électique effectivement disponible est : E = 0,1 E = 1, J. 5. Duée de fonctionnement : T = (0,7 1, )/( ) = 112 s (envion 2 min!) à une vitesse de 50 km/h, soit envion une distance L = vt = 13,9 112 = 1, m = 1,5 km. Réalise un TP On peut utilise un tableu type Régessi pou tace les coubes demandées et en faie ensuite l exploitation. S entaîne Testez vos connaissances 1. b) ; 2. c) ; 3. c) ; 4. b) ; 5. b) ; 6. a) ; 7. a), b) et c) ; 8. b) ; 9. b) ; 10. b). Applications diectes du cous 11 Chaîne énegétique d une moto Essence + ai Énegie chimique Moteu électique Énegie Énegie themique 12 Chaîne énegétique d une éolienne Résevoi d énegie : vent Énegie Altenateu Énegie électique Énegie themique NATHAN - La photocopie non autoisée est un délit. 13 Résevoi d essence L énegie chimique stockée dans un ésevoi contenant 70 L d essence est E = Δ c H 0 (70 0,85) = 2, J. 14 Supecondensateu L énegie électique emmagasinée dans un supecondensateu de capacité C = 3 F et soumis à une tension U = 2 V est E = 1 2 CU 2 = 0, = 6 J. 15 Levage d une chage pa une gue 1. Rendement du convetisseu η = 12/18 = 0,67 (67 %). 2. Chaîne énegétique complétée : Chapite 7 - Chaînes énegétiques 41

4 Batteie Énegie chimique Moteu électique Énegie Énegie themique Ai ambiant 16 Feinage d un scoote 1. E c = 0, = 7, J. 2. a. faux. b. vai. c. vai. 17 Ma bobine a de l énegie I = 4 2E L = = 100 A Puissance moyenne 1. P m = UI = 6 2,5 = 15 W. 2. L énegie électique moyenne eçue pa l installation est E = P m T = 15 (90 60) = 8, J. Execices d entaînement 19 Ça oule! 1. E = Δ c H 0 6,5 0,85 = 2, J. 2. P R = F v = = 3, W. 3. η = P R /P F avec P F = E/T = 2, /( /130) = 2, /2, = 8, W donc η = 3, /8, = 37 %. 4. P m = 3, /0,90 = 37 kw. 5. Gazole + ai Énegie chimique Moteu themique Énegie Oganes de tansmission Énegie 20 Rechage d une batteie Énegie themique 1. 1 kwh = 3, J. La capacité Q de la batteie (capacité utile) du camion est Q = = 6, J. La capacité coespondant à la capacité utile Q et payée pa l utilisateu est : Q = Q/0,60 = 1, J = 0,28 kwh. Le pix de la chage est de 0,28 0,11 = 3,2 centimes. 2. Le endement total de la chaîne est 0,6 0,3 = 0,18 (18 %). La capacité coespondant à la capacité utile et payée pa l utilisateu est : Q = Q/0,18 = 3, J. La masse de gazole nécessaie est m = Q /Δ c H 0 = 0,075 kg soit 0,075/0,85 = 0,089 L. Le coût de la echage est : 0,089 1,42 = 13 centimes. NATHAN - La photocopie non autoisée est un délit. 42

5 21 Une voitue qui ne manque pas d ai! 1. Chaîne énegétique complétée : Ai compimé Énegie themique Moteu Énegie Oganes de tansmission Énegie themique Ai ambiant MJ = 2, J ; 1 kwh = 3, J ; 27 MJ = 7,5 kwh ; 51 MJ = 14 kwh. 3. La plage d énegie éellement poduite pa le ésevoi va de 13,5 MJ à 25,5 MJ. 4. La plage de duée de fonctionnement vaie de (1, )/( ) = 675 s = 11 min 15 s à (2, )/( ) = s = 21 min 15 s. 5. La plage d autonomie de la voitue vaie de (27/18) 100 = 150 km à (51/18) 100 = 283 km. 22 Éolienne 1. Énegie Énegie Vent Éolienne Altenateu 2. S = πl 2 = 3, m Énegie électique v (m s -1 ) C P 0,40 0,45 0,48 0,27 0,11 0,053 P f (W) 1, , , , , , P fmax = 1, W pou v = 15 m s P E = 3, ,94 0,95 0,97 = 2, W. 6. Un tansfomateu élève ou abaisse la tension altenative appliquée au pimaie. 7. W E = = 9, kw h. NATHAN - La photocopie non autoisée est un délit. 23 Ça feine et ça chauffe! 1. E C1 = 0, (36) 2 = 8, J. 2. E C2 = 0, (20) 2 = 2, J. 3. a. L échauffement ésulte des fottements solides ente les disques de fein et les pneus. b. En admettant que la vaiation d énegie cinétique est intégalement cédée aux disques, ces denies eçoivent l énegie themique E C1 E C2 = 6,0(5) 10 5 J. c. On écit la consevation de l énegie : E C1 E C2 = mc P (θ f θ i ) avec m = 2 3,8 = 7,6 kg (la voitue possède deux disques de fein). On en déduit la tempéatue finale des disques : θ f = 213 C. 4. a. En 1 h, la voitue pacout 90 km, ce qui coespond à une consommation de : (90/100) 8= 7,2 L, soit une masse d essence consommée de 0,85 7,2 = 6,1 kg. L énegie themique cédée au moteu est : E th = 4, ,1 = 2, J. b. L énegie founie pa le moteu est E m = P m = = 7, J. Chapite 7 - Chaînes énegétiques 43

6 c. Le endement du moteu est η = E m /E th = 7, /2, = 0,25 (25%). d. La puissance maintenant founie pa le moteu vaut P m = 20,1 kw. Avec la même masse d essence consommée, la duée de fonctionnement est T = E m /P m = s et la distance pacouue 90 est L = vt = = 8, m = 89,5 km. Avec les phaes allumés, le véhicule pacout 500 m de moins. 24 It s in english Énoncé Un moteu diesel a un endement de 50 %. Les oganes de tansmission du véhicule ont un endement de 70 %. 1. Que vaut le endement global du véhicule? 2. Le moteu themique founit une puissance P m = 10 kw pendant une duée de 2,0 h. Calcule l énegie themique E th dissipée pa les fottements du véhicule avec la oute et l ai. Coigé 1. Le endement global est 0,50 0,70 = 0,35 (35 %). 2. L énegie délivée pa le moteu duant deux heues vaut : E m = = 7, J. L énegie themique dissipée à cause des fottements du véhicule avec la oute et l ai vaut : E th = (1 0,70) 7, = 2, J. NATHAN - La photocopie non autoisée est un délit. 44