Activité sur le Web : Recherche sur le Web La thermochimie des carburants pour fusées, page 513 Les fusées existent depuis plus longtemps qu on ne pourrait le croire. Au cours de l histoire, diverses formules de carburants pour fusées, appelés ergol ou propergol, ont été élaborées. Dès les années 200 av. J.-C., on avait inventé la technologie de la poudre à canon. Après des siècles de recherches et de découvertes, les progrès technologiques ont réussi à transporter des humains sur la Lune et des robots sur Mars. La conception des fusées modernes varie selon le type de carburant (solide ou liquide) utilisé. Chaque type de propergol présente des avantages et des inconvénients. Actuellement, plusieurs systèmes de lancement modernes, tels que ceux de la navette spatiale ou de la fusée Atlas V, recourent à une combinaison de carburants liquides et solides. On exploite ainsi les forces de chacune de ces technologies pour propulser ces engins dans l espace. Les scientifiques doivent tenir compte, entre autres, de facteurs tels que la sécurité, la fiabilité, l impact environnemental et les coûts. Objectifs Une équipe d ingénieurs en techniques aérospatiales travaille à la conception, à la fabrication et à la mise à l essai d une fusée réutilisable. Cette fusée aura une grande charge utile et sera destinée aux voyages dans l espace. Les ingénieurs doivent choisir le type de carburant qui conviendra le mieux à la fusée et désirent obtenir les conseils de ton équipe d experts. Ils vous demandent de faire des recherches sur les quatre carburants énumérés au tableau 1. La conception de la fusée dépendra du résultat de vos recherches. Tableau 1 : Données de référence pour les réactions des carburants choisis Réaction du carburant 3 Al(s) + 3 NH 4 ClO 4 (s) Al 2 O 3 (s) + AlCl 3 (s) + 3 NO(g) + 6 H 2 O(g) H 2 (g) + 1 2 O 2 (g) H 2 O(g) 4 CH 3 NHNH 2 (l) + 5 N 2 O 4 (l) 5 N 2 (g) + 4 CO 2 (g) + 12 H 2 O(g) C 12 H 26 (l) + O 2 (g) CO 2 (g) + H 2 O(g) (réaction non équilibrée) Réactif ou produit perchlorate d ammonium chlorure d aluminium hydrogène oxygène hydrazine de monométhyle tétroxyde de diazote n-dodécane Données thermochimiques f = 295,8 kj/mol NH 4 ClO 4 (s) ƒ = 705,6 kj/mol AlCl 3 (s) f = 54,1 kj/mol CH 3 NHNH 2 (l) f = 19,6 kj/mol N 2 O 4 (l) ƒ = 291,0 kj/mol C 12 H 26 (l) Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 1
Ton groupe doit livrer les éléments suivants à l équipe d ingénieurs : une présentation PowerPoint (ou semblable) qui décrit les propriétés et les réactions de diverses formules de propergol ; une recommandation sur le meilleur propergol à utiliser. Démarche 1. Joins-toi à une équipe selon les indications de ton enseignante ou de ton enseignant. Attribuez à chacun une tâche différente, par exemple une page sur chacune des réactions. 2. Votre équipe doit faire des recherches sur les aspects suivants : a) le classement des réactions en fonction du type de carburant (solide ou liquide) ; b) la quantité d énergie libérée dans chaque réaction équilibrée (le changement enthalpique de la réaction, tel qu il est indiqué) ; c) la quantité d énergie libérée par gramme de chacun des carburants ou réactifs (ou combinaison de réactifs) ; d) la conception générale des propulseurs à carburant solide et liquide. 3. Une fois la recherche terminée, organisez une rencontre d équipe et envisagez toutes les solutions en analysant les divers aspects. Quel est le carburant le plus approprié à la fusée conçue par les ingénieurs? 4. Intégrez vos résultats de recherche à votre présentation PowerPoint en incluant tous les éléments ci-dessous : une page titre qui comprend le but de la présentation et le nom des membres de l équipe ; une page d introduction où sont énumérés tous les carburants étudiés, regroupés par catégorie (solide ou liquide) ; une page qui décrit brièvement la conception des propulseurs à carburant solide, y compris les avantages et les inconvénients des carburants solides comme agents propulsifs de fusées ; une page qui décrit brièvement la conception des propulseurs à carburant liquide, y compris les avantages et les inconvénients des carburants liquides comme agents propulsifs de fusées ; une page qui présente un tableau résumant les renseignements suivants : chaque réaction classée selon le type de carburant (solide ou liquide) ; la quantité d énergie libérée dans chaque réaction équilibrée (le changement enthalpique de la réaction, tel qu il est indiqué) ; la quantité d énergie libérée par gramme de chacun des carburants ou des réactifs (ou combinaison de réactifs) ; une ou deux pages qui présentent le meilleur carburant pour propulser en orbite une fusée à capacité de charge élevée. La conception de la fusée peut comprendre Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 2
plusieurs étages ou plusieurs types de carburants. Toutefois, vous devez justifier vos choix sur le plan économique, environnemental, etc. Il n est pas nécessaire d inclure les calculs d enthalpie dans vos tableaux, mais vous devrez les conserver au cas où votre client voudrait les consulter. Évaluation Descripteur 4 3 2 1 Contenu de la présentation audiovisuelle Les élèves ont classé correctement les réactifs pour les quatre types de réactions énumérés. Plusieurs avantages et inconvénients des propulseurs à carburant liquide ou solide sont très clairement présentés. Les valeurs exactes sont fournies pour la quantité d énergie libérée dans chacune des réactions chimiques équilibrées et par gramme de carburant. Les élèves ont classé correctement la plupart des réactifs pour les quatre types de réactions énumérés. Certains avantages et inconvénients des propulseurs à carburant liquide ou solide sont clairement présentés. La plupart des valeurs exactes sont fournies pour la quantité d énergie libérée. Les élèves ont classé correctement certains réactifs pour les quatre types de réactions énumérés, avec des erreurs importantes. Certains avantages et inconvénients des propulseurs à carburant liquide ou solide sont présentés. Les valeurs fournies pour la quantité d énergie libérée comportent certaines erreurs importantes. Les élèves n ont pas classé les réactifs pour les quatre types de réactions énumérés. Peu d avantages et d inconvénients (ou aucun) sont présentés sur les propulseurs à carburant liquide ou solide. Aucune valeur n est fournie pour la quantité d énergie libérée. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 3
Qualité générale de la présentation audiovisuelle fait preuve d une recherche approfondie. Toutes les sources d information sont citées correctement. est très bien structurée et facile à suivre ; elle est très soignée, attrayante et fait preuve d une recherche adéquate. La plupart des sources d information sont citées correctement. est bien structurée et facile à suivre ; elle est soignée, attrayante et fait preuve d une recherche limitée. Certaines sources d information sont citées, mais pas toujours correctement. est assez structurée et facile à suivre ; elle est assez soignée, attrayante et fait preuve d une recherche insuffisante. Les sources d information ne sont pas citées. n est ni structurée ni facile à suivre ; elle n est ni soignée, ni attrayante ni Résultats d apprentissage visés 30 A1.4c 30 A1.5c 30 A1.6c 30 A1.8c Écrire les équations équilibrées des réactions chimiques comportant des transformations d énergie. Utiliser et interpréter la notation ΔH pour communiquer et calculer les transformations d énergie qui ont lieu dans les réactions chimiques. Prédire la variation d enthalpie pour les équations chimiques en utilisant les enthalpies de formation standard. Utiliser des données calorimétriques pour déterminer les variations d enthalpie dans les réactions chimiques. 30 A1.1sts Expliquer que la technologie est destinée à fournir des solutions à des problèmes pratiques : 30 A1.2h 30 A1.3h énoncer des moyens d utiliser l énergie plus efficacement. Mener des recherches sur des relations entre des variables observables et utiliser un éventail d outils et de techniques pour recueillir et enregistrer des données et de l information : choisir et intégrer de l information provenant de diverses sources imprimées et électroniques pour créer des documents à liens multiples sur l utilisation des carburants de remplacement. Analyser des données et appliquer des modèles conceptuels et mathématiques pour élaborer et évaluer des solutions possibles : comparer les transformations d énergie associées à diverses réactions chimiques grâce à l analyse de données et de diagrammes d énergie ; Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 4
30 A1.4h manipuler (manier et organiser) et présenter des données en choisissant des outils appropriés instruments scientifiques, calculatrices scientifiques, bases de données ou tableurs. Travailler en équipe pour étudier des problèmes et appliquer les habiletés et les conventions scientifiques afin de communiquer des renseignements et des idées et d évaluer des résultats : employer la notation du Système international (SI), de même que les unités fondamentales et dérivées qui conviennent, ainsi que les chiffres significatifs ; utiliser les fonctions avancées d un logiciel de traitement de texte pour accomplir une tâche et pour insérer des tableaux, des diagrammes, du texte et des graphiques. Résumé Cette recherche sur le Web t a permis de te renseigner sur le monde fascinant des fusées. La technologie des fusées existe depuis des siècles. De nos jours, les véhicules de l espace utilisent des fusées sophistiquées et des carburants très performants pour entrer en orbite et s y maintenir, et même pour produire de l électricité pendant leur périple. Grâce à cette recherche, tu as accru tes connaissances sur l histoire des fusées et les concepts de chimie utilisés dans la conception des propulseurs. Ressources ffune brève histoire des fusées. ffpage Wikipédia sur les fusées spatiales : histoire, principe de la réaction, expérience. ffdocument PDF sur les matériaux énergétiques : histoire, vocabulaire, principes de base, procédés de fabrication, applications. ffrenseignements sur le fonctionnement des fusées. (en anglais seulement) ffpage Wikipédia sur la propulsion spatiale : performance, structure d un système propulsif spatial, classification des différents types de propulsion. ffpage Wikipédia sur les moteurs-fusées : carburant/comburant, moteurs à ergols liquides, moteurs à ergols solides. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 5
ffsite du Groupe d études aérospatiales; information sur le principe des moteurs composites. ffpage Wikipédia sur la Société européenne de propulsion ou SEP. ffpage de l Encyclopédie de l Agora sur la fusée. ffdocument sur la propulsion spatiale. ffpage de Futura Sciences sur les fusées à ergols. ffsite consacré aux matériaux énergétiques. ffliste des divers composants du carburant à fusée. ffpage Wikipédia sur l enthalpie standard de formation ; définition, grandeurs thermodynamiques de quelques composés, loi de Hess. ffpage Wikipédia sur l enthalpie de réaction : définition thermodynamique, approximation courante concernant l enthalpie de réaction, problématique de l état de référence, détermination de l enthalpie de référence. ffpage Wikipédia sur la calorimétrie : principe de base, détermination d une chaleur de changement d état, détermination d une chaleur de combustion à volume constant. ffpage Wikipédia sur la propulsion : triangle du feu, différents types de combustion, approche chimique, application en astronautique. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 6