Série stl spécialité sciences physiques et chimiques en laboratoire








télécharger 68.82 Kb.
titreSérie stl spécialité sciences physiques et chimiques en laboratoire
date de publication27.01.2017
taille68.82 Kb.
typeDocumentos
c.21-bal.com > documents > Documentos
BACCALAUREAT TECHNOLOGIQUE


SESSION 2013

Série STI2D
Série STL spécialité sciences physiques et chimiques en laboratoire

PHYSIQUE-CHIMIE
Durée : 3 heures
Coefficient : 4
SUJET TRAITÉ EXCLUSIVEMENT PAR
LES CANDIDATS SE PRÉSENTANT POUR LA PREMIÈRE FOIS
AUX ÉPREUVES TERMINALES DU BACCALAURÉAT


(LES REDOUBLANTS COMPOSENT SUR UN AUTRE SUJET)

CALCULATRICE AUTORISÉE
L'emploi de toutes les calculatrices programmables, alphanumériques ou à écran graphique est autorisé à condition que leur fonctionnement soit autonome et qu'elles ne soient pas connectables à un réseau.
Ce sujet comporte 13 pages numérotées de 1/13 à 13/13.

Avant de composer, assurez-vous que l'exemplaire qui vous a été remis est bien complet.
Lors des applications numériques, les résultats seront donnés avec un nombre de chiffres significatifs cohérent avec ceux de l'énoncé et une attention particulière sera portée aux unités utilisées.
La clarté des raisonnements et la qualité de la rédaction interviendront dans l'appréciation des copies.
Les parties du sujet sont indépendantes et peuvent être traitées séparément dans l'ordre choisi par le candidat.


UN COUPLAGE HABITAT/TRANSPORT AU BANC D'ESSAI...


Collaboration entre le CEA (Commissariat à l'Énergie Atomique), l'INES (Institut National de l'Énergie Solaire) et Toyota, et bénéficiant du soutien de l'ADEME (Agence De l'Environnement et de la Maîtrise de l'Énergie) une plate-forme expérimentale située au Bourget du Lac en Savoie, comportant 3 maisons et 7 voitures Toyota Prius Plug-in ® hybrides rechargeables. est expérimentée afin de maximiser l'apport de l'énergie solaire.
Votre voisin, M. SOLAIRE, en effectuant des recherches sur internet, est activé sur le site de l'INES et il vous demande quelques renseignements puisque vous êtes élève de Terminale technologique.
Il s'agit donc dans ce sujet d'étudier quelques parties du dossier de presse de l'INES afin d'aider M. SOLAIRE.


PARTIE A : BATIMENTS INTELLIGENTS ET EFFICACITE ENERGETIQUE

PARTIE B: LA TOYOTA PRIUS PLUG-IN®, UNE HYBRIDE RECHARGEABLE

PARTIE C: DES SOLUTIONS INNOVANTES POUR RECHARGER OU STOCKER L'ÉNERGIE


PARTIE A : BATIMENTS INTELLIGENTS ET EFFICACITÉ ENERGETIQUE
L'INES (Institut National de l'Énergie Solaire) mène des recherches pour permettre une gestion intelligente de l'énergie et notamment la cohérence entre les sources de production et la consommation. L'objectif final consiste à concevoir un centre névralgique capable de piloter la maison en fonction du résultat attendu par l'utilisateur : confort, économie, protection de l'environnement, etc.
Pour cela l'institution chargée de promouvoir l'utilisation de l'énergie solaire en France a développé des maisons pilotes, bardées de capteurs destinés à reproduire les usages de l'énergie dans l'habitat et à en assurer une gestion efficiente.
A.1. - Le soleil comme source d'énergie :

A.1.1 En utilisant le document 1 page 9/13, citer deux modes d'exploitation de l'énergie solaire au service de l'habitat.

A.1.2 Dans le document 1 page 9/13, l'auteur parle d' « énergie positive ». Expliquer en maximum 5 lignes ce que cela signifie.

A.2. - Étude de quelques capteurs des maisons INCAS :

Afin d'optimiser l'énergie et le confort des occupants plusieurs capteurs sont installés

dans les maisons. On retrouve, entre autres, des capteurs de température et de dioxyde de carbone.

A.2.1 Un des capteurs de température utilisés est un conducteur de platine «Pt100 ». La caractéristique température-résistance de ce capteur est fournie (document 2 ci-après).

DOCUMENT 2




A.2.1.1 Quelles sont les grandeurs d'entrée et de sortie de ce capteur ?

A.2.1.2 Proposer une justification de ta dénomination «  Pt100 »
A.2.2 Le capteur de dioxyde de carbone est un capteur optique utilisant des ondes électromagnétiques. L'échantillon d'air contenant du dioxyde de carbone est situé entre une cellule émettrice et une cellule réceptrice qui mesure le rayonnement non absorbé par le dioxyde de carbone. La comparaison entre le rayonnement émis et le rayonnement reçu permet de déterminer la quantité de CO2 présent dans le volume d'air. Pour réaliser les mesures, il faut choisir une longueur d'onde fortement absorbée (ou, au contraire, peu transmise).
A.2.2.1 Le document 3 ci-dessous représente le spectre de transmission du dioxyde de carbone. Déterminer graphiquement l'abscisse correspondant au maximum d'absorption du CO2.

Remarque : «  wavenumber » correspond à l'inverse de la longueur d'onde l

N
IST Chemistry WebBook (http://webbook.nist.gov/chemistry)

L'abscisse (le « wavenumber », ou nombres d'ondes) du maximum d'absorption correspond à une longueur d'onde l = 4,24.10-6 m.
A
.2.2.2
Dans quel domaine des ondes électromagnétiques se situe le rayonnement correspondant à la longueur d'onde précédente ? (l = 4,24.10-6 m).




A.2.2.3 On se propose d'écrire le résultat d'une mesure de la concentration C sous la forme : C = m± DC où m est le résultat dune mesure, m vaut ici m = 1,08 g.m-3 et DC représente l'incertitude élargie.
A.2.2.3.1 Pour estimer l'incertitude commise sur la mesure, le constructeur donne la précision « a » de l'appareil : a = 1 % de la lecture m + 1 digit
(Remarque : le digit est la plus petite valeur que l'affichage numérique peut donner dans le calibre utilisé).

Calculer la précision « a » de la mesure.
A.2.2.3.2 En déduire l'incertitude élargie DC pour un niveau de confiance de 95 % telle que :


A.2.2.3.3 Écrire le résultat final de la mesure de C sous !a forme : C = m ± DC en utilisant un nombre adapté de chiffres significatifs.

PARTIE B : LA TOYOTA PRIUS PLUG-IN®, UNE HYBRIDE RECHARGEABLE
M. SOLAIRE, en parcourant le dossier de presse de l'INES, s'est arrêté sur la Toyota Prius Plug-in® hybride. Toujours aussi curieux M. SOLAIRE va vous demander quelques éclaircissements.
B.1 Présenter à M. SOLAIRE, sous la forme d'un tableau, en précisant les avantages et les inconvénients (lorsqu'ils sont mentionnés), une synthèse sur les accumulateurs au plomb, au Nickel-Cadmium (NiCd) et au nickel métal hydrure (NiMH). Vous pouvez vous aider du document 4 page 10/13.
B.2 Sur les premières Toyota Hybride Prius®, on trouve un accumulateur « Nickel-métal hydrure (NiMH) ».
Les demi-équations des réactions aux électrodes lors de la décharge sont les suivantes :
Ni(OH)2(S) + OH-(aq) = NiOOH(S) + H2O(l) + e- (1)
M(S) + H2O(l) + e- = MH(S)+ OH-(aq) (2)
Bilan du fonctionnement de l'accumulateur lors de sa décharge :
Ni(0H)2(S) + M(S) —> NiOOH(S)+ MH(S)


B.2.1 Dans cet accumulateur le métal M est un oxydant. Que signifie ce terme ? Préciser le couple oxydant/réducteur auquel il appartient.
B.2.2 Le métal subit-il une oxydation ou une réduction lors de la décharge ?
B.2.3 Quelle est la nature du pôle constitué par le métal : positif ou négatif?
Justifier.
B.2.4 A l'aide de la demi-équation (1), calculer la quantité maximale d'électrons ne- (en mol) pouvant circuler dans le circuit sachant que l'accumulateur contient 23 g d'hydroxyde de Nickel Ni(OH)2.

Données : masses atomiques molaires

M(Ni) = 58,7 g.mol-1 M(O) = 16,0 g.mol-1 M(H) = 1,00 g.mol-1
B.2.5 La capacité d'un accumulateur est la quantité maximale d'électricité en coulomb qu'il peut débiter. Montrer qu'elle est voisine de 6,7 A.h.
Rappel: la capacité Q se calcule à l'aide de relation Q = ne- x F

ne- : quantité d'électrons (en mol) qui circule dans le circuit. F : Faraday :

1 F = 96320 C.mol-1 1 A.h= 3600 C
B.2.6 Écrire l'équation de la réaction qui a lieu lors de !a charge de l'accumulateur.
B.2.7 La Toyota Prius Plug-in ® est, quant à elle, équipée d'un accumulateur Iithium-ion d'énergie E = 4,40 kW.h et de tension U = 207 V. Le temps de recharge complète via une prise de courant classique est Dt = 90 minutes.
M. SOLAIRE se demande si une «  prise 16 A » (supportant un courant d'intensité maximale 16 A) suffit ou s'il faut absolument une « prise 32 A » (utilisée par exemple pour le four d'une cuisine).
Calculer l'intensité du courant de charge et répondre à son interrogation.
B.2.8 En analysant le document 5 page 11/13 et en argumentant, indiquer un critère possible retenu par Toyota pour justifier l'équipement de ses futures Prius® d'accumulateurs Iithium-ion plutôt que des accumulateurs Nickel-métal hydrure (NiMH).

PARTIE C : DES SOLUTIONS INNOVANTES POUR RECHARGER OU STOCKER L'ÉNERGIE
Pour éveiller la curiosité de M. SOLAIRE vous lui présentez deux projets innovants mis en avant dans une revue de vulgarisation scientifique :

- la recharge des batteries de voiture par induction électromagnétique;

- le stockage de l'énergie photovoltaïque à l'aide de piles à combustible.
C.1 - La recharge des batteries par induction : (document 6 ci-dessous)
DOCUMENT 6




Lorsqu'un courant variable circule dans la bobine du sol, un champ magnétique variable est créé dans la bobine de la voiture et induit un courant électrique variable qui, après transformation en courant continu, va recharger la batterie.
C.1.1 Citer deux exemples de champ magnétique (autres que celui créé par une bobine parcourue par un courant électrique).


C.1.2 Analyser les mesures (voir documents 7 et 8 pages 11/13 et 12/13) du champ magnétique réalisées au centre de la bobine (la bobine est assez longue par rapport à son diamètre) et choisir parmi les relations proposées ci-dessous, en justifiant la réponse. une relation compatible avec les mesures :

k est une constante appelée perméabitité magnétique du vide.


1)

2)


3)


C.1.3 La constante k vaut 4.p.10-7 dans le système international d'unités ; ce résultat est-il en accord avec les résultats des expériences ? A l'aide d'une analyse dimensionnelle, déterminer l'unité de k.
C.2. - La pile à combustible pour stocker l'énergie :

Il serait tout à fait envisageable, comme le propose l'université de Corse dans le projet « MYRTE» (Mission hydrogène renouvelable pour l'intégration au réseau électrique), de coupler les panneaux photovoltaïques à une production de dihydrogène et de dioxygène. Le principe est le suivant :
- on réalise l'électrolyse de l'eau à l'aide de panneaux photovoltaïques : le dihydrogène et le dioxygène sont alors produits ;
- on utilise ces deux gaz dans une pile à combustible pour produire de l'électricité.
C.2.1 Sur le plan du projet MYRTE (voir document 9 page 13/13), l'accès pompier est particulièrement important. Quel risque présente le site ?


      1. Le document 10 page 13/13 présente la production d'électricité photovoltaïque au cours d'un même mois. Quel inconvénient majeur du photovoltaïque mettent en évidence les deux graphiques ?


DOCUMENT 1 RELATIF AUX QUESTIONS A.1.1 ET A.1.2





DOCUMENT 4 RELATIF A LA QUESTION B.1
Bref historique des technologies d'accumulateurs

(D'après dossier de presse du CEA) :
Jusqu'à la fin des années 1980, les deux principales technologies répandues sur le marché étaient les accumulateurs au plomb (pour le démarrage des véhicules, notamment) et les accumulateurs nickel-cadmium NiCd. Dans la technologie au plomb, les réactions chimiques impliquent l'oxyde de plomb constituant l'électrode positive et le plomb de l'électrode négative, toutes deux plongées dans une solution d'acide sulfurique qui constitue l'électrolyte.

La technologie au plomb comprend plusieurs inconvénients : poids, fragilité, utilisation d'un Iiquide corrosif. Cela a conduit au développement d'accumulateurs alcalins, de plus grande capacité (quantité d'électricité restituée à la décharge) mais développant une force électromotrice moindre (différence de potentiel aux bornes du système en circuit ouvert). Leurs électrodes sont, soit à base de nickel et de cadmium (technologie NiCd), soit à base d'oxyde de nickel et de zinc, soit à base d'oxyde d'argent couplé à du zinc, du cadmium ou du fer. Toutes ces technologies utilisent une solution de potasse comme électrolyte. Elles se caractérisent par une grande fiabilité, mais leurs densités d'énergie massique restent relativement faibles (30 W.h/kg pour le plomb, 50 W.h/kg pour le nickel-cadmium).

Au début des années 1990, avec la croissance du marché des équipements portables, deux nouvelles filières technologiques ont émergé : les accumulateurs nickel-métal hydrure (NiMH) et les accumulateurs au lithium (Li).

Les premiers, utilisant une électrode positive à base de nickel et une électrode négative constituée d'un alliage absorbant l'hydrogène, toutes deux plongées dans une solution de potasse concentrée, atteignent une densité d'énergie massique de +/- 80 W.h/kg, supérieure d'au moins 30 % à celle des accumulateurs NiCd.

La technologie NiMH, qui équipe aujourd'hui la plupart des véhicules hybrides en circulation - Honda et Toyota notamment -, offres plusieurs avantages par rapport aux technologies précédentes :

  • elle ne contient ni cadmium ni plomb, deux matériaux très ;

  • elle permet de stocker plus d'énergie que le NiCd.



DOCUMENT 5 RELATIF A LA QUESTION B.2.8

Comparatif batteries lithium-ion (Li-ion) et nickel-métal hydrure (NiMH)



Type

Énergie massique

(W.h.kg-1)

Énergie volumique

(kW.h.m-3)

Nombre de recharges

NiMH

60-120

140-300

300-500

Li-ion

110-160

400-550

500-1000

DOCUMENT 7 RELATIF AUX QUESTIONS C.1.2 ET C.1.3
DOCUMENT 7


N : nombre de spires

200

400

600

200

200

L : longueur de la bobine (cm)

40

40

40

40

80

I : intensité du courant circulant dans la bobine ( A)

3

3

3

6

3

B : champ mesuré au centre de la bobine (mT)

1,9

3,8

5,7

3,8

0,95


DOCUMENT 8 RELATIF AUX QUESTIONS C.1.2 ET C.1.3





Champ magnétique (B) au centre d'une bobine en fonction de l'intensité (I) du courant qui parcourt cette bobine.
N : nombre de spires de la bobine
L : longueur de la bobine


DOCUMENT 9 RELATIF A LA QUESTION C.2.1



DOCUMENT 10 RELATIF A LA QUESTION C.2.2
Source : CEA










Courbe de production d'un site photovoltaïque au cours d'un même mois

/ 13PY2DSPNDPO1

similaire:

Série stl spécialité sciences physiques et chimiques en laboratoire iconSérie stl spécialité sciences physiques et chimiques en laboratoire

Série stl spécialité sciences physiques et chimiques en laboratoire iconLe bac stl (sciences et technologies de laboratoire) Le bac stl est...

Série stl spécialité sciences physiques et chimiques en laboratoire iconAppel d’offre laboratoire de sciences physiques

Série stl spécialité sciences physiques et chimiques en laboratoire iconEpreuve commune de sciences physiques ce sujet est destiné aux élèves...
«rayons cathodiques» à la fin du xixème siècle fut résolu en 1897 par l'Anglais J. J. Thomson : IL s'agissait de particules chargées...

Série stl spécialité sciences physiques et chimiques en laboratoire iconEpreuve commune de sciences physiques ce sujet est destiné aux élèves...
«rayons cathodiques» à la fin du xixème siècle fut résolu en 1897 par l'Anglais J. J. Thomson : IL s'agissait de particules chargées...

Série stl spécialité sciences physiques et chimiques en laboratoire iconParcours Sciences Chimiques et Physiques

Série stl spécialité sciences physiques et chimiques en laboratoire iconContacts Mme Christel causserand responsable du Master1 parcours Procédés Physico-Chimiques
«vers les procédés Physico-Chimiques» ou d’une licence de Sciences Physiques et Chimiques. Peuvent également postuler des étudiants...

Série stl spécialité sciences physiques et chimiques en laboratoire iconLiaison des mathématiques sciences physiques et chimiques avec

Série stl spécialité sciences physiques et chimiques en laboratoire iconLe programme de physique chimie en terminale stl, spcl, est composé...

Série stl spécialité sciences physiques et chimiques en laboratoire iconPrésentation, propriétés physiques et chimiques








Tous droits réservés. Copyright © 2016
contacts
c.21-bal.com