Parebrise : verres électrochromes, force de traînée : bac Stl 2013
 


L’automobiliste a lu sur internet que « le verre peut être teinté ou bien réfléchissant (athermique) afin de réduire l’échauffement dû au rayonnement solaire dans l’habitacle de la voiture ». Il découvre également des documents présentant les propriétés lumineuses de pare-brises athermiques. 
Visibilité.
Donner les deux longueurs d’onde lmin et lmax (en micromètres) limitant le domaine visible. Convertir ces deux longueurs d’onde en nanomètres.

lmin =0,40 µ: = 400 nm ;  lmax =0,80 µm = 800 nm.
Sur la fiche technique (A1) sont repérés trois domaines.

Attribuer à chaque domaine un qualificatif à choisir parmi : infrarouge, ultraviolet et visible.
Domaine 1 : ultraviolet (UV) ; domaine 2 : visible : domaine 3 : infrarouge ( IR).

À la lecture du document, quel est le pourcentage de transmission du parebrise pour la lumière visible ?
Le pare-brise transmet 85 % de la lumière visible, valeur supérieure à la norme européenne ( pourcentage de transmission supérieure à 75 %). Ce pare-brise est donc conforme.
Les ondes comprises entre 0,8 μm et 1,2 μm sont-elles transmises par le parebrise ?
Les ondes de longueurs d'onde comprises entre 0,8 µm et 1,2 µm sont transmises à 85 % par le pare-brise.
Les ondes comprises entre 1,2 μm et 5 μm sont-elles transmises par le pare-brise ?
Les ondes de longueurs d'onde comprises entre 1,2 µm et 5 µm ne sont pas transmises par le pare-brise.
Document (A2) :
Les véhicules d’aujourd’hui ont des pare-brises « athermiques » : cet aspect nouveau est produit par les couches transmettant le rayonnement visible mais réfléchissant le rayonnement infrarouge. La transmission des infrarouges a été fortement réduite.
Avec un tel verre, les passagers sont protégés des rayons du soleil et donc d’une chaleur excessive dans l’habitacle.
Ainsi, l’utilisation de vitrages athermiques permet de diminuer l’énergie nécessaire pour la climatisation et par conséquent la consommation de carburant dans le véhicule.
Préciser pourquoi le pare-brise n’est pas totalement athermique.

Les infrarouges de longueurs d'onde comprise entre 0,8 µm et 1,2 µm sont transmis à 85 %. Le pare-brise n'est donc pas totalement athermique.


Verres électrochromes.
Le summum de la technologie est de faire varier le niveau de transparence du verre en fonction de la luminosité. On emploie des verres présentant des cellules électrochromes contenant du trioxyde de tungstène WO3. Soumise à une tension électrique, la cellule se teinte : le trioxyde de tungstène WO3 (composé transparent) se transforme en H2WO3 (composé coloré), selon la demi-équation électronique : WO3 + 2H+ + 2e- = H2WO3.
Le schéma équivalent à ce principe est le suivant :

Une faible énergie est nécessaire pour faire apparaître la teinte sur tout le pare-brise. Elle vaut 0,174 W.h.
À partir du principe des verres électrochromes présenté dans le document (A3), donner la formule brute de la molécule colorée qui est responsable de la teinte du parebrise.
L’espèce colorée est : H2WO3.
 Le document (A3) donne une demi-équation électronique se déroulant à une électrode.
Donner le couple oxydant / réducteur qui intervient dans cette réaction.
Est-ce une oxydation ou une réduction ? Justifier la réponse.
WO3 + 2H+ + 2e- = H2WO3.
WO3 gagne des électrons, c'est un oxydant qui se réduit ( réduction ). Le couple oxydant / réducteur est :WO3 / H2WO3. 
La luminosité extérieure diminuant, le conducteur actionne un bouton pour que le pare-brise redevienne transparent.
Quelle modification doit-on apporter au circuit schématisé sur le document (A3), pour réaliser cette modification du pare-brise ?
Il faut inverser le sens de branchement du générateur.
 En quelle unité est donnée l’énergie électrique nécessaire pour faire apparaître la teinte sur tout le pare-brise ? Justifier que cette unité correspond à une énergie. Convertir cette valeur dans le système international.
L’énergie est exprimée en W.h, c'est à dire une puissance(W) fois une durée (h) : il s'agit donc bien d'une énergie.
1 Wh = 3600 J ; 0,174 *3600 =626 J.

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La trainée, appelée aussi force de résistance aérodynamique, est une force qui s’oppose à l’avancement d’un véhicule dans l’air. Il est donc dans l’intérêt des constructeurs de diminuer la trainée, à l’origine d’une augmentation de la consommation en carburant.
La partie avant d’un véhicule particulier représente en général près de 11% de cette trainée. En modifiant notamment l’inclinaison et la forme du pare-brise, on peut diminuer cette trainée. 
Compléter la deuxième ligne du tableau suivant :

Force de traînée F(N) 76,7 149,3 248,0 371,5 517,0
Vitesse V(km/h) 13,9*3,6=50,0 19,4*3,6=69,8 25*3,6=90,0 30,6*3,6=110 36,1*3,6=130
Vitesse V ( m/s) 13,9 19,4 25,0 30,6 36,1

Justifier sans calcul que la relation entre la force de trainée F et la vitesse V peut s’écrire F = k x V2, où k est une constante. Déterminer graphiquement k.
La courbe ci-dessus est une droite passant par l'origine. La traînée et le carré de la vitesse sont donc proportionnels.
Déterminer le coefficient de trainée Cx.
Expression de la force de trainée F = 0,5 ρ S Cx V2.
Données : masse volumique de l’air ρ = 1,2 kg.m –3 ; surface frontale de la voiture S = 1,74 m2 ; coefficient de trainée Cx sans unité ; vitesse V en m.s –1.
Cx = F / (0,5 ρ S V2) = k/(0,5 ρ S) =0,40 /(0,5*1,2*1,74) =0,38.

De quoi dépend le coefficient de traînée ? Ce coefficient dépend de la forme de l'objet.




On réalise la mesure du coefficient Cx plusieurs fois. Les premiers résultats de ces mesures sont donnés. Calculer la valeur moyenne de ces premiers résultats Cxmoy.
Expérience 1 2 3 4 5
Cx 0,383 0,382 0,378 0,375 0,382
Cxmoy=(0,383 + 0,382 + 0,378 + 0,375 + 0,382) / 5 =0,380.
On effectue en tout cent mesures du coefficient Cx.
On trouve une valeur moyenne de Cxmoy = 0,380 avec un écart-type sn-1 = 1,5 10 –2.
Donner la valeur de Cx avec l’incertitude absolue correspondant à un taux de confiance de 95%. Pour ce taux de confiance, le coefficient q vaut 2.
DCx = q sn-1 / (nombre de mesures)½ =2*1,5 10-2 / 10 = 3,0 10-3.
Cx = 0,380 ±0,003.
La voiture à moteur diesel consommant du gazole roule à 130 km.h –1. Elle est soumise à la force de trainée F = 517 N.
Une voiture roule sur une route horizontale et rectiligne sur une distance d = 100 km, à la vitesse constante V = 130 km.h –1.
Montrer que le travail de la force de trainée correspondante vaut, en valeur absolue, W = 51,7 MJ.
W = F x d = 517 x 100 103 = 5,17 107 J = 51,7 MJ.
 Le pouvoir calorifique du gazole est de PCgazole = 36 MJ.L –1, le rendement global (moteur + transmission) vaut r = 25%.
Montrer que le volume de gazole consommé sur la distance d = 100 km (à la vitesse de 130 km.h –1) uniquement pour vaincre la résistance aérodynamique est de Vgazole = 5,7 L.
Energie utile libérée par la combustion de un litre de gazole : 36*0,25 = 9 MJ.
Volume de gazole : 51,7 / 9 =5,7 L.
Calculer l’énergie cinétique Ec de la voiture à cette vitesse. Masse de la voiture m = 1,0 tonne
Ec = ½mv2 avec v = 130 / 3,6 = 36,11 m/s.
Ec =0,5*1000*36,112 =6,5 105 J.
Le gazole brûle dans le dioxygène de l’air. Le constituant majoritaire du gazole est un hydrocarbure (HC) qui a pour formule brute C21H44. Écrire l’équation de sa combustion complète.
C21H44 + 32O2 ---> 21 CO2 + 22 H2O.
Calculer la quantité de matière de CO2 produite pour une masse d’hydrocarbure consommée de mHC = 5 130 g.
Masse molaire de l'hydrocarbure M(HC) =296 g/mol ; masse molaire du dioxyde de carbone M = 44 g/mol ; 5,7 L de gazole ont une masse de 5130 g.
Quantité de matière de gazole : n = mHC/M(HC)=5130 / 296 =17,33 mol.
Quantité de matière de dioxyde de carbone : 21 n = 21*17,33 = 364 mol.
Masse de dioxyde de carbone : 21 n M = 364*44 =1,6 104 g = 16 kg.




  


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