Le scooter hybride : bac Stl 2013

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Compléter la seconde ligne du tableau suivant :
Situation Hybrid charge :
le moteur thermique fonctionne et la batterie se charge
Hybrid power :
les deux moteurs fonctionnent sans recharge de la batterie
Freinage et décélération : le moteur électrique fonctionne et la batterie se charge. Mode électric : le moteur électrique fonctionne sans recharge de la batterie
Schéma correspondant B A D C
Dans le « mode electric » que signifie la formulation « zéro émission » ?
Le moteur thermique est à l'arrêt et n'émet donc pas de gaz polluants.

Le document ci-dessus représente la chaîne énergétique simplifiée du scooter à moteur thermique.
A quel type d’énergie correspond la flèche vide de ce document ?
Il s’agit de la conversion d'énergie thermique en énergie mécanique.
Déterminer la valeur du rendement h du scooter fonctionnant en mode thermique.
Energie mécanique utile : 36-24 = 12 kWh ; rendement = énergie utile / énergie thermique = 12/36 = 0,33.
Le rendement d'un moteur thermique est en général compris entre 30 et 35 %.
Le rendement du scooter dépend de la pression des pneumatiques. Relié à l’un des pneumatiques, le manomètre utilisé affiche une pression P de 2,2 bars. Sachant qu’à l’air libre il indique 0 bar, la pression mesurée est-elle relative ou absolue ?
A l'air libre le manomètre indique 0 bar, il indique donc une pression relative.
 Le scooter a un réservoir qui peut contenir 12 litres d’essence. 
Un réservoir de 10 L d’essence correspond à une autonomie d’environ 250 km. Déterminer l’autonomie du scooter.
250/10*12 = 300 km.
 


Fonctionnement en mode hybride.

Le scooter dispose d’une motorisation qui associe un moteur thermique et un moteur électrique montés en parallèle, ce qui permet d’augmenter son autonomie.

Identifier, sans justifier, les différents transferts d’énergies correspondant aux flèches n° 1 et n° 2 du document.
Fflèche n°1 : conversion d'énergie électrique en énergie chimique.
Flèche n°2 : conversion d'énergie mécanique en énergie électrique..

Qu’indique la flèche n°3 du document ?
Recharge de la batterie à partir du secteur.
Le scooter a un réservoir qui peut contenir 12 litres d’essence.
Déterminer l’autonomie du scooter hybride si on adopte un cycle 2/3 hybride - 1/3 électrique avec une consommation de 1,7 L aux 100 km.
Avec 1,7 L d’essence, le scooter parcourt 100 km ; avec 12 L d'essence, il peut parcourir : 12*100/1,7 = 706 km, c'est à dire plus de deux fois supérieure, au fonctionnement en mode thermique seul.

Rendement du moteur électrique.
La puissance électrique absorbée par ce moteur est donnée par la relation : Pélec =3½UI cos j.
La puissance mécanique maximale du moteur électrique est Pméca = 2,6.103 W. Dans ce cas, pour une tension U = 54 V, l’intensité du courant est I = 34 A et 
cos j= 0,95.
Déterminer le rendement du moteur.
Pélec =1,732*54*34*0,95 =3,02 103 W.
Rendement =
Pméca / Pélec =2,6 / 3,02 =0,86.
Un moteur électrique possède un rendement plus de deux fois supérieur à celui d'un moteur thermique.

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Transformation chimique et transfert thermique.
L’essence utilisée par le moteur thermique du scooter est un mélange d’hydrocarbures, commercialisée sous la dénomination supercarburant sans plomb 95/E10. Par souci de simplification, dans la suite de l’exercice on considérera qu’elle est uniquement constituée d’octane de formule brute C8H18.
Composition et informations sur les composants ( extraits).
Mélange additivé constitué d'hydrocarbures, paraffiniques, naphténiques, aromatiques, oléfiniques, avec principalement des hydrocarbures de C4 à C12 et des composés oxygénés.
Justifier que le choix d’assimiler l’essence à de l’octane est compatible avec les données fournies ci-dessus.
L’essence est « constitué principalement d’hydrocarbures de C4 à C12 » et l'octane compte 8 atomes de carbone, valeur moyenne entre 4 et 8.
Le but de cette partie est de vérifier expérimentalement la valeur de l’énergie massique (ou pouvoir calorifique) de l’essence, ainsi que la masse de dioxyde de carbone CO2 rejetée par km parcouru par un scooter. Le manipulateur effectuera l’expérience schématisée ci-dessous avec un échantillon d’essence de masse me = 1,5 g placé dans un creuset. On considère que l’énergie libérée par la combustion de l’essence est égale à la variation d’énergie interne de l’eau (énergie reçue par l’eau).

Le manipulateur doit-il effectuer le prélèvement d’essence sous une hotte aspirante ? Justifier.
Oui, car l'essence peut être mortelle en cas d'ingestion et de pénétration dans les voies respiratoires.
De quels équipements de protection individuels le manipulateur doit-il disposer pour effectuer son prélèvement afin d’assurer sa protection ?
Porter des gants de protection et un équipement de protection des yeux/du visage ».
Pouvoir calorifique de l’essence.
L’énergie libérée lors de sa combustion permet de chauffer une masse d’eau meau = 300 g placée dans une boîte métallique.
La température initiale de l’eau est qi = 20°C. Une fois que toute l’essence a brûlé, la température finale de l’eau est qf = 63 °C.
Dans l’expérience ci-dessus, on considère que la transformation chimique entre l’essence et le dioxygène de l’air est une combustion complète. Elle est modélisée par l’équation chimique :
2 C8H18 (l) + 25 O2 (g) → 16 CO2 (g) + 18 H2O(g)
Capacité thermique massique de l’eau ceau = 4,18.103 J.kg –1.°C –1.
On rappelle que la variation d’énergie interne d’un corps de masse m passant d’une température initiale 
qi à une température finale qf est donnée par la relation :
ΔU = m.c.( 
qfqi) où c représente la capacité thermique massique de ce corps.
Déterminer la variation d’énergie interne de l’eau (énergie reçue par l’eau) notée ΔUeau.
ΔUeau = meau.ceau.
qfqi) =0,300 *4180 (63-20) =5,39 104 ~5,4 104 J.
Montrer à partir du résultat précédent que la valeur expérimentale du pouvoir calorifique de l’essence est de 36 MJ.kg –1 soit 10.103 Wh.kg –1.
On suppose que l’énergie libérée par la combustion de 1,5 g d’essence est égale à la variation d’énergie interne de l’eau.
On a donc : ΔUeau = ΔUessence : il s’agit de l’énergie libérée par la combustion d’une masse me = 1,5 g d’essence.
5,39 104 /1,5 *1000 = 3,6 107 J kg-1 = 36 MJ kg-1.
Or le pouvoir calorifique de l’essence vaut 11 900 Wh.kg –1.Proposer une explication à l’écart constaté avec la valeur expérimentale.
L’énergie libérée par la combustion de l’essence  sert pas à élever la température de l’eau à chauffer l'air environnant et la coupelle.





Rejet de dioxyde de carbone.
D’après le constructeur, en mode Hybrid, le scooter consomme en moyenne Ve =1,7 L / 100 km.

Données :  masse volumique de l’essence ρe = 0,760 kg.L –1 ;  masse molaire de l’essence Me = 114 g.mol –1 ;  masse molaire du dioxyde de carbone M(CO2) = 44 g.mol –1.
Déterminer la masse d’essence moyenne consommée, notée me, pour effectuer 100 km.
me = Ve ρe = 1,7 * 0,760 = 1,292 ~1,3 kg.
Montrer que la quantité d’essence correspondante est ne = 11,4 mol.
ne = me / Me =1,292 / 0,114 =11,33 ~11,4 mol.
En déduire la quantité de dioxyde de carbone produite, noté nCO2 , pour un trajet de 100 km.
D’après les nombres stoechiométriques de l’équation de la réaction de combustion, une mole d’octane libèrent 8 moles de dioxyde de carbone.
 nCO2 = 8 ne = 8*11,33 =90,66 ~ 91 mol.
Montrer que la masse de dioxyde de carbone mCO2 produite pour un trajet de 100 km est de 4,0 kg.
mCO2 = nCO2 MCO2 = 90,66 * 44 = 3,99.103 g ~ 4,0 kg.
Cette valeur est compatible avec la celle fournie par le constructeur ( 40 g de CO2 par km).




  


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