Le dioxyde de carbone, un gaz aux nombreux aspects. Bac Sti2d Polynésie 2015

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Le système hybrid-Air.
Analyse du fonctionnement
Le système équipera plutôt les petites cylindrées comme la Citroën C3. Il s’agit, dans ce qui suit, d’apporter quelques informations nécessaires pour justifier le choix.
Quelle est la nature de l’énergie qui diminue lorsque la voiture ralentit ?
La vitesse diminue, donc l'énergie cinétique décroît.
Dans un véhicule classique (sans système hybride) que devient cette énergie si elle n’est pas stockée ?
La diminution d'énergie cinétique est convertie en énergie thermique lors d'un freinage.
L’ensemble moteur - pompe hydraulique est un élément essentiel. Indiquer :
- le rôle de la pompe hydraulique lors d’une décélération,
- et celui du moteur hydraulique lors d’une accélération.
La pompe hydraulique, lors d'une décélération, pousse de l'huile dans un accumulateur, comprimant de l'azote à l'aide d'un piston. Le moteur hydraulique, lors d'une accélération, restitue la pression de l'azote en force motrice.
Pour illustrer la mise en réserve et la restitution de l’énergie, un technicien de la société Bosch (qui a développé le système) utilise souvent une seringue. En quelques lignes et schéma(s), expliquer comment vous feriez le même type de présentation à vos camarades.
En poussant le piston de la seringue on comprime le gaz contenu dans le cylindre ; dès que l'on relache le piston, le gaz se détend et repousse le piston.
Expliquer pourquoi ce système est destiné plus particulièrement aux petites voitures citadines.
Les petites voitures citadines ralentissent et accélèrent très souvent. Le système Hybrid-Air peut stocker peu d'énergie, l'énergie stockée lors d'un freinage est restituée à l'accélération suivante. Sur autoroute les véhicules roulent pratiquement à vitesse constante.
Comparaison hybride air / hybride électrique rechargeable.
Vos camarades du lycée ont déjà entendu parler du système hybride électrique rechargeable (système combinant un moteur thermique et un moteur électrique alimenté par une batterie rechargeable). Citer deux arguments en faveur du système « Hybrid-Air » et deux arguments en faveur du système hybride électrique.
Le système Hybrid-Air est peu couteux et ne nécessite ni métaux rares ni électronique complexe. Il est rapide et puissant.
Le système hybride électrique emmagasine beaucoup d'énergie dans ses batteries. La consommation d'essence est réduite, et en conséquence les émissions de CO2 sont faibles..





L’huile du groupe hydraulique.
Vous avez discuté de ce projet avec votre professeur de sciences physiques. Il étudie en ce moment avec vous la pression et le principe fondamental de l’hydrostatique. Il vous propose alors une manipulation pour mesurer la masse volumique de l’huile utilisée dans le groupe hydraulique.

On mesure la pression « p » dans l’huile pour différentes valeurs de la profondeur « z ». Les valeurs et le graphique sont consignés ci-dessous.

À quelle profondeur z1 correspond une pression p1 = 1040 hPa ?
p2 -p1 = k (z2-z1)  avec k une constante.
Pour z2 = 0,50 m et z0 =0,0 m  : k = (1053-1013) / 0,50 =80 hPa m-1.
Pour z2 = 0,50 m et z1 :  1053 -1040 = 80(0,50-z1) ; 0,50-z1 =0,1625 ; z1 =0,375 ~0,34 m.
 La pression p peut se mettre sous la forme : p = r.g.z + p0.
r est la masse volumique de l’huile (en kg.m-3), g est l’intensité de la pesanteur
( g = 9,81 N.kg-1) et p0 une pression de valeur constante (en Pa).
À l’aide du graphique ou du tableau, déterminer la valeur de la pression p0.
Que représente cette pression ?

P0 correspond à la pression atmosphérique.  Pour z=0, on lit 1,013 105 Pa.
À l’aide du graphique, déterminer la masse volumique r de l’huile.
k = r g = 8,0 103 Pa m-1 ; r=
8,0 103/ 9,81 =815 kg m-3.
On se propose d’écrire le résultat d’une mesure de pression p sous la forme : p = m ± Dp où m est le résultat d’une mesure et 
Dp l’incertitude sur p. Estimer l’incertitude de lecture, a, sur la mesure de la pression 1013 hPa effectuée avec un pressiomètre de la société Jeulin compte tenu des données ci-après. Précision 2 % de la mesure ± 4hPa ; résolution  1 hPa.
Précision 1013*0,02 ±4 = 20 ±4 hPa ; incertitude de lecture  ± 1 hPa ;
a ~21 hPa
En déduire l’incertitude Dp pour un niveau de confiance de 95 % telle que : Dp=2a / 3½.
Dp = 2*21 /1,732 =24 hPa.
 Écrire le résultat final de la pression p sous la forme : 
p = m ± Dp en utilisant un nombre adapté de chiffres significatifs.
p = (1,01  ± 0,03 ) 103 hPa.
Le calcul d’incertitude est également conduit avec la profondeur z et l’intensité de la pesanteur g . On obtient alors, après calcul, l’incertitude sur la mesure de la masse volumique r. On trouve Dr = 33 kg.m-3. Évaluer la précision relative de la mesure de r dans ces conditions.
Dr / r = 33 / 815 =0,040 ( 4,0 %).
Commenter le résultat et faire une proposition pour améliorer la démarche.
Le résultat est assez précis. Prendre une plus grande hauteur ( jusqu'à 1 m de profondeur) d'huile. Le coefficient directeur de la droite sera plus précis.
Le résultat trouvé  est-il compatible avec celui annoncé par la société Bosch, à savoir r = 812 kg.m-3 compte tenu de l’incertitude commise sur r.
On trouve r = 815 ± 33 kg m-3. La valeur 812 est bien dans l'intervalle 782 ; 848.
Les performances énergétiques.
Quelle énergie maximale, E, peut-on récupérer lorsque la voiture passe de 50,0 km/h à 30,0 km/h sur une route plane ?  Masse de la voiture + passager : M = 1150 kg.
 Énergie cinétique : Ec = ½. M.V2.
50,0  /3,6 =13,89 m /s ; 30 / 3,6 = 8,33 m/s.
Variation d'énergie cinétique : 0,5 *1150 (8,332 -13,892) = -7,1 104 J.
On peut récupérer 71 kJ.
On suppose que l’huile, par l’intermédiaire de la pompe, exerce une force constante, d’intensité F = 1,30.105 N, répartie sur le piston et de direction perpendiculaire au piston. On suppose que le piston se déplace de d = 0,500 m lors du freinage. Calculer alors le travail W de la force F.
W = F d = 1,30 105 *0,500 =6,50 104 J = 65,0 kJ.
 Définir puis calculer le rendement de la conversion d’énergie du système « Hybrid-Air »
Rendement = Travail de la force / énergie récupérée = 65,0 / 71 ~0,92 (92 %).

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L’émission de CO2 lors de la combustion de l’essence dans le moteur thermique.
Une essence est constituée par un mélange d'hydrocarbures de formule brute C8H18. Lors de la combustion complète de ces hydrocarbures dans le dioxygène O2, il se forme de
l’eau, H2O, et du dioxyde de carbone, CO2.
Quelle conversion d’énergie est réalisée dans le moteur thermique ?
L'énergie thermique est en partie convertie en énergie mécanique.
Quel volume d’essence prévu par le constructeur PSA en cycle mixte (urbain et extraurbain) permet de faire 1,00 km sachant que la consommation de la Citroën C3 est
annoncée à 2,90 L pour 100 km ?
2,90 / 100 = 0,029 L km-1.
Vérifier que la quantité de matière d’hydrocarbure nécessaire pour effectuer 1,00 km est de 0,191 mol sachant que la masse volumique de l’essence vaut : rE = 7,50.102 g.L-1.
Masse d'essence : 0,029 *7,5 102 = 21,75 g ; M(essence) = 8*12+18 =114 g/mol ; 21,75 / 114 = 0,191 mol.
Réécrire sur la copie l’équation de la réaction de combustion du mélange d’hydrocarbure dans le dioxygène O2, la compléter et l’équilibrer.
C8H18 +12,5O2 -->  8 CO2 +9H2O.
Déterminer la quantité de matière puis la masse de dioxyde de carbone produites lors de la combustion d’un litre d’essence en considérant que C8H18 est le réactif limitant.
Masse d'essence : 750 g ; quantité de matière d'essence : 750 / 114 =6,579 mol ; quantité de matière de dioxyde de carbone : 8*6,579 =52,63 mol.
Masse de dioxyde de carbone : 52,63 M(CO2) =52,63*44 =2,316 103 ~2,32 103 g par litre d'essence.
soit
2,316 103 *0,029 ~67,2 g par km.
L’objectif fixé par l’Union européenne en 2016 en terme d’émission de dioxyde de carbone sera-t-il tenu pour cette voiture ? et en 2020 ? Objectifs tenus.
La pile à combustible microbienne.
Grâce à la photosynthèse, les plantes sont capables de synthétiser des sucres à partir d'eau, de dioxyde de carbone et de lumière. Ces sucres seront utilisés par la plante, mais 40 % à 70 % seront relâchés dans le milieu environnant. Ces sucres relargués -appelés exsudats- en grande quantité dans le milieu environnant vont pouvoir être utilisés par les micro-organismes du sol à proximité immédiate des racines du végétal. C'est sur cette étape clef que les deux scientifiques ont étudié leur principe de pile microbienne alimentée par le végétal : ainsi les micro-organismes se nourrissent des exsudats des plantes, et relarguent des protons H+, du dioxyde de carbone CO2 et des électrons tout au long d’une journée.

Le glucose C6H12O6(aq) réagit au niveau du pôle négatif de la pile. Est-ce alors un oxydant ou un réducteur ? Justifier la réponse.
Le glucose cède des électrons : c'est un réducteur qui s'oxyde.
 L’espèce conjuguée du glucose est ici le dioxyde de carbone CO2(g). Écrire la réaction qui a lieu à cette électrode.
C6H12O6(aq) +6H2O --> 6CO2(g)  +24H+aq + 24 e-.
 À l’autre électrode, la réaction qui a lieu est : O2(g) + 4 H+(aq) + 4 e- = 2 H2O(l)
Vérifier que l’équation modélisant le fonctionnement de la pile s’écrit : 
C6H12O6(aq) + 6 O2(g)--> 6 CO2(g) + 6 H2O(l).
C6H12O6(aq) +6H2O --> 6CO2(g)  +24H+aq + 24 e-.
6O2(g) + 24 H+(aq) + 24 e- = 12 H2O(l).
Ajouter puis simplifier :
C6H12O6(aq) +6O2(g)  --> 6CO2(g)  +6 H2O(l).
 Comparaison pile à combustible microbienne sur les toits et panneaux solaires photovoltaïques.
Quelle conversion d’énergie réalise un panneau solaire photovoltaïque ?
L'énergie solaire est en partie convertie en énergie électrique.
Présenter un avantage potentiel en faveur de piles à combustibles microbiennes installées sur un toit par rapport à des panneaux solaires photovoltaïques.
Le rendement des panneaux solaires photovoltaïques est de l'ordre de 17 % et ils ne fonctionnent que pendant les périodes ensoleillées.
 Performances espérées de la pile à combustible microbienne sur les toits.
 Les chercheurs espèrent qu’à terme la puissance d’une telle pile soit de l’ordre de 3,20 W par m² de plantes sans altérer la croissance des plantes.
Montrer que l’énergie E1 fournie par 100 m² de plantes en une journée serait voisine de 2,8.107 J.
Energie (J) = puissance ( W)  fois durée en seconde =320*24*3600=
2,8.107 J.
Suffirait-elle à alimenter en électricité une maison avec une consommation moyenne de 2800 kW.h par an (source ADEME : hors chauffage et eau chaude) ?
Donnée : 1 kW.h = 3600 kJ.
Oui : 2800 / 365 = 7,67 kWh jour-1 soit 7,67 *3,6 106 =2,8 107 J.


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