Photovoltaïque, chaudière à condensation, densimètre nucléaire. Bac Sti2d et Stl 2014

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Energie photovoltaïque.
Étude énergétique :
Cocher, pour chaque phrase, la bonne proposition :
Le transfert d’énergie du Soleil vers la Terre se fait : par convection, par conduction, par rayonnement.
La particule correspondant au modèle corpusculaire de la lumière est : le positon, le photon, l’électron.
Les panneaux solaires fournissent-ils un courant alternatif ou continu ?
Les panneaux solaires fournissent un courant continu.
En déduire la nature de la conversion que doit réaliser le convertisseur électrique pour alimenter une installation domestique.
Le convertisseur doit transformer un courant continu en courant alternatif.
Compléter le schéma de la chaîne énergétique en indiquant les valeurs des énergies électriques et des énergies perdues en W.h.

Sur les toits en terrasse des bâtiments, on installe 135 m2 de panneaux photovoltaïques.
Le calculateur de l’I.N.E.S (Institut National de l'Énergie Solaire) permet d'estimer la production d'électricité restituée sur le réseau d'une installation photovoltaique d'1 kWc pour 7,1 m2 de panneaux installés. Productivité annuelle par kWc : 1084,3 kWh.
 Estimer la quantité d'énergie produite, sur une année, par les 135 m2 de panneaux photovoltaïques installés. On supposera que la nature des panneaux et leur orientation correspondent aux paramètres introduits dans le calculateur.
1*135 / 7,1 = 19,014 ~19 kWc ; 19,014 *1084,3 = 2,06 104 kWh = 20,6 MWh an-1.
Étude expérimentale :
Au laboratoire, on désire vérifier le rendement d'un panneau solaire équipé d'un capteur photovoltaïque en silicium monocristallin, similaire à ceux qui équiperont les bâtiments. On réalise pour cela l'expérience suivante :
Nommer les appareils nécessaires à la mesure de U et de I.
Une tension se mesure à l'aide d'un voltmètre monté en dérivation ; une intensité se mesure à l'aide d'un ampèremètre monté en série.
Les valeurs de la puissance délivrée par le panneau sont calculées dans une feuille de calcul. Parmi les trois expressions suivantes, quelle est celle qu'il faut saisir dans la cellule C3 ?
a) = C1*C2 ; b) = C1*C2*1000 ; c) = C1*C2/1000.

ABC
1Tension ( V)20,82
2Intensité ( mA)0
3Puissance (W)
=C1*C2 /1000
La tension à vide est mesurée lorsque l'interrupteur K est ouvert. Déterminer la valeur de la tension à vide V0exp expérimentalement obtenue ?
Lecture dans la case  B1 lorsque l'intensité est nulle. V0exp = 20,82 V.
Le courant de court-circuit est mesuré lorsque K est fermé, et pour une valeur de R tendant vers 0 ohm. Déterminer la valeur de l'intensité du courant de court-circuit ICCexp expérimentalement obtenue ? Déterminer graphiquement la puissance maximum Pmax exp délivrée par le panneau solaire.

On extrait de la documentation du fabricant les caractéristiques suivantes pour une irradiance standard de 1000 W/m2.
Puissance maximale (Pmax): 5 Watts. Tension à circuit ouvert (Voc) : 21,96 Volts. Courant en court-circuit (Icc) : 410 mA.
Calculer l'écart relatif : DP/P = (Pmax-Pmax exp) / Pmax = (5-2,45) / 5 =0,51
Cet écart est très grand : les résultats de l'expérience sont en désaccord avec les indications du constructeur.
Enoncer une cause de la différence entre les valeurs du constructeur et les valeurs expérimentalement obtenues.
Expérimentalement on utilise une lampe halogène dont le spectre est différent de celui du soleil.




La chaudière à condensation.
La « condensation des fumées ».
On suppose que les fumées restent à une pression constante voisine de 100 kPa, de leur formation à leur extraction. Les fumées sont principalement composées de diazote N2, de dioxyde de carbone CO2 et d'eau H2O.
Indiquer sous quel état physique (solide, liquide ou gazeux) se trouvent le diazote N2 et le dioxyde de carbone CO2 à la sortie de la deuxième zone ( température 50°C ).
A 50 °C, diazote et dioxyde de carbone sont gazeux.
Compléter le diagramme d'état de l'eau en repérant les différents états de l'eau..
 
Peut-on dire que dans une chaudière à condensation « les fumées sont condensées » ? Justifier.
Seule l'eau est condensée.
La combustion dans la chaudière.
La chaudière étudiée brûle du gaz de ville, gaz que l'on supposera uniquement constitué de méthane, CH4.
Écrire l'équation chimique de la combustion complète du méthane CH4 dans l'air.
CH4(g) + 2(O2(g) + 4 N2(g) ) ---> CO2(g) + 2H2O(g) + 8N2(g).
Calculer la masse molaire moléculaire du méthane.
Données : MC = 12,0 g.mol-1 ; MH = 1,0 g.mol-1.
M =12,0 + 4*1,0 = 16,0 g/mol.
Calculer la quantité de matière nCH4 correspondant à 1,00 kg de méthane.
n = 1000 / 16,0 =62,5 mol.
Déduire des questions précédentes que la masse de vapeur d'eau mH20 formée par la combustion d'1,00 kg de CH4 est de 2,25 kg.
 D'après les nombres stoechiométrique de l'équation de combustion du méthane :
 nH2O = 2 n = 2*62,5 = 125 mol. M(H2O) = 18 g/mol ; mH2O = 125*18 = 2,25 103 g = 2,25 kg.
Montrer que la condensation des vapeurs d'eau dans une chaudière permet de réaliser un gain de 10 % en énergie, en supposant que seule l'énergie de changement d'état de l'eau est récupérée.
la condensation d'1 kg d'eau libère 2,26 kJ. la condensation de 2,25 kg d'eau libère : 2,26*2,25 = 5,085 kJ ~5,09 kJ.
La combustion d'1 kg de méthane libère 50 kJ.
5,09 / 50 ~0,10.
La composition du condensat.
Le condensat d'une chaudière est prélevé à une température de 20°C afin d'en mesurer le pH.
Pourquoi, peut-on considérer le condensat comme une solution aqueuse ?
Le condensat est issu de la condensation de l'eau.
Quel appareil peut-on utiliser pour mesurer le pH de cette solution. Un pHmètre.
On obtient une mesure de pH = 5,2.
Le condensat est-il une solution acide ou basique ? Justifier.
Le pH étant inférieur à 7, la solution est acide.
Suite à cette mesure, pourquoi peut-on affirmer que l'eau n'est pas le seul constituant du condensat ?
Le pH de l'eau pure est égal à 7. Le condensat n'est donc pas constitué d'eau pure.
Après avoir écrit les deux demi-équations correspondant aux couples acide-base CO2,H2O/ HCO3– et H3O+/H2O, écrire l'équation acido-basique correspondant à la réaction de l'eau avec le dioxyde de carbone dissous (CO2,H20).
CO2,H2O=  HCO3– + H+ ;  H2O + H+ = H3O+ ; CO2,H2O +H2O =HCO3– +H3O+.
Quelles espèces chimiques sont présentes en solution dans le condensat ?
A pH = 5,2, CO2 dissout, H2O, HCO3– et H3O+sont présents dans le condensat.
Le tartre est essentiellement constitué de carbonate de calcium CaCO3(s). En quoi ce pH protège-t-il les tuyaux d'écoulement du condensat, d'un éventuel dépôt de tartre ?
A pH =5,2 l'espèce CO32- n'est pas présente.

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Acquisition éventuelle d'un densimètre nuléaire.
L'entreprise vient d'obtenir un important marché pour la réalisation d'un tronçon routier. Il est démontré que le compactage est un facteur important qui influe sur les propriétés mécaniques d'un sol et donc sur les performances de pénétration d'une route. On évite ainsi, à l'usage, les trous dans la chaussée.
On peut estimer qu'il sera nécessaire de faire un très grand nombre des mesures de la teneur en eau d'un soi afin de définir une stratégie de compactage des sols. Autant d'essais de mesure de la densité d'un sol permettent d'estimer la résistance d'un sol et donc de motiver l'arrêt ou le prolongement des opérations de compactage.
Définition de la teneur massique en eau δ :
Pour un volume d'échantillon de sol prélevé, la teneur massique en eau δ est définie par : d =meau / mss avec meau : masse d'eau contenue dans le volume d'échantillon de sol prélevé
mss : masse de sol sec contenue dans le volume d'échantillon de soi prélevé,
Matériel disponible au laboratoire :
Étuve : enceinte à la pression atmosphérique ; température réglable jusqu'à 150°C. Balance d'étendue de mesure 5-510 g et de précision ± 0,02g, bécher, fiole, tube à essai...
Mesure de la teneur en eau d'un sol.
En réglant la température à 80°C dans l'étuve, la vaporisation de l'eau se fait-elle par ébullition ou par évaporation ?
A 80°C, sous une pression de 1 bar, la vaporisation de l'eau se fait par évaporation.
Présenter une méthode expérimentale simple permettant de réaliser la mesure de la teneur en eau d'un soi à partir du matériel disponible au laboratoire et d'un échantillon de sol.
Prélever m gramme de sol et le placer dans l'étuve à 80°C. Sortir régulièrement l'échantillon de l'étuve et le peser jusqu'à ce que sa masse ne varie plus: : ainsi on détermine mss.
masse d'eau meau = m -mss.
 Donner deux avantages à l'utilisation d'un densimètre nucléaire.
Les mesures sont rapides, précises etrenouvelables ; ce type de densimètre donne la teneur en eau.
Mesure de la densité.
Les densimètres utilisent une source radioactive de césium 137 (13755Cs) qui se désintègre naturellement en baryum 137 (13756Ba).
Donner le nombre de protons et le nombre de neutrons composant un noyau de césium 137 puis de baryum 137.
13755Cs : 55 protons et 137-55 =82 neutrons ; 13756Ba : 56 protons et137-56 =81 neutrons.
Définir l'isotopie. Le césium 137 et le baryum 137 sont-ils des isotopes ?
Deux isotopes ne diffèrentt que par leur nombre de neutrons ; ils ont le même numéro atomique. 13755Cs et 13756Ba ne sont pas isotopes.
Écrire l'équation de désintégration du césium 137 en baryum 137 et préciser la nature de la particule émise.
13755Cs ---> 13756Ba +0-1e (électron ).
Déterminer la nature des rayonnements émis par la source de césium 137.
Le noyau fils 13756Ba se trouve bien souvent dans un état excité. Il revient dans un état de moindre énergie en émettant des rayons gamma.
Le graphe suivant représente l'évolution de l'activité d'un échantillon de noyaux radioactifs de césium en fonction du temps.
On rappelle que la « période radioactive » (ou demi-vie) T1/2 est la durée au bout de laquelle le nombre de noyaux radioactifs présents dans l'échantillon est réduit de moitié.
Déterminer graphiquement la demi-vie radioactive du césium 137.

L'étalonnage de l'appareil est indispensable dès que la source a perdu 10% de son activité initiale.
 Estimer graphiquement la durée entre deux étalonnages de cet appareil. Vous ferez clairement apparaître le tracé.
A0 = 380 MBq ; 0,90 A0 =342 MBq.

Dans le cas où les responsables de l'entreprise feraient le choix d'acquérir ce type de densimètre, quelles actions doivent-ils mettre en place ?
Formation du personnel à l'utilisation du densimètre.
Faire ue demande d'autorisation en préfecture.
Calibrer l'appareil tous les deux ans.




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