Acoustique, photométrie, chimie, les routes de demain, bts TP travaux publics 2018.

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Acoustique.
Un impact environnemental du trafic est le bruit, que l’on cherche à limiter là où il est gênant, à savoir en milieu urbain et péri-urbain.
 Plusieurs techniques permettent de réduire le bruit au niveau du contact pneu-chaussée.
 Une solution consiste à incorporer au bitume des granulats ou de la poudre de caoutchouc, issus notamment du recyclage de pneus usagés, ce qui permet de rogner quelques décibels sur le bruit.

(« Pour la science » Avril 2015)

 1) De quelle ressource naturelle le bitume est-il issu ?
Le bitume est issu du raffinage du pétrole.
  2) Avec quel appareil de mesure le niveau d’intensité acoustique est-il mesuré ?
Le sonomètre.
  3) Calculer le niveau d’intensité acoustique total Nt en décibels acoustiques.
Spectre du bruit de roulement d’un véhicule léger découpé en bandes d’octave

Fréquence médiane (Hz)
 125
 250
 500
 1000
 2000
 4000
Niveau d'intensité acoustique ( dBA)
 74
 77
 76
 80
 63
 53

  L = 10 log ( 107,4 +107,7 +107,6 +108,0 +106,3 + 105,3) = 10 log(2,51+5,0 +3,98 +10 +0,2 +0,02) 107) =83,3 dBA.

4) Expliquer la signification de la pondération A lors du passage du niveau d’intensité acoustique exprimé en décibels à celui exprimé en décibels acoustiques.
On tient compte de la sensibilité de l'oreille ; celle-ci dépend de la fréquence.
  5) Déterminer le niveau acoustique (dB) à la fréquence unique de 500 Hz.
La pondération A est égale à -3,0 dB. N = 76 +3 = 79 dB.
  6) Calculer le gain acoustique d’un véhicule se déplaçant à 90 km.h-1 sur l’enrobé COLSOFT 0/10.
Une entreprise de BTP, Colas, commercialise un enrobé (revêtement des routes) appelé COLSOFT contenant du caoutchouc provenant de pneumatiques usagés. En se référant au niveau d’intensité acoustique à la fréquence unique de 1000 Hz, l’entreprise annonce les performances suivantes.

Température (°C)
 N(dBA)
 Gain ( dBA)
avec enrobé COLSOFT
 avec un autre enrobé
COLSOFT 0 /10 (90 km / h)
 75
 80
 5
COLSOFT 0 / 6 ( 90 km / h)
 70
 74
 4

 Cette entreprise de BTP annonce qu’avec cet enrobé COLSOFT 0/10, l’intensité acoustique est divisée par 3 et donc qu’avec un tel gain, le passage de 100 véhicules devient égal en terme de bruit au passage de 33 véhicules avec l’ancien enrobé.
  7) Vérifier, à l’aide d’arguments quantitatifs, si l’annonce faite par cette entreprise à propos de son enrobé est correcte.
N = 10 log (I / I0) ; Si I est divisée par 3, N diminue de -10 log(3) = -4,8 dB, proche de -5 dB, donc accord.
Avec un autre enrobé : I = 10-12 x 108 = 10-4 W m-2 pour un véhicule.
Soit pour 33 véhicules : 3,3 10-3 W m-2 ; niveau acoustique correspondant : 10 log ( 3,3 10-3 / 10-12) =95,2 dB.
Avec enrobé COLSOFT : 10-4 / 3 = 3,33 10-5 W m-2 pour un véhicule.
Soit pour 100 véhicules : 3,33 10-3 W m-2 ; niveau acoustique correspondant : 10 log ( 3,33 10-3 / 10-12) =95,2 dB.
L'annonce faite est correcte.

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Photométrie.
Production de l’électricité.
 Dans le domaine du transport routier, la transition énergétique a pour écho la notion de routes à énergie positive, c’est-à-dire des routes qui collecteront de l’énergie pour leur propre usage : régulation thermique, signalisation, éclairage…
 Une piste cyclable pilote longue de 100 mètres et large de 4,0 mètres a été inaugurée fin 2014 dans la ville de Krommenie aux Pays-Bas. (« Pour la science » Avril 2015)

1- Etude du rendement d’une cellule photovoltaïque au laboratoire.
Fonctionnement d’une cellule photovoltaïque


Wikimédia Commons, photovoltaiccell)
Lorsque la cellule reçoit de la lumière, une tension électrique apparait à ses bornes.
Elle se comporte alors comme un générateur.
  1) Proposer un montage pour mesurer la tension U aux bornes d’une cellule photovoltaïque et l’intensité I qu’elle génère lorsqu’elle est éclairée par la lumière du soleil afin de connaitre ainsi la puissance électrique générée par la cellule


  2) Avec quel appareil de mesure l’éclairement est-il mesuré ?
Luxmètre.
Données :
- Surface de la cellule : S = 1,4.102 cm2
- Éclairement moyen au niveau de la cellule : Er = 1,3.104 lux
- Rendement de la cellule photovoltaïque :Pmax /  Pr.
Puissance électrique maximale Pmax générée par la cellule
Puissance solaire moyenne reçue Pr par la cellule
 On considère qu’une intensité lumineuse I0 = 1,5.10-3 W.m-2 correspond à un éclairement E0 = 1,0 lux pour toutes les longueurs d’onde émises par le soleil.
  3) Calculer la puissance solaire moyenne Pr reçue par la cellule photovoltaïque.
S = 1,4 10-2 m2 ; Pr = Er I0 S =1,3 104 x1,5 10-3 x1,4 10-2 =0,273 W.
 Expérimentalement, on a déterminé Pmax qui vaut 35 mW.
  4) En déduire le rendement de cette cellule photovoltaïque.
Pmax / Pr = 0,035 /0,273 = 0,128 ( ~13 %).
2- Détermination de la puissance maximale fournie par la piste cyclable de Krommenie.
 À l’aide d’un calcul simple, évaluer l’ordre de grandeur de la puissance maximale fournie par le « champ » de cellules photovoltaïques qui constitue la piste cyclable de Krommenie au Pays-Bas.
(On admet pour cela que les cellules et l’éclairement sont les mêmes que dans l’expérience qui vient d’être faite)
Surface de la piste : 100 x 4,0 = 400 m2, équivalent à 400 / (1,4 10-2) =2,86 104 cellules.
Puissance maximale : 2,86 104 x0,035 =1,0 103 W = 1,0 kW.
3. Effet de la température sur le rendement photovoltaïque.


1) Quel est le rendement du champ de cellules photovoltaïques à 40°C ? 12 %.
       Comment évolue ce rendement lorsque la température augmente ?
 Le rendement diminue quand la température augmente.
 La cellule est chauffée par le soleil.
  2) De quel type de transfert thermique s’agit-il ?
Transfert par rayonnement.
 La terre tournant autour du soleil et sur elle-même autour de l’axe des pôles, la position du soleil dans le ciel va varier en fonction des heures et des saisons. L’exposition de la cellule photovoltaïque au flux de rayonnement provenant du soleil sera alors modifiée et son rendement également.


3) À quelle heure de la journée, notée t1, la puissance solaire par unité de surface au sol est-elle maximale ?
       Déterminer la puissance solaire reçue par ce champ de cellules photovoltaïques à cette même heure t1.
250 W m-2 à 12 H soit 250 x400 = 1,0 105 W.
  4) Expliquer pourquoi la production d’énergie électrique de ce champ de cellules dépend de l’heure de la journée et du jour de l’année (sans tenir compte des effets météorologiques).
La puissance solaire reçue, donc la production d'énergie électrique, dépend de la saison et de l'heure de la journée.
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Chimie.
Etude du traitement par réalcanisation d’une route en béton.
 La route en béton constitue une excellente solution dans le cadre de revêtements routiers et autoroutiers ou encore d’aménagements urbains.
 Toutefois, le béton de ces routes subit, au cours du temps, une altération par carbonatation ;
 Pour réparer ce béton, on procède à un traitement par réalcanisation.
 Le but de cette partie est d’estimer la durée nécessaire au traitement par réalcanisation pour réparer les bétons carbonatés des routes en béton
Solutions aqueuses.
L’hydroxyde de calcium se dissout dans l’eau qui se trouve dans les pores du béton selon la réaction chimique :
a Ca(OH)2 = Ca2+ + b HO-.
  1) Déterminer la valeur des coefficients stœchiométriques a et b de façon à équilibrer cette équation chimique.
Ca(OH)2 = Ca2+ + 2 HO-.
  2) Donner le nom de l’espèce chimique formée lors de cette réaction qui est responsable du pH élevé du béton.
L'ion hydroxyde HO-.
  3) Dans le cas d’un béton de pH égal à 12, quelle est la concentration molaire volumique des ions oxonium H3O+ ?
[H3O+] = 10-12 mol / L.
 Le dioxyde de carbone gazeux (CO2) se dissout dans l’eau contenue dans les pores du béton et se transforme en acide carbonique H2CO3 selon la réaction d’équation :
CO2 + H2O=H2CO3.
  4) À l’aide des couples acide/base mis en jeu, écrire l’équation de la réaction acido-basique intervenant entre l’acide carbonique H2CO3 et les ions hydroxyde HO-.
H2CO3 + HO- =  HCO3-+ H2O.
  5) Justifier alors l’évolution du pH du béton.
Les ions hydroxydes sont consomés, leur concentration diminue ainsi que le pH du béton.

  6) Indiquer si le béton au voisinage immédiat de l’armature est carboné ?
      L’armature en acier va-t-elle se corroder ?
L'indicateur coloré est rose, le pH du béton est donc supérieur à 8. Donc le béton n'est pas carbonaté. L'armature  en acier ne  va pas se corroder.
Par contre, sans intervention, la zone carbonatée va se propager et l'acier va se corroder.
  7) Montrer que la réfection de 1 m3 de route en béton consiste à réalcaliniser environ 2,5.10-2 m3 de béton.
Le béton est carbonaté sur une épaisseur  voisine de 2,5 cm = 2,5 10-2 m.
Volume de béton à réparer: 2,5 10-2 x1 = 2,5 10-2 m3 par m2 de route.

Oxydoréduction.

Traitement du béton par réalcalinisation à courant imposé
 Il s’agit d’une méthode électrochimique qui consiste à :
- Se connecter sur les armatures du béton et à les utiliser comme cathode.
- Poser temporairement, à la surface du béton, un grillage métallique servant d’anode, noyé dans une pâte électrolytique.
- Faire passer un courant entre anode et cathode, en les reliant à un générateur de courant.
 Le traitement est une électrolyse au cours de laquelle le dioxygène produit à l’anode est réduit à la cathode.
 Il y a alors formation d’ions hydroxyde à la cathode.
 Cela conduit à l’augmentation du pH du béton corrigeant ainsi la diminution de pH consécutive à sa carbonatation.
Le traitement est réalisé avec une densité de courant imposé de valeur comprise entre 0,50 et 1,0 A.m-2 et sa durée est de deux semaines.
 La réalcalinisation est un traitement adapté, à condition que le front de carbonatation n’ait pas encore atteint l’armature.


  8) Pourquoi utilise-t-on un générateur électrique ?
      Indiquer en justifiant si ce générateur est de tension continue ou sinusoïdale.
Un générateur de courant continu est nécessaire pour réaliser une électrolyse.
  9) Quel est l’intérêt de la présence de la pâte électrolytique sur l’anode ?
Elle empèche l'anode de s'oxyder et elle permet le transfert des ions.
  10) Comment savoir si l’opération de réalcalinisation a été efficace, par exemple au bout de 15 jours ?
On refait un test à la phénolphtaléine : tout doit être rose.


  

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