L'alimentation électrique d'une maison, Capes physique chimie 2021.

1. Citer trois types de conversion sans combustion permettant d’obtenir de l’énergie électrique ? Donner un exemple pour chacun d’eux. Reproduire et compléter la chaîne énergétique suivante :
Fission de l'uranium dans un réacteur nucléaire.
Conversion de l'énergie solaire en énergie électrique dans une cellule photovoltaïque.
Conversion de l'énergie mécanique en énergie électrique du vent dans une éolienne.
Conversion de l'énergie mécanique en énergie électrique du vent dans centrale hydroélectrique.

Le Soleil : une source d’énergie inépuisable.
L’énergie solaire provient d’un ensemble de réactions nucléaires se produisant dans le Soleil. Un enseignant propose à une classe de seconde composée de 34 élèves, le questionnaire à choix multiple (QCM) suivant : plusieurs réponses étant possibles. 2. Répondre à ce QCM.
Voici quelques écritures symboliques modélisant certaines transformations :
1. p+p -->²₁H+e⁺+n.
2.²₁H+p --> ³₂He+g.
3. H₂O(l) --> H₂O (g).
4. CaF2(s) --> Ca²⁺aq + 2F^-aq.
5. ³₂H+3₂H-->⁴₂H+p+p.
6. CH₄ + O₂ --> CO₂ + 2H₂O.

Q1. L’équation 4 modélise une : A) fusion B) vaporisation C) dissolution vrai.
Q2. L’équation 3 modélise une transformation : A) physique vrai B) chimique C) nucléaire.
Q3. Deux nucléides isotopes ont même : A) nombre de neutrons B) nombre de protons vrai C) nombre d’électrons.
Q4. Le nucléide ₉₂²³⁸U a pour isotope(s) : A) ₉₄²³⁹Pu B) ₉₂²³⁵U vrai C) ₉₄²³⁸Pu
3. L’enseignant regroupe les résultats de la classe dans le tableau ci-dessous (les nombres correspondent au nombre des réponses cochées) :

	A	B	C
Q1	20	0	14
Q2	34	0	0
Q3	0	34	17
Q4	0	25	9

Quelles confusions sont mises en évidence avec les questions Q1 et Q3 ? Interpréter les réponses de la question Q4 et proposer une remédiation.
Q1 : confusion entre fusion et dissolution.
Q3 : confusion entre atome et noyau de l'atome.
Q4 : certains élèves ignorent à quoi correspondent les nombres dans la notation symbolique du noyau de l'atome.
Rappeler ces conventions d'écriture et faire travailler les élèves en binôme ( l'un donne une notation, l'autre donne la composition).

4. Rayonnement solaire à la surface de la Terre.
La loi de Stefan relie la puissance radiative surfacique φ émise par un corps noir à sa température T : 𝜑 = 𝜎∙𝑇⁴, où σ est la constante de Stefan valant 5,7 × 10^–8 W.m^–2.K^–4. Quelle est l’unité de φ ? Déterminer littéralement puis numériquement la puissance radiative totale émise par le Soleil, puis la puissance radiative surfacique reçue par la Terre de la part du Soleil en supposant que le Soleil se comporte comme un corps noir.
φ s'exprime en W m^-2.
Température moyenne de surface du Soleil : T_S = 5500 °C soit 5 773 K.
𝜑_S =5,7 10^-8 x5773⁴ =6,3 10⁷ W m^-2.
Distance terre soleil d = 1,5 10¹¹ m.
Rayon du soleil R = 7 10⁸ m.
Puissance radiative reçue sur terre perpendiculairement aux rayons solaires :
𝜑_S (R / d)² = 6,3 10⁷ (7 10⁸ / (1,5 10¹¹)² =1,4 10³ W m^-2.
Cette puissance est reçue par le disque terrestre de rayon R_T=6,4 10⁷ m et répartie sur la partie ensoleillée de la terre.
𝜑 =1,4 10³ (pR²_T / (4pR²_T *0,5) =1,4 10³ /2 =7,0 10² W m^-2.
Prendre en compte l'alternance jour - nuit :
7,0 10² / 2 =3,5 10² W m^-2.

5. Effet de serre atmosphérique.
Dans le cadre d’un modèle simple, l’atmosphère qui entoure la Terre peut être assimilée à une couche sphérique de même centre que celui de la Terre. On formule les hypothèses simplificatrices suivantes :
- la surface de l’atmosphère est confondue avec celle de la Terre (1) ;
- la Terre se comporte comme un corps noir (2) ;
- l’atmosphère se comporte comme un corps noir pour le rayonnement terrestre (3) ;
- on définit l’albédo d’une surface comme le rapport de la puissance lumineuse réfléchie par cette surface à la puissance lumineuse incidente.
L’albédo de la Terre entourée de l’atmosphère peut se décomposer en deux parties : l’albédo de l’atmosphère et l’albédo de la surface terrestre. On note A l’albédo de cet ensemble {atmosphère - Terre}.
On suppose que la réflexion du rayonnement solaire se produit au niveau de l’interface espace/atmosphère (4) ;
- l’atmosphère transmet alors, sans aucune absorption, le rayonnement solaire qui n’a pas été réfléchi vers l’espace (5).
À partir d’un schéma mettant en évidence les différents échanges radiatifs mis en jeu, écrire les bilans radiatifs pour la Terre et pour l’atmosphère. En déduire la valeur de la température moyenne de la surface terrestre. En réalité, cette température est estimée à 15 °C. Quelles peuvent être les causes de l’écart entre ces deux valeurs ?

Flux solaire reçu : 𝜑 = 3,5 10² W m^-2.
Albédo terrestre A = 0,34.
Flux réfléchi : A𝜑 =0,34 x3,5 10² ~1,2 10² W m^-2.
Flux rayonné : s T⁴_terre = 5,7 10^-8 T⁴_terre .
Bilan : 3,5 10² = 1,2 10² + 5,7 10^-8 T⁴_terre .
T⁴_terre =(3,5-1,2) 10² /(5,7 10^-8) =4,1 10⁹ ; T_terre =2,5 10² K ( -21°C).
La température moyenne de la terre étant voisine de 20°C, il faut tenir compte de l'effet de serre ( le rayonnement IR émis par la terre est bloqué par les gaz, vapeur d'eau, CO₂, méthane contenus dans l'atmosphère ).