L’énergie chimique stockée dans les espèces chimiques et les transformations qui la libèrent ; la combustion et la pile, convertisseurs d’énergie chimique, dans une chaîne énergétique ; accumulateurs et pile à combustible ; combustibles et dioxyde de carbone.
Approfondissement Ce chapitre va au-delà du programme officiel de 3ᵉ : utile pour aller plus loin ou anticiper.
À propos de cette page
Cinq problèmes corrigés : une moto-cross à essence, une pile à la pomme de terre, la batterie d’une balayeuse électrique rechargée puis vidée, le chauffe-eau au butane des douches d’un camping et la comparaison d’un bus à hydrogène et d’un bus au gazole.
5 problèmes, du plus simple au plus difficile. Écris tes réponses, puis « Vérifier ».
Résoudre un problème : la méthode
Je repère le réservoir d’énergie chimique (combustible, pile, batterie) et la transformation chimique qui la libère.
Je trace la chaîne énergétique : chaque convertisseur, la forme d’énergie sur chaque flèche, l’énergie utile et l’énergie dissipée.
Pour un bilan, j’écris : énergie reçue = énergie utile (ou stockée) + énergie dissipée, puis je calcule la grandeur inconnue.
Pour une masse de CO₂ ou d’eau, j’utilise la proportionnalité donnée par l’équation, après avoir mis les masses dans la même unité.
Je conclus par une phrase avec le vocabulaire du cours (réservoir, convertisseur, réactif épuisé, charge, CO₂).
Problème 1 · La moto-cross de Léna★★★Facile
Léna roule sur une moto-cross à essence. Pendant un court trajet, la combustion dans le moteur libère 300 kJ d’énergie chimique ; le moteur fournit 75 kJ d’énergie cinétique à la moto. Le moteur et le pot d’échappement deviennent très chauds.
1. Réservoir d’énergie de la chaîne : le réservoir d’
L’essence stocke l’énergie chimique.
2. Forme de l’énergie utile : énergie
La moto avance : énergie cinétique.
3. Énergie dissipée pendant ce trajet : kJ
Conservation : kJ.
4. Cette énergie dissipée est surtout de l’énergie .
Le moteur et le pot chauffent : énergie thermique.
5. L’énergie utile représente 1 kJ sur kJ libérés.
: un quart seulement de l’énergie chimique devient utile.
Problème 2 · La pile à la pomme de terre★★★Facile
Des élèves plantent une lame de zinc et une lame de cuivre dans une pomme de terre et les relient à un voltmètre, qui indique 0,85 V. Pour allumer une petite DEL rouge, qui demande une tension plus grande, ils relient trois de ces piles à la suite : la DEL s’allume faiblement, puis s’éteint au bout de plusieurs jours.
1. Dans cette pile, l’électrolyte est fourni par le jus de la .
Le jus de la pomme de terre contient des ions : c’est l’électrolyte.
2. Dans la chaîne, les piles fournissent à la DEL de l’énergie .
Les piles convertissent l’énergie chimique de leurs réactifs en énergie électrique.
3. La DEL fournit une énergie utile et dissipe un peu d’énergie thermique.
La DEL éclaire : énergie utile lumineuse.
4. La DEL s’éteint au bout de plusieurs jours : l’un des des piles est épuisé.
La transformation chimique s’arrête quand un réactif est épuisé.
5. Avec une pomme de terre deux fois plus grosse et les mêmes lames, la tension d’une de ces piles est (plus grande, la même ou plus petite).
La tension dépend de la nature des électrodes et de l’électrolyte, pas de la taille : elle reste la même, environ 0,85 V.
Problème 3 · La balayeuse de la mairie★★★Moyen
Le soir, un agent recharge la balayeuse électrique de la mairie : le chargeur fournit 18 000 kJ à la batterie, qui en stocke 16 200 kJ. Le lendemain, en nettoyant les rues jusqu’à ce que la batterie soit vide, elle libère ces 16 200 kJ d’énergie chimique et fournit 14 580 kJ d’énergie électrique au moteur.
1. Part de l’énergie du chargeur stockée dans la batterie : %
, soit 90 % ; les 10 % restants sont dissipés.
2. Énergie dissipée pendant la charge : kJ
kJ.
3. Énergie dissipée par la batterie en roulant : kJ
kJ.
4. Énergie dissipée en tout, de la prise au moteur : kJ
kJ. Vérification : kJ, rien n’a disparu.
5. L’énergie dissipée pendant la charge fait tiédir la batterie : elle est sous forme .
Énergie thermique, dissipée dans l’air autour.
Problème 4 · Les douches du camping★★★Moyen
Les douches d’un camping sont alimentées par un chauffe-eau qui brûle du butane C₄H₁₀. Équation : 2 C₄H₁₀ + 13 O₂ → 8 CO₂ + 10 H₂O ; 58 g de butane brûlés donnent 176 g de CO₂. Un jour d’affluence, il brûle 11,6 kg de butane.
1. L’énergie utile fournie par le chauffe-eau est l’énergie .
Il chauffe l’eau : énergie thermique.
2. Masse de CO₂ rejetée ce jour-là : kg
et g, soit 35,2 kg.
3. Masse de CO₂ rejetée en 30 jours semblables : kg
kg.
4. Les atomes d’oxygène du CO₂ viennent du de l’air.
Du dioxygène : c’est pourquoi la masse de CO₂ dépasse celle du butane.
5. Les atomes de carbone du CO₂ viennent du .
Du butane, le combustible : chaque atome de carbone donne une molécule de CO₂.
Problème 5 · Bus à hydrogène ou bus au gazole ?★★★Difficile
Une ville compare deux bus pour 100 km. Le bus au gazole brûle 35 kg de gazole ; 1 kg de gazole brûlé rejette environ 3,2 kg de CO₂. Le bus à hydrogène roule grâce à une pile à combustible et consomme 9 kg de dihydrogène : 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O ; 4 g de dihydrogène donnent 36 g d’eau. Le dihydrogène est fabriqué à partir de méthane : CH₄ + 2 H₂O → CO₂ + 4 H₂ ; on obtient 8 g de dihydrogène en rejetant 44 g de CO₂.
1. CO₂ rejeté par le bus au gazole pour 100 km : kg
kg de CO₂.
2. Eau rejetée par le bus à hydrogène pour 100 km : kg
et g, soit 81 kg d’eau, et aucun CO₂ en roulant.
3. CO₂ rejeté à l’usine pour fabriquer ces 9 kg de dihydrogène : kg
et g, soit 49,5 kg (sans compter l’énergie pour chauffer l’usine).
4. Pour 100 km, le bus à hydrogène fait économiser kg de CO₂ par rapport au bus au gazole.
kg : moins de CO₂, mais pas zéro.
5. Pour que ce bus ne rejette presque pas de CO₂ sur toute la chaîne, il faudrait fabriquer son dihydrogène sans , par exemple à partir d’eau et d’une électricité peu émettrice.
Le CO₂ de l’usine vient du carbone du méthane. Sans méthane (électrolyse de l’eau avec une électricité éolienne, solaire, hydraulique ou nucléaire), il n’y a presque plus de CO₂.
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