Phys. N° 10

Conversions d'énergie.

Exercices.

 

   

 

Mots clés :

 énergie, puissance, intensité, tension,

récepteur, générateur,

effet Joule, loi d'Ohm,

conducteur ohmique,

caractéristique d'un dipôle, caractéristique d'un recepteur, caractéristique d'un générateur, caractéristique d'un conducteur ohmique,

énergie et puissance transférés par un générateur,

générateur électrochimique, bilan des transferts d'énergie, chaîne énergétique, schématisation des transferts d'énergie,

notion de rendement de conversion,

QCM, distinguer puissance et énergie, exploiter une caractéristique, interpréter le fonctionnement d'un grille-pain, illustrer la conversion d'énergie, rendement de conversion d'une centrale hydraulique, le chauffe-eau solaire, ...

 

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I- Exercice 7 page 264. Distinguer puissance et énergie.

II- Exercice 9 page 264. Utiliser la relation liant puissance et énergie.

III- Exercice 12 page 264. Exploiter une caractéristique.

IV- Exercice 13 page 264. Interpréter le fonctionnement d’un grille-pain.

V- Exercice 14 page 265. Illustrer la conservation de l’énergie dans une chaîne énergétique.

VI- Exercice 19 page 265. Rendement de conversion d’une centrale hydraulique.

VII- Exercice 24 page 267. Le chauffe-eau solaire.


I- Exercice 7 page 264. Distinguer puissance et énergie.

 

Parle-t-on de puissance ou d’énergie dans chacune des phrases suivantes ?

1)- Les petites voitures électriques ont des moteurs de 3,5 à 4,0 kW.

2)- Un constructeur franco-japonais équipera ses véhicules électriques de batteries de 24 kW.h.

3)- Vaporiser un kilogramme d’eau requiert environ 340 kJ.

 

1)- Phrase 1 :

-     Petites voitures électriques ont des moteurs de 3,5 à 4,0 kW :
-   Ici, on donne la puissance de la voiture.
-   Le watt (W) est une unité de puissance.

2)- Phrase 2 :

-     Batteries de 24 kW.h :
-     Dans le cas présent, on donne l’énergie que peut délivrer la batterie.
-     Équivalence : 1 kW.h = 3600 J
-     La batterie peut délivrer une puissance P = 24 kW pendant une heure.
-     E = P. Δt.

3)- Phrase 3 :

-     Vaporisation de l’eau :
-     On donne, en kJ, l’énergie nécessaire à la vaporisation de 1 kg d’eau.

 

II- Exercice 9 page 264. Utiliser la relation liant puissance et énergie.

 

Un écran d’ordinateur LCD-LED de 24 pouces a consommé 72,5 W.h en 2 h 30min de fonctionnement.

1)- Rappeler l’expression de l’énergie E consommée par un appareil de puissance P pendant une durée Δt.

2)- Calculer la puissance P de cet écran.

3)- Le constructeur indique une puissance de 1,3 W en veille. Calculer l’énergie consommée par cet écran laissé en veille pendant 21 h 30 min. Conclure.

 

1)- Expression de l’énergie E consommée par un appareil de puissance P pendant une durée Δt :

-     E = P. Δt 

2)- Puissance P de cet écran :

-      

3)- Énergie consommée par cet écran laissé en veille :

-     E = P. Δt 
-     E ≈ 1,3 x (21 x 3600 + 30 x 60)
-     E ≈ 1,0 x 105 J
-     E ≈ 28 W.h
-     Il ne faut pas laisser trop longtemps un téléviseur en veille car il consomme de l’énergie électrique inutilement.
-     En une journée de veille, l’écran consomme presque autant qu’en deux heures de fonctionnement.

 

III- Exercice 12 page 264. Exploiter une caractéristique.

 

 

On donne la caractéristique d’un dipôle D.

1)- Montrer que ce dipôle suit la loi d’Ohm.

2)- Déterminer la valeur de la résistance R de ce dipôle.

 

 Les mesures ont été effectuées avec le logiciel PHOTOPHILTRE et le Plugins "Mesures" Mode d'emploi

1)- Le dipôle suit la loi d’Ohm :

-     On a tracé la caractéristique (intensité-tension) du dipôle D.
-     Les points sont sensiblement alignés.
-     La droite moyenne tracée passe par l’origine.
-     En conséquence la tension U aux bornes du dipôle D est proportionnelle à l’intensité du courant I qui le traverse.
-     Ceci est en accord avec la loi d’Ohm : U = R . I

2)- Valeur de la résistance R de ce dipôle :

-     La valeur de la résistance R du dipôle est égale à la valeur du coefficient directeur a de la droite moyenne tracée :
-     Mesure : 1 :

 

-     Mesure 2 :

 

-     Tableau de proportionnalité :

Tension

Mesure

2,0 V

8,71 cm

ΔU

10,48 cm

-      
-     Étude du graphe :

 

-     Valeur de la résistance R :
-      

 

IV- Exercice 13 page 264. Interpréter le fonctionnement d’un grille-pain.

 

1)- Établir la liste des conversions d’énergie mises en jeu dans un grille-pain.

2)- Quel phénomène est utilisé pour griller ses tartines ?

 

1)- Liste des conversions d’énergie mises en jeu dans un grille-pain :

-     On transforme de l’énergie électrique en énergie thermique Q et en rayonnement ER.
-     Le grille-pain convertit de l’énergie électrique en énergie thermique et en rayonnement.

2)- Phénomène utilisé :

-     Le passage du courant dans un fil conducteur entraîne l’échauffement de ce dernier : c’est l’effet Joule.

 

V- Exercice 14 page 265. Illustrer la conservation de l’énergie dans une chaîne énergétique.

 

1)- Recopier et compléter la chaîne énergétique ci-dessous, en utilisant les termes centrale thermique, énergie thermique, énergie électrique et énergie chimique.

 

2)- Donner la relation entre les différentes énergies mises en jeu.

 

1)- Chaîne énergétique :

 

2)- Relation entre les différentes énergies :

-     Le principe de conservation de l’énergie permet d’écrire :
-     Ech = Eth + Eelec

 

VI- Exercice 19 page 265. Rendement de conversion d’une centrale hydraulique.

 

 

Une centrale hydraulique utilise l’énergie cinétique d’une chute d’eau pour faire tourner une turbine.

Un alternateur utilise l’énergie mécanique fournie par la turbine pour produire de l’énergie électrique.

L’énergie électrique est alors acheminée vers les consommateurs.

1)-  

a)-   Schématiser la chaîne énergétique au niveau de la turbine.

b)-  Exprimer le rendement de conversion de la turbine.

2)-  

a)-   Schématiser la chaîne énergétique au niveau de l’alternateur.

b)-  Exprimer le rendement de conversion de l’alternateur.

3)- Le rendement de la turbine est de 60 %, celui de l’alternateur de 80 %. Calculer le rendement global de conversion de la centrale hydraulique.

4)- Quel est l’intérêt écologique de ces centrales ?

 

 

1)-  

a)-   Schéma de la chaîne énergétique au niveau de la turbine :

 

b)-  Rendement de conversion de la turbine :

-      

2)-  

a)-   Schéma de la chaîne énergétique au niveau de l’alternateur :

 

b)-  Rendement de conversion de l’alternateur :

-      

3)- Rendement global de conversion de la centrale hydraulique :

-     Pour la centrale hydraulique, l’énergie d’entrée, c’est l’énergie cinétique et l’énergie de sortie, c’est l’énergie électrique :
-      

4)- Intérêt écologique de ces centrales :

-     Les centrales hydrauliques utilisent une source d’énergie renouvelable, l’énergie potentielle de pesanteur de l’eau.

 

VII- Exercice 24 page 267. Le chauffe-eau solaire.

 

 

Un chauffe-eau solaire répond au besoin croissant d’investir dans le développement durable.

Il fonctionne au moyen de capteurs solaires qui absorbent le rayonnement solaire et convertit son énergie en énergie thermique pour chauffer de l’eau.

Ce dispositif permet de réaliser, à l’usage, environ 70 % d’économie d’énergie par rapport à un chauffe-eau électrique.

1)- Quel est l’intérêt d’investir dans le développement durable ?

2)- Quelle ressource énergétique utilise le chauffe-eau solaire ? Pourquoi peut-on la qualifier de renouvelable ?

3)- Une famille de quatre personnes utilise un chauffe-eau électrique de 2000 W fonctionnant 7 heures par jour.

a)-   Calculer le coût annuel de fonctionnement de ce chauffe-eau.

b)-  Si cette famille remplace ce chauffe-eau électrique par un chauffe-eau solaire, de quel montant diminuera sa facture d’électricité ?

c)-   « S’équiper d’un chauffe-eau solaire est avant tout une démarche citoyenne. ». Expliquer cette réflexion.

4)- Représenter la chaîne énergétique associée au chauffe-eau solaire.

Donnée : prix du kW.h électrique : 0,07880 € TTC

 

1)- Intérêt d’investir dans le développement durable :

-     Les ressources d’origine fossile (charbon, pétrole, gaz) et d’origine nucléaire (uranium) sont des ressources non renouvelables et polluantes.
-     Pour préserver l’environnement et économiser les énergies non renouvelables, il faut utiliser le plus possible les ressources énergétiques renouvelables comme l’énergie solaire qui est non polluante.

2)-  Ressource énergétique utilise le chauffe-eau solaire :

-     Le chauffe-eau solaire utilise l’énergie solaire.
-     C’est une énergie renouvelable.

    Une définition pour la ressource renouvelable :

-     Lorsque le stock de ressource énergétique se reconstitue aussi vite qu’il ne disparaît ou lorsque cette ressource est quasi illimitée (à notre échelle de temps),
-     On dit que cette ressource est renouvelable.

3)- Calcul énergétique :

a)-   Coût annuel de fonctionnement de ce chauffe-eau :

-     Consommation annuelle :
-     Ean = P . Δt
-     Ean = 2000 x (7 x 365,25 x 3600)
-     Ean  ≈  1,84 x 1010 J = 5,11x 103 kW. H  
-     Coût annuel :
-     Can = Ean . p
-     Can ≈ 5,11x 103 x 0,07880
-     Can ≈ 4,03 x 102 € TTC = 403 € TTC

b)-  Économie réalisée avec un chauffe-eau solaire :

-     « Ce dispositif permet de réaliser, à l’usage, environ 70 % d’économie d’énergie par rapport à un chauffe-eau électrique. » 
-      

c)-   « S’équiper d’un chauffe-eau solaire est avant tout une démarche citoyenne. » :

-     Un chauffe-eau solaire coûte plus cher à l’achat qu’un chauffe-eau électrique.
-   En tenant compte du prix d’achat, l’économie réalisée est minime.

4)- Chaîne énergétique associée au chauffe-eau solaire.

-     Schéma :