BTN Physique STL Bio Non Redoublants

13 PYBI ND ME1 1/15

BACCALAURAT TECHNOLOGIQUE

SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE LABORATOIRE Spcialit BIOTECHNOLOGIES

(STL BIOTECHNOLOGIES)

- Session 2013 -

preuve de PHYSIQUE CHIMIE

Ce sujet sera trait par les candidats se prsentant pour la premire fois aux preuves terminales du baccalaurat.

Dure de l'preuve : 3 heures Coefficient : 4

Ds que le sujet vous est remis, assurez-vous quil est complet. Ce sujet comporte 15 pages.

Le document rponse est rendre avec la copie.

L'usage d'une calculatrice est autoris.

Il est rappel aux candidats que la qualit de la rdaction, la clart et la prcision des explications entreront dans l'apprciation des copies. Toute rponse devra tre justifie

13 PYBI ND ME1 2/15

LE SCOOTER HYBRIDE

Face un trafic urbain de plus en plus dense, le scooter apparait comme un moyen de locomotion privilgi, il associe confort, maniabilit et gain de temps. Le scooter permet galement les dplacements sur route hors agglomration. Certains constructeurs ont dvelopp une technologie hybride, combinant un moteur thermique et un moteur lectrique. A lheure actuelle, le moteur lectrique apparait comme un complment du moteur thermique, sa prsence permet daugmenter le rendement global du scooter et diminue donc la quantit de dioxyde de carbone rejet dans latmosphre.

Lobjet du sujet qui comporte 4 parties indpendantes portera sur ltude dun scooter hybride.

Partie I : transferts et conversions nergtiques Partie II : transformation chimique et transfert thermique Partie III : transformation chimique et transfert lectrique Partie IV : communication et ondes lectromagntiques

I. TRANSFERTS ET CONVERSIONS ENERGETIQUES

1. Fonctionnement gnral

Document 1 (Daprs www.piaggiomp3.com) Un scooter de la marque piaggio dans 4 situations diffrentes.

sur route horizontale en cte en descente en ville

HYBRID CHARGE Le moteur thermique fournit de lnergie la fois la roue et au moteur lectrique. Ce dernier fonctionne comme un gnrateur et recharge les batteries.

HYBRID POWER Le moteur lectrique, associ au moteur thermique, fournit puissance et couple supplmentaires grce lnergie stocke dans les batteries. Les missions et la consommation sont rduites, les performances amliores.

MODE ELECTRIC Le moteur thermique est teint. Le moteur lectrique fournit sa puissance la roue arrire et transforme le mp3 hybride en vhicule zro mission.

FREINAGE ET DECELERATION

Le moteur lectrique fonctionne comme un gnrateur et rcupre lnergie cintique traditionnellement perdue sur les autres vhicules et la transforme pour recharger les batteries

13 PYBI ND ME1 3/15

Document 2 Une schmatisation des 4 situations prcdentes

A B

C D

Daprs www.piaggiomp3.com

1.1. Remplir le tableau de lannexe 1 rendre avec la copie avec les lettres A, B, C ou D correspondant chacune des situations proposes.

1.2. Dans le mode lectric que signifie la formulation zro mission ?

moteur thermique

moteur lectrique

batterie

moteur thermique

moteur lectrique

batterie

moteur thermique

moteur lectrique

batterie

moteur thermique

moteur lectrique

batterie

13 PYBI ND ME1 4/15

2. Fonctionnement en mode thermique seul

Document 3 Caractristiques de diffrentes sources dnergie pour vhicules

Essence

Diesel

Electricit

Energie massique en Wh / kg 11 900 11 800 30 200

Energie volumique en Wh / litre 9 060 8 970 70-300

Dure de remplissage 5 min 5 min 4-6 h

Rendement en nergie du rservoir la roue

30-35 % 40-42 % 80-85 %

Daprs Mission Vhicule 2030 Rapport J. SYROTA 28 septembre 2008

Document 4 Chane nergtique simplifie du scooter moteur thermique

Document 5 Comparaison des diffrents modes de stockage de lnergie cas dun rservoir de 10 litres

Essence Electricit Autonomie fournie ~ 250 km ~ 25 33 km

essence + air

transmission aux roues

moteur thermique

nergie chimique

(24 kWh)

transfert thermique

air ambiant route (36 kWh)

(Les valeurs dnergie correspondent un dplacement de 100 km)

13 PYBI ND ME1 5/15

Donnes : 1 Wh = 3600 J masse volumique de lessence e = 0,760 kg.L1

1 MJ = 106 J le rendement est dfini par le rapport de lnergie utile sur lnergie reue

2.1. Lnergie volumique de lessence est de 32,6 MJ.L1. Calculer lnergie volumique EV de lessence en watt heure par litre (Wh.L1).

2.2. Le document 4 reprsente la chane nergtique simplifie du scooter moteur thermique.

2.2.1. A quel type dnergie correspond la flche vide du document 4 ?

2.2.2. En utilisant le document 4, dterminer la valeur du rendement du scooter fonctionnant en mode thermique. Montrer que le rsultat est en accord avec le document 3.

2.2.3. Le rendement du scooter dpend de la pression des pneumatiques. Reli lun des pneumatiques, le manomtre utilis affiche une pression P de 2,2 bars. Sachant qu lair libre il indique 0 bar, la pression mesure est-elle relative ou absolue ?

2.3. Le scooter a un rservoir qui peut contenir 12 litres dessence. A partir du document 5, dterminer lautonomie du scooter.

3. Fonctionnement en mode hybride

Document 6 Extrait de la fiche technique du scooter piaggo MP3 hybrid 125 cm3

Recharge de la batterie ..........................................

Contenance du rservoir carburant ...................Consommation (cycle 2/3 hybride 1/3 lectrique) ...............................................................

Au freinage et la dclration, ou branche sur le rseau lectrique (module de charge de la batterie intgre au systme de contrle lectronique) 12 litres

1,7 L / 100 km

13 PYBI ND ME1 6/15

Document 7 Chane nergtique simplifie du scooter hybride

Le scooter dispose dune motorisation qui associe un moteur thermique et un moteur lectrique monts en parallle, ce qui permet daugmenter son autonomie.

3.1. Identifier, sans justifier, les diffrents transferts dnergies correspondant aux flches n 1 et n 2 du document 7.

3.2. Quindique la flche n 3 du document 7 ?

3.3. Le scooter a un rservoir qui peut contenir 12 litres dessence. Dterminer lautonomie du scooter hybride si on adopte un cycle 2/3 hybride 1/3 lectrique avec une consommation de 1,7 L au 100 km. Comparer cette autonomie avec celle calcule en 2.3. et conclure.

*

Le convertisseur lectromcanique fonctionne soit dans un sens comme moteur lectrique, soit dans lautre sens comme gnrateur dlectricit.

prise de courant

extrieure 230 V 50Hz

moteur thermique

essence + air

nergie

mca

niqu

e

transmission aux roues

air ambiant route

freinage et dclration

batterie d'accumulateurs

lithiumion nergie lectrique

n 1

mise en mouvement

air ambiant route

n 2

n 3

nergie mcanique

nergie chimique

transfert thermique

transfert thermique

moteur lectrique* (convertisseur

lectromcanique)

nergie mcanique

13 PYBI ND ME1 7/15

4. Rendement du moteur lectrique

La puissance lectrique absorbe par ce moteur est donne par la relation : Plec = 3 U I cos() o cos() est appel facteur de puissance

La puissance mcanique maximale du moteur lectrique est Pmca = 2,6.103 W. Dans ce cas, pour une tension U = 54 V, lintensit du courant est I = 34 A et cos() = 0,95.

4.1. A partir de ces donnes, dterminer le rendement du moteur.

4.2. En dduire un intrt du moteur lectrique par rapport au moteur thermique.

II. TRANSFORMATION CHIMIQUE ET TRANSFERT THERMIQUE

Document 8

Le but de cette partie est de vrifier exprimentalement la valeur de lnergie massique (ou pouvoir calorifique) de lessence donne dans le document 3, ainsi que la masse de dioxyde de carbone CO2 rejete par km parcouru par un scooter. Le manipulateur effectuera lexprience schmatise dans le document 9 ci-dessous avec un chantillon dessence de masse me = 1,5 g plac dans un creuset. On considre que lnergie libre par la combustion de lessence est gale la variation dnergie interne de leau (nergie reue par leau).

Document 9

Lassociation des deux moteurs ne se contente pas damliorer les performances, elle rduit galement la consommation de carburant et les missions de CO2. Le Piaggio MP3 Hybrid consomme seulement 1,7 L / 100 km contre une moyenne de 3,8 L / 100 km pour les scooters classiques. Les missions de CO2 suivent la mme tendance. Elles atteignent seulement 40 g/km contre 90 g/km pour les autres scooters en moyenne. (Les donnes du MP3 Hybrid sont calcules sur la base dune utilisation 2/3 hybride et 1/3 lectrique).

Daprs : http://www.fr.piaggio.com/fr

Bote mtallique

Agitateur

Thermomtre

Creuset avec lessence

Isolant thermique

13 PYBI ND ME1 8/15

Document 10

Extrait de la fiche de donnes de scurits du supercarburant sans plomb 95/E10

FICHE DE DONNES DE SCURIT (extraits de la fiche fournie par TOTAL) conformment au Rglement (CE) No. 1907/2006

FDS n : A01169 SUPERCARBURANT SANS PLOMB 95/E10

1. IDENTIFICATION DE LA SUBSTANCE/DU MLANGE ET DE LA SOCIT/L'ENTREPRISE

Identificateur de produit Nom du produit SUPERCARBURANT SANS PLOMB 95/E10 Substance pure/mlange Mlange

2. IDENTIFICATION DES DANGERS

lments d'tiquetage

Mention d'avertissement DANGER

Mentions de danger (extrait) H224 - Liquide et vapeurs extrmement inflammables H350 - Peut provoquer le cancer H340 - Peut induire des anomalies gntiques H361fd - Susceptible de nuire au ftus. Susceptible de nuire la fertilit H304 - Peut tre mortel en cas d'ingestion et de pntration dans les voies respiratoires

Conseils de prudence (extrait) P261 - viter de respirer les poussires/fumes/gaz/brouillards/vapeurs/arosols P280 - Porter des gants de protection et un quipement de protection des yeux/du visage P301 + P310 - EN CAS D'INGESTION: appeler immdiatement un CENTRE ANTIPOISON ou un mdecin P403 + P233 - Stocker dans un endroit bien ventil. Maintenir le rcipient ferm de manire tanche.

3. COMPOSITION / INFORMATIONS SUR LES COMPOSANTS (extraits)

Mlange Nature chimique Mlange additiv constitu d'hydrocarbures, paraffiniques, naphtniques, aromatiques, olfiniques, avec principalement des hydrocarbures de C4 C12 et des composs oxygns.

13 PYBI ND ME1 9/15

1. Essence et prcaution

Lessence utilise par le moteur thermique du scooter est un mlange dhydrocarbures, commercialise sous la dnomination supercarburant sans plomb 95/E10. Par souci de simplification, dans la suite de lexercice on considrera quelle est uniquement constitue doctane de formule brute C8H18.

Rpondre aux trois questions suivantes partir du document 10 : 1.1. Justifier que le choix dassimiler lessence de loctane est compatible avec les donnes

fournies dans la rubrique 3. COMPOSITION / INFORMATIONS SUR LES COMPOSANTS de la fiche de donnes de scurit.

1.2. Le manipulateur doit-il effectuer le prlvement dessence sous une hotte aspirante ? Justifier.

1.3. De quels quipements de protection individuels le manipulateur doit-il disposer pour effectuer son prlvement afin dassurer sa protection ?

2. Pouvoir calorifique de lessence

On considre lexprience du document 9 effectue dans les conditions optimales de scurit. Le creuset contient initialement me = 1,5 g dessence. Lnergie libre lors de sa combustion permet de chauffer une masse deau meau = 300 g place dans une bote mtallique. La temprature initiale de leau est i = 20 C. Une fois que toute lessence a brl, la temprature finale de leau est f = 63 C.

Dans lexprience ci-dessus, on considre que la transformation chimique entre lessence et le dioxygne de lair est une combustion complte. Elle est modlise par lquation chimique :

2 C8H18 (l) + 25 O2 (g) 16 CO2 (g) + 18 H2O(g)

Donnes : Capacit thermique massique de leau ceau = 4,18.103 J.kg1.C 1

On rappelle que la variation dnergie interne dun corps de masse m passant dune temprature initiale i une temprature finale f est donne par la relation : U = m.c.(f i) o c reprsente la capacit thermique massique de ce corps.

2.1. Dterminer la variation dnergie interne de leau (nergie reue par leau) note Ueau.

2.2. Montrer partir du rsultat prcdent que la valeur exprimentale du pouvoir calorifique de lessence est de 36 MJ.kg1 soit 10.103 Wh.kg1.

On suppose que lnergie libre par la combustion de lessence est gale la variation dnergie interne de leau.

13 PYBI ND ME1 10/15

2.3. Daprs le document 3, le pouvoir calorifique de lessence vaut 11 900 Wh.kg1. Proposer une explication lcart constat avec la valeur exprimentale.

3. Rejet de dioxyde de carbone

Daprs le constructeur, en mode Hybrid, le scooter consomme en moyenne1,7 L / 100 km.

Donnes : masse volumique de lessence e = 0,760 kg.L1. masse molaire de lessence Me = 114 g.mol1 masse molaire du dioxyde de carbone M(CO2) = 44 g.mol1

3.1. Dterminer la masse dessence moyenne consomme, note me, pour effectuer 100 km.

3.2. Montrer que la quantit dessence correspondante est ne = 11,4 mol.

3.3. En dduire la quantit de dioxyde de carbone produite, not n2CO , pour un trajet de 100 km.

3.4. Montrer que la masse de dioxyde de carbone m2CO produite pour un trajet de 100 km

est de 4,0 kg.

3.5. La valeur trouve est-elle compatible avec celle fournie par le constructeur dans le document 8 ?


III. TRANSFORMATION CHIMIQUE ET TRANSFERT ELECTRIQUE

La batterie dun scooter est compose de 10 accumulateurs Lithium-ion (not Li-ion) monts en srie. Elle sert stocker lnergie ncessaire au fonctionnement du moteur lectrique. La batterie peut stocker au maximum une nergie gale 4 kWh.

Un accumulateur Li-ion se comporte comme : - un gnrateur lectrochimique de courant continu lorsquil fournit de lnergie un rcepteur

not R, - un rcepteur lectrochimique lorsquil est recharg par un gnrateur not G (voir document 11). Il est constitu de deux lectrodes spares par un lectrolyte dans lequel les ions lithium Li+ se dplacent. Lune des lectrodes est en graphite, lautre lectrode est en oxyde de cobalt CoO2. (Co est le symbole de llment cobalt).

Document 11

Utilisation de laccumulateur en gnrateur Utilisation de laccumulateur en rcepteur

Daprs http://scphysiques2010.voila.net

1. Fonctionnement en gnrateur dun accumulateur lithium-ion Les ractions aux lectrodes sont modlises de faon simplifie par les quations chimiques ci-aprs : Sur llectrode en graphite : Li Li + + e Sur llectrode en oxyde de cobalt : CoO2 + Li+ + e CoLiO2

1.1. Daprs le document 11, quels sont les porteurs de charge responsables du passage du courant dans les diffrentes parties du circuit ?

1.2. Daprs le document 11 et les quations aux lectrodes, llectrode en graphite est-elle llectrode positive ou llectrode ngative de laccumulateur ? Justifier.

2. Fonctionnement en rcepteur dun accumulateur lithium-ion Le processus charge-dcharge de laccumulateur Li-ion est rversible.


Complter lannexe 2 rendre avec la copie en prcisant :

2.1. Le sens de circulation des lectrons dans le circuit lextrieur du gnrateur.

2.2. Le sens de dplacement des ions Li+ dans llectrolyte.

2.3. Llectrode en graphite.

2.4. Llectrode en oxyde de cobalt.

3. La batterie lithium-ion dun point de vue nergtique

Document 12 Caractristiques de diffrents types daccumulateurs

Type daccumulateur

Energie massique en Wh.kg1

Energie volumique en Wh.L1

Tension vide dun accumulateur en V

Dure de vie (nombre de recharges)

Plomb-acide 30-50 75-120 2,25 400-800

Li-Po * 100-130 220-330 3,7 200-300

Li-ion 90-180 220-400 3,6 500-1000 * Batterie lithium-polymre

Daprs les donnes de lADEME (agence de lenvironnement et de la maitrise de lnergie) et de Panasonic-technologie Li-ion.

Donne : 1 Wh = 3600 J

3.1. A partir des donnes nergtiques du document 12, expliquer pourquoi on utilise principalement des accumulateurs Li-Po et Li-ion dans les appareils portables ?

3.2. La batterie Lithium-ion dun scooter hybride a une masse de 26 kg. Vrifier que lnergie massique dun accumulateur Li-ion correspond aux donnes du document 12.

On rappelle que la batterie dun scooter, compose de 10 accumulateurs Lithium-ion, peut stocker au maximum une nergie gale 4 kWh.


IV. COMMUNICATION ET ONDES ELECTROMAGNETIQUES

Le pilote du scooter possde un casque quip dun systme de communication bluetooth avec son passager.

Document 13 Extrait de la notice du kit de communication du pilote du scooter

Document 14

Descriptif de la technologie bluetooth

Bluetooth est une technologie rseau personnel de communication sans fil, mise au point par Ericsson en 1994. Elle permet des appareils de communiquer entre eux sur de faibles distances. Le systme bluetooth utilise des ondes lectromagntiques de frquence 2,4 GHz. Les appareils communiquant par bluetooth ne ncessitent pas de ligne de vue directe pour communiquer, contrairement ceux qui utilisent une liaison infrarouge. La porte des appareils bluetooth dpend essentiellement de la puissance de lmission. Il existe 3 classes dappareils bluetooth :

classe puissance porte 1 100 mW 100 m 2 2,5 mW 10 20 m 3 1 mW quelques mtres

Gnrales Fonction Audio Autonomie en communication : jusqu 10 h Microphone avec rducteur de souffle Temps de chargement : 3 h Contrle automatique du volume en fonction de la vitesse et du bruit ambiant Fonctions Puce et Batterie Sadapte aux casques intgraux, jets et modulables Bluetooth classe 2 Mcanisme de dtachage rapide du casque Batterie lithium-polymre rechargeable

couteurs

Volume + Recharge

Volume

microphone


Document 15

Spectre des ondes lectromagntiques

Donne : clrit des ondes lectromagntiques dans lair : c = 3,0.108 m.s1.

1. Dcrire succinctement la structure dune onde lectromagntique.

2. Reprer dans le document 15, le type donde lectromagntique utilise dans la technologie bluetooth.

3. Justifier un intrt du choix de la technologie bluetooth dans la communication entre le pilote et son passager en commentant la phrase du document 14 : Les appareils communiquant par bluetooth ne ncessitent pas de ligne de vue directe pour communiquer, contrairement ceux qui utilisent une liaison infrarouge.

4. En utilisant les documents 13 et 14, la classe du kit de communication du pilote du scooter vous parat-elle convenir lutilisation qui en est faite ?

5. Le kit intgre une antenne. Il existe plusieurs sortes dantennes dont lune est appele antenne quart donde : Cette appellation quart donde signifie que la longueur L de

lantenne est gale au quart de la longueur donde : L = 4

.

Quelle doit-tre la longueur L dune antenne quart donde dans la technologie bluetooth ? Cette longueur vous parat-elle acceptable ?

rayon

s

rayon

s X

ultra violets

lum

ire

visible

infraro

uges

micro

-ond

es

onde

s rada

r

onde

s radio

3.107 3.108 3.1011 3.1014 3.1016 3.1019 frquence (Hz)


ANNEXES ( rendre avec la copie)

Annexe 1 : rponses la question 1.1. de la partie I.

Situation Hybrid charge Hybrid power Freinage et dclration Mode lectric

Schma correspondant

Annexe 2 : rponses aux questions 2.1. 2.2. 2.3. et 2.4. de la partie III.

Fonctionnement en rcepteur de laccumulateur lithium-ion

lectrode en ......

lectrode en ......

Documents

BTN Physique STL Bio Non Redoublants