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Thème 1 : Science, climat et société
Introduction
Ch. 1
L'atmosphère terrestre et la vie
Ch. 2
La complexité du système climatique
Ch. 3
Le climat du futur
Ch. 4
Énergie, développement et futur climatique
Objectif Bac : Thème 1
Thème 2 : Le futur des énergies
Introduction
Ch. 5
Deux siècles d’énergie électrique
Ch. 6
Les atouts de l’électricité
Ch. 7
Optimisation du transport de l’électricité
Ch. 8
Choix énergétiques et impacts
Objectif Bac : Thème 2
Thème 3 : Une histoire du vivant
Introduction
Ch. 9
La biodiversité et son évolution
Ch. 10
L’évolution, une grille de lecture du monde
Ch. 11
L’évolution humaine
Ch. 12
Les modèles démographiques
Ch. 13
De l’informatique à l’intelligence artificielle
Objectif Bac : Thème 3
Livret maths
Fiches méthode
Annexes
Chapitre 6
Exercices
Le repaire des initiés
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6Pile à combustible
✔ Comparer différents dispositifs de stockage d'énergie selon différents critères
Les piles à combustible se développent de plus en plus aujourd'hui. Elles fonctionnent grâce à une réaction chimique entre le dihydrogène \text{H}_2 et le dioxygène \text{O}_2.
Les piles à combustible se développent de plus en plus aujourd'hui. Elles fonctionnent grâce à une réaction chimique entre le dihydrogène \text{H}_2 et le dioxygène \text{O}_2.
1. Identifier les réactifs et les produits de la réaction mise en jeu.
2. En déduire les avantages de la pile à combustible par rapport aux combustions traditionnelles.
2. En déduire les avantages de la pile à combustible par rapport aux combustions traditionnelles.
Doc.
Fonctionnement d'une pile à combustible.
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7Le nucléaire, entre danger et sécurité
✔ Extraire des informations du document
La fission nucléaire permet de produire de grandes quantités d'énergie électrique en formant très peu de dioxyde de carbone. Cependant, cette exploitation n'est pas sans risques, notamment en raison de l'exposition aux rayonnements produits par les éléments radioactifs. Ces effets varient selon la concentration et la durée d'exposition, les conséquences de l'irradiation allant de la brûlure au cancer. Il est donc nécessaire de maîtriser ces réactions et de traiter correctement les déchets nucléaires, car les produits des fissions peuvent rester radioactifs sur de très longues durées.
La fission nucléaire permet de produire de grandes quantités d'énergie électrique en formant très peu de dioxyde de carbone. Cependant, cette exploitation n'est pas sans risques, notamment en raison de l'exposition aux rayonnements produits par les éléments radioactifs. Ces effets varient selon la concentration et la durée d'exposition, les conséquences de l'irradiation allant de la brûlure au cancer. Il est donc nécessaire de maîtriser ces réactions et de traiter correctement les déchets nucléaires, car les produits des fissions peuvent rester radioactifs sur de très longues durées.
1. Citer les deux intérêts principaux des centrales nucléaires.
2. Identifier des conséquences sur la santé de l'exposition aux rayonnements radioactifs.
2. Identifier des conséquences sur la santé de l'exposition aux rayonnements radioactifs.
3. Comparer la dose moyenne annuelle d'exposition aux rayonnements d'origine naturelle en France à celle occasionnée par les rejets de centrales nucléaires en France.
4. Indiquer trois dispositifs de sécurité mis en place dans une centrale nucléaire.
4. Indiquer trois dispositifs de sécurité mis en place dans une centrale nucléaire.
Doc. 1
Dispositifs de sécurité d'une centrale nucléaire.
Afin de prévenir tout accident, d'importants dispositifs de sécurité sont mis en place dans les centrales nucléaires, dont :
- trois barrières de sécurité :
- une enveloppe étanche qui entoure les barres d'uranium,
- une enveloppe en acier inoxydable très épais autour du circuit primaire,
- une enceinte de confinement constituée d'une ou de deux parois en béton armé revêtu d'une peau interne en acier ;
- un suivi de la réaction en chaîne de réacteur ;
- des contrôles réguliers ;
- des circuits d'alimentation de secours ;
- un système d'injection de bore et de refroidissement du cœur en cas de brèche ;
- un circuit d'aspersion de l'enceinte pour faire diminuer la pression et la température dans le bâtiment du réacteur.
Doc. 2
Exposition aux rayonnements radioactifs.
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8Différents systèmes de stockage
✔ Comparer différents dispositifs de stockage d'énergie selon différents critères
Différents systèmes de stockage d'énergie existent. Ces systèmes ne sont cependant pas équivalents et sont plus ou moins adaptés à différentes situations.
1. Identifier l'intérêt de l'utilisation des supercondensateurs dans des bus de ville.
2. Expliquer pourquoi les batteries lithium-ion sont intéressantes pour le stockage d'énergie des smartphones.
3. Nommer des problèmes liés à l'extraction du lithium.
Doc. 1
Comparaison d'un supercondensateur et d'une batterie lithium-ion.
| Supercondensateur | Batterie lithium-ion | |
|---|---|---|
| Densité d'énergie W⋅h/kg | 4 à 10 | 100 à 265 |
| Puissance maximale W⋅kg-1 | 3 000 à 40 000 | 1 500 |
| Nombre de cycles de charge | Jusqu'à 20 000 000 | 500 à 1 000 |
| Rendement | Environ 98 % | Environ 90 % |
| Durée de décharge sans utilisation | Semaines | Mois |
Doc. 2
Des utilisations diverses, des impacts divers.
Les supercondensateurs sont testés dans des bus, notamment le modèle Watt System depuis 2014 en France. Leur grande puissance, par rapport aux batteries lithium-ion, les rend notamment intéressants lors des multiples démarrages des bus ainsi que pour la récupération d'une partie de l'énergie du freinage.Les batteries lithium-ion ont quant à elles envahi notre quotidien. Elles ont l'avantage de posséder une densité d'énergie plus importante, et d'être de petite taille. Cependant, l'extraction des métaux tels que le lithium ou le cobalt interroge : grande consommation d'eau, possibilité de fuite de substances toxiques, toxicité forte du cobalt, etc.
Les conditions d'extraction en Chine et en Amérique du Sud sont également remises en cause : conditions de travail, travail des enfants, etc.
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9Des empilements de béton
La start-up suisse Energy Vault a créé un système innovant pour le stockage des énergies renouvelables. Lorsque la production d'électricité est supérieure à la demande, une grue empile des blocs de béton de 35 tonnes. Ainsi, l'énergie électrique est convertie en énergie cinétique puis en énergie potentielle de pesanteur. À l'inverse, lorsque la production d'électricité est inférieure à la demande, les blocs sont descendus à une vitesse de 2,9 m⋅s-1, entraînant alors un alternateur.
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Données
- E_\text{pp}= m⋅g⋅h
- E_\text{C}=\dfrac{1}{2} m⋅v2
- 1 mA⋅V⋅h = 3{,}6 J
- g= 9{,}8 J⋅kg-1⋅m-1
E_\text{C} et E_\text{pp} s'expriment en joule (J), m s'exprime en kilogramme (kg), h s'exprime en mètre (m) et v s'exprime en mètre par seconde (m⋅s-1).
1. Nommer le réservoir d'énergie ainsi que la forme d'énergie stockée évoqués dans le texte.
2. Réaliser la chaîne énergétique liée au stockage d'énergie, puis celle liée au déstockage d'énergie.
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3. Calculer l'énergie stockée par un bloc de béton s'il est placé à 5 m du sol, puis à 100 m. Comparer cette énergie à celle stockée dans une batterie de 2 500 mA⋅h/3,6 V.
4. Calculer l'énergie cinétique d'un bloc lors de sa descente. Identifier un système de production d'électricité plus courant qui utilise le même principe de stockage d'énergie.
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CCondensateur, un réservoir d'énergie électromagnétique
✔ Comparer différents dispositifs de stockage d'énergie selon différents critères
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Un condensateur est un dispositif susceptible de stocker de l'énergie électromagnétique. Il est constitué de deux électrodes séparées par un matériau isolant.
Charge : lorsque les deux électrodes sont soumises à une tension électrique, aussi appelée différence de potentiel, des électrons migrent vers une des électrodes. Cette électrode se charge alors négativement, tandis que la seconde se charge positivement.
Décharge : lorsqu'un condensateur chargé est relié à un circuit électrique, les électrons se déplacent de l'électrode négative vers l'électrode positive : de l'électricité circule dans le circuit.
Ces condensateurs ne peuvent stocker qu'une faible quantité d'énergie et c'est pour cela que les super-condensateurs ont été développés. Entre chaque électrode et l'isolant a été ajouté un électrolyte. Cet électrolyte contient des ions pouvant être adsorbés à la surface des électrodes. De plus, ces électrodes sont poreuses pour augmenter la surface d‘adsorption, ce qui augmente encore la quantité d'énergie pouvant être stockée.
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Un condensateur est un dispositif susceptible de stocker de l'énergie électromagnétique. Il est constitué de deux électrodes séparées par un matériau isolant.
Charge : lorsque les deux électrodes sont soumises à une tension électrique, aussi appelée différence de potentiel, des électrons migrent vers une des électrodes. Cette électrode se charge alors négativement, tandis que la seconde se charge positivement.
Décharge : lorsqu'un condensateur chargé est relié à un circuit électrique, les électrons se déplacent de l'électrode négative vers l'électrode positive : de l'électricité circule dans le circuit.
Ces condensateurs ne peuvent stocker qu'une faible quantité d'énergie et c'est pour cela que les super-condensateurs ont été développés. Entre chaque électrode et l'isolant a été ajouté un électrolyte. Cet électrolyte contient des ions pouvant être adsorbés à la surface des électrodes. De plus, ces électrodes sont poreuses pour augmenter la surface d‘adsorption, ce qui augmente encore la quantité d'énergie pouvant être stockée.
1. Nommer sous quelle forme l'énergie est stockée dans un condensateur.
2. Nommer sous quelle forme l'énergie est stockée dans un accumulateur.
3. En déduire la différence fondamentale entre un supercondensateur et un accumulateur.
4. Identifier la différence entre un condensateur classique et un supercondensateur.
5. Identifier le sens de déplacement des électrons lors de la charge et de la décharge d'un supercondensateur.
6. Identifier le sens de déplacement des électrons lors de la charge et de la décharge d'un accumulateur.
2. Nommer sous quelle forme l'énergie est stockée dans un accumulateur.
3. En déduire la différence fondamentale entre un supercondensateur et un accumulateur.
4. Identifier la différence entre un condensateur classique et un supercondensateur.
5. Identifier le sens de déplacement des électrons lors de la charge et de la décharge d'un supercondensateur.
6. Identifier le sens de déplacement des électrons lors de la charge et de la décharge d'un accumulateur.
Doc. 1
Charge d'un accumulateur.
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Doc. 2
Fonctionnement d'un supercondensateur déchargé et chargé.
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