Physique – Chimie DS n°6

Physique – Chimie
DS n°6
Date : ........................
Nom et prénom : ................................................................
Note :
Classe : 1S....
Observations :
25,5
la
Connaître :
% de réussite
……./ 7,5 Appliquer :
%
……/ 9 Raisonner :
%
…… / 4 Communiquer :
...../ 5
%
%
Les réponses doivent être justifiées et les calculs détaillés. Donner les résultats avec un nombre de chiffres significatifs correct.
C
Exercice 1 : Bilan carbone avion vs voiture à essence
(12,5 points)
Un véhicule 4x4 consomme 0,135 L d'essence par kilomètre. Ce
carburant est un mélange complexe d'alcanes, principalement des
molécules comportant 8 atomes de carbone (de formule brute C8H18).
1. Alcanes :
a) Nommer la molécule ci-contre :
b) Écrire la formule semi-développée du 3-éthyl-2-méthylpentane.
c) Les deux molécules précédentes sont-elles isomères de l'octane ?
2. Combustion des alcanes :
a) Quel conversion d'énergie est réalisée lors de la combustion des alcanes ?
½
b) Écrire l'équation modélisant la combustion des principaux constituants de l'essence.
c) Déterminer la quantité de matière de carburant consommé par kilomètre parcouru.
½
d) Quelle est la masse de CO2 formé par kilomètre parcouru ?
e) Quelle est la masse de dioxyde de carbone produit par personne lors d'un trajet allerretour Paris-Marseille, effectué par deux personnes dans un véhicule 4x4 à
essence ? Même question pour un avion embarquant 300 passagers qui émet 35 kg
de CO2 par kilomètre.
f) Lequel des deux moyens de transport minimise l'émission de dioxyde de carbone ?
3. Liquide de refroidissement : l'éthylène glycol (formule ci-contre)
est couramment utilisé dans les liquides de refroidissement des
automobiles et des avions.
a) À quelle famille appartient cette molécule ?
b) Quel est le nom de l'éthylène glycol dans la nomenclature officielle ?
A
R Co
1
1
½ ½
½
½
1,5
½
½
½
½
½
c) Quel est le nom de l'alcane contenant le même nombre d'atomes de carbone que
½
l'éthylène glycol ?
d) Représenter la formule semi-développée de l'éthanol.
½
e) Expliquer l'écart entre les températures d'ébullition de l'alcane (-89°C), de l'éthanol
½ ½
(79°C) et de l'éthylène glycol (198°C).
f) Avant les années 1960, l'eau était utilisée comme liquide de refroidissement dans les
½
moteurs. Quel avantage présente l'utilisation de l'éthylène glycol par rapport à l'eau ?
4. Distillation fractionnée du pétrole brut : Lors de la distillation du pétrole
dans les raffineries, on recueille différentes coupes pétrolières : fioul
domestique, essences, gaz, kérosène, etc... On chauffe le pétrole brut
dans le fond de la cuve. Les composants qui se vaporisent en premier
sont recueillis à l'étage supérieur de la colonne de distillation, ceux qui se
vaporisent en deuxième, à l'étage en dessous, etc...
Associer les coupes pétrolières citées aux numéros du schéma ci-contre.
½ ½
Données : densités : dessence = 0,74 ; dkérosène = 0,80.
masses molaires (en g.mol-1) : C : 12,0 ; H : 1,0 ; O : 16,0
distance Paris-Marseille : environ 800 km
températures d’ébullition : fioul domestique : entre 300 et 400°C ; essences : entre
150 et 200°C ; gaz : < 0°C ; kérosène : entre 200 et 300°C.
C
A
R
Co
Exercice 2 : Un service au tennis
(6,5 points)
Pour effectuer un service au tennis, un joueur
lance la balle verticalement, puis la frappe avec
sa raquette en un point D situé sur la verticale de
O à la hauteur H = 2,20 m.
La balle part alors de D avec une vitesse horizontale, de valeur v0 = 126 km.h-1, pour atteindre le
point B. L'énergie potentielle sera nulle à l'altitude y = 0
La balle de masse m = 58,0 g sera considérée comme ponctuelle et on négligera les
frottements de l'air.
1. Donner l'expression littérale de la variation de l'énergie potentielle de la balle entre
l'instant où elle quitte la raquette et l'instant où elle touche le sol. Calculer ensuite sa
valeur et commenter son signe.
½ ½
½
2. Quelle est l'expression littérale de l'énergie cinétique de la balle lorsqu'elle part de D ?
1
Indiquer l'unité dans le système international des grandeurs impliquées.
3. Écrire les expressions littérales de l'énergie mécanique de la balle en D (E MD) et de la
1
balle en B(EMB)
4. Quelle est la relation entre EMD et EMB ? Justifier.
½
½
5. Déduire de la question 4., l'expression de la vitesse v B de la balle lorsqu'elle frappe le
1
½
sol. Calculer cette vitesse et la comparer avec la vitesse initiale.
6. Dans la réalité, on ne peut pas négliger les frottements de l'air. La vitesse réelle de la
balle est-elle égale, inférieure ou supérieure à la valeur calculée à la question 5. ?
½
Justifier.
Donnée : intensité de la pesanteur : g = 9,81 N.kg-1.
Exercice 3 : Transfert d'énergie dans un circuit électrique
Un petit moteur électrique est utilisé pour soulever un objet
pendant une durée Δt = 2,5 s. La tension à ses bornes vaut U =
4,5 V, l'intensité du courant qui le traverse I = 100 mA et sa
résistance interne r = 2,1 Ω.
1. Calculer la puissance électrique de ce moteur.
2. Attribuer à chaque appareil, sa puissance de
fonctionnement : (relier les points par des segments)
motrice TGV 
 1,0 W
lampe basse consommation 
 2,6 kW
sèche-linge 
 10 W
téléphone mobile 
 8,8 MW
(6,5 points)
½ ½
1
U=E+rI
3. Calculer l'énergie électrique Ee reçue par le moteur.
½ ½
4. Calculer l'énergie thermique Eth perdue par effet Joule.
½ ½
5. En déduire la valeur de l'énergie E1 pouvant être convertie en énergie mécanique.
6. Représenter la chaîne énergétique associée au moteur.
7. Calculer la valeur du rendement de conversion de ce moteur.
½
1
½ ½
Physique – Chimie
DS n°6
Date : ........................
Nom et prénom : ................................................................
Note :
Classe : 1S....
Observations :
25,5
la
Connaître :
% de réussite
*
……./ 7,5 Appliquer :
%
……/ 9 Raisonner :
%
…… / 4 Communiquer :
...../ 5
%
%
Les réponses doivent être justifiées et les calculs détaillés. Donner les résultats avec un nombre de chiffres significatifs correct.
C
Exercice 1 : Bilan carbone avion vs voiture à essence
(12,5 points)
Un avion moyen consomme 14 L de kérosène par kilomètre. Ce
carburant est un mélange complexes d'alcanes, principalement de
molécules comportant 10 atomes de carbone (de formule brute C10H22).
1. Alcanes :
a) Nommer la molécule ci-contre :
b) Écrire la formule semi-développée du 4-éthyl-2,3,3-triméthylhexane.
c) Les deux molécules précédentes sont-elles isomères du décane ?
2. Combustion des alcanes :
a) Quel conversion d'énergie est réalisée lors de la combustion des alcanes ?
½
b) Écrire l'équation modélisant la combustion des principaux constituants du kérosène.
c) Déterminer la quantité de matière de carburant consommé par kilomètre parcouru.
½
d) Quelle est la masse de CO2 formé par kilomètre parcouru ?
e) Quelle est la masse de dioxyde de carbone produit par personne lors d'un trajet allerretour Paris-Marseille effectué par un avion embarquant 300 passagers ? Même
question pour le même voyage effectué par deux personnes dans un véhicule 4x4 à
essence qui émet 0,31 kg de CO2 par kilomètre.
f) Lequel des deux moyens de transport minimise l'émission de dioxyde de carbone ?
3. Liquide de refroidissement : l'éthylène glycol (formule ci-contre)
est couramment utilisé dans les liquides de refroidissement des
automobiles et des avions.
a) À quelle famille appartient cette molécule ?
b) Quel est le nom de l'éthylène glycol dans la nomenclature officielle ?
A
R Co
1
1
½ ½
½
½
1,5
½
½
½
½
½
c) Quel est le nom de l'alcane contenant le même nombre d'atomes de carbone que
½
l'éthylène glycol ?
d) Représenter la formule semi-développée de l'éthanol.
½
e) Expliquer l'écart entre les températures d'ébullition de l'alcane (-89°C), de l'éthanol
½ ½
(79°C) et de l'éthylène glycol (198°C).
f) Avant les années 1960, l'eau était utilisée comme liquide de refroidissement dans les
½
moteurs. Quel avantage présente l'utilisation de l'éthylène glycol par rapport à l'eau ?
4. Distillation fractionnée du pétrole brut : Lors de la distillation du pétrole
dans les raffineries, on recueille différentes coupes pétrolières : fioul
domestique, essences, gaz, kérosène, etc... On chauffe le pétrole brut
dans le fond de la cuve. Les composants qui se vaporisent en premier
sont recueillis à l'étage supérieur de la colonne de distillation, ceux qui se
vaporisent en deuxième, à l'étage en dessous, etc...
Associer les coupes pétrolières citées aux numéros du schéma ci-contre.
½ ½
Données : densités : dessence = 0,74 ; dkérosène = 0,80.
masses molaires (en g.mol-1) : C : 12,0 ; H : 1,0 ; O : 16,0
distance Paris-Marseille : environ 800 km
températures d’ébullition : fioul domestique : entre 300 et 400°C ; essences : entre
150 et 200°C ; gaz : < 0°C ; kérosène : entre 200 et 300°C.
*
C
A
R
Co
Exercice 2 : Un service au tennis
(6,5 points)
Pour effectuer un service au tennis, un joueur
lance la balle verticalement, puis la frappe avec
sa raquette en un point D situé sur la verticale de
O à la hauteur H = 2,30 m.
La balle part alors de D avec une vitesse horizontale, de valeur v0 = 128 km.h-1, pour atteindre le
point B. L'énergie potentielle sera nulle à l'altitude y = 0
La balle de masse m = 57,0 g sera considérée comme ponctuelle et on négligera les
frottements de l'air.
1. Donner l'expression littérale de la variation de l'énergie potentielle de la balle entre
l'instant où elle quitte la raquette et l'instant où elle touche le sol. Calculer ensuite sa
valeur et commenter son signe.
½ ½
½
2. Quelle est l'expression littérale de l'énergie cinétique de la balle lorsqu'elle part de D ?
1
Indiquer l'unité dans le système international des grandeurs impliquées.
3. Écrire les expressions littérales de l'énergie mécanique de la balle en D (E MD) et de la
1
balle en B(EMB)
4. Quelle est la relation entre EMD et EMB ? Justifier.
½
½
5. Déduire de la question 4., l'expression de la vitesse v B de la balle lorsqu'elle frappe le
1
½
sol. Calculer cette vitesse et la comparer avec la vitesse initiale.
6. Dans la réalité, on ne peut pas négliger les frottements de l'air. La vitesse réelle de la
balle est-elle égale, inférieure ou supérieure à la valeur calculée à la question 5. ?
½
Justifier.
Donnée : intensité de la pesanteur : g = 9,81 N.kg-1.
Exercice 3 : Transfert d'énergie dans un circuit électrique
Un petit moteur électrique est utilisé pour soulever un objet
pendant une durée Δt = 3,5 s. La tension à ses bornes vaut U =
4,5 V, l'intensité du courant qui le traverse I = 200 mA et sa
résistance interne r = 3,2 Ω.
1. Calculer la puissance électrique de ce moteur.
2. Attribuer à chaque appareil, sa puissance de
fonctionnement : (relier les points par des segments)
téléphone mobile 
 2,6 kW
motrice TGV 
 1,0 W
lampe basse consommation 
 10 W
sèche-linge 
 8,8 MW
(6,5 points)
½ ½
1
U=E+rI
3. Calculer l'énergie électrique Ee reçue par le moteur.
½ ½
4. Calculer l'énergie thermique Eth perdue par effet Joule.
½ ½
5. En déduire la valeur de l'énergie E1 pouvant être convertie en énergie mécanique.
6. Représenter la chaîne énergétique associée au moteur.
7. Calculer la valeur du rendement de conversion de ce moteur.
½
1
½ ½