Accumulateur et pile à combustible

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Annales corrigées
Classe(s) : 1re L - 1re ES | Thème(s) : Utilisation de l'énergie et optimisation de sa gestion
Type : Partie 2 | Année : 2011 | Académie : Inédit
Unit 1 - | Corpus Sujets - 1 Sujet & Corrigé
 
Accumulateur et pile à combustible

Le défi énergétique

Physique-chimie

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Sujet inédit

Le défi énergétique • 6 points

Répondez au questionnaire à choix multiples en entourant la ou les bonne(s) réponse(s), à l’aide des informations fournies dans les documents.

Document 1

Accumulateur au plomb

Un accumulateur au plomb est constitué de deux électrodes plongées dans un liquide contenant des ions, appelé l’électrolyte : solution diluée d’acide sulfurique.

La tension nominale d’un élément accumulateur de ce type est de 2 V. C’est le dispositif de stockage d’énergie électrique utilisé dans la plupart des véhicules automobiles. Les batteries comme celle de démarrage des automobiles ou celles des téléphones portables sont constituées de plusieurs accumulateurs associés en série et/ou en parallèle. Le défaut de la batterie au plomb est d’avoir une faible énergie massique : de l’ordre de 40 Wh/kg.

La capacité réelle d’une batterie diminue avec la température : c’est ce qui explique que les démarrages des véhicules sont plus difficiles lorsque la température est très basse. La durée de vie d’une batterie est indiquée par le fabricant pour une température ambiante de 20 °C. Cette durée de vie est réduite de moitié pour une élévation de température de 10 °C.


>1. Pourquoi utilise-t-on des accumulateurs ?

a) Pour disposer de plus de tension électrique.

b) Pour stocker de l’énergie électrique.

c) Pour avoir une faible énergie massique.

>2. Un appareil utilisant un accumulateur est :

a) le téléphone portable.

b) la batterie.

c) l’automobile.

>3. L’accumulateur présenté dans le document est constitué de six éléments. Sa tension nominale totale est :

a) 12 V.

b) 6 V.

c) 2 V.

>4. Sachant que 1 Wh = 3 600 J, l’énergie en joule d’un accumulateur d’un kg est :

a) 1,44 × 105 J.

b) 144 J.

c) 144 kJ.

>5. Quelle est la puissance de cet accumulateur si on l’utilise pendant 1 h ?

a) 40 Wh.

b) 40 W.

c) 40 J.

Document 2

Pile à combustible

La pile à hydrogène est une pile à combustible utilisant le dihydrogène et le dioxygène. Il s’agit d’une combustion électrochimique et contrôlée de dihydrogène et de dioxygène, avec production simul­tanée d’électricité, d’eau et de chaleur, selon la réaction chimique de fonctionnement suivante :

2H2(g)+ O2(g) → 2H2O(l)

Pour mettre en œuvre cette réaction, on dispose de deux électrodes, la cathode et l’anode (l’électrode par où sortent des électrons), séparées par un électrolyte (milieu bloquant le passage des électrons mais laissant circuler les ions). Cette réaction est déclenchée en utilisant un catalyseur, en général du platine.

La pile à combustible peut intervenir dans une large gamme de températures, de 70 °C à 1 000 °C.


D’après CEA.

>6. L’anode de cette pile est :

a) à gauche du schéma.

b) à droite du schéma.

c) l’électrode par où entre le dioxygène de l’air.

>7. À l’une des électrodes, le dihydrogène produit des ions H+ en libérant des électrons. De quelle manière l’électrolyte ne permet qu’aux électrons, et non aux ions H+, d’atteindre la lampe par le circuit en bleu ?

a) Les ions H+ sont évacués par l’électrolyte vers la sortie.

b) Les électrons sont plus rapides que les ions H+ dans l’électrolyte. Ils bloquent le circuit bleu avant les ions, ne leur laissant plus le passage.

c) L’électrolyte est un milieu qui ne laisse passer que les ions H+. Les électrons restent bloqués dans le circuit bleu.

>8. Quel est l’un des avantages d’une telle pile par rapport à un accumulateur ?

a) Une pile à combustible a une forte énergie massique.

b) Une pile à combustible a les mêmes performances à des températures élevées qu’aux basses.

c) Une pile à combustible utilise une combustion électrochimique.

Document 1

> 1. Les accumulateurs ont une différence principale par rapport aux piles, ils sont rechargeables. Cette propriété vous guide vers la réponse. En outre le mot clé de la réponse attendu figure dans le texte, cherchez-le.

> 2. Les noms des appareils recherchés se trouvent dans le texte.

> 3. Lors de la lecture du texte dans la partie 2, il faut souligner les valeurs numériques et les grandeurs physiques auxquelles elles correspondent car les calculs peuvent être demandés dans cette partie. Vous remarquerez que chaque élément de l’accumulateur a une tension nominale de 2 V. L’accumulateur est constitué de six éléments, le calcul devient simple.

> 4. Une énergie massique est donnée dans le texte, il faut l’utiliser pour ce calcul. Pensez aussi à convertir la valeur de l’énergie en joule, à l’aide de la donnée de l’énoncé.

> 5.P = E/t. Ne pas confondre les unités de l’énergie et de la puissance.

Document 2

> 6. L’anode d’une pile est facile à trouver si on possède un indice la concernant.

> 7. Vous trouverez la réponse de cette question dans la définition de l’électrolyte, donnée dans le texte.

> 8. Vous devez relire le document sur les accumulateurs pour faire une comparaison entre ces deux appareils.

Corrigé

>1.b) Pour stocker de l’énergie électrique.

>2.a) Le téléphone portable et c) L’automobile.

>3.a) 12 V.

>4.a) 1,44 × 105 J ; et c) 144 kJ.

>5.b) 40 W.

>6.a) À gauche du schéma.

>7.c) L’électrolyte est un milieu qui ne laisse passer que les ions H+. Les électrons restent bloqués dans le circuit bleu.

>8.b) Une pile à combustible a les mêmes performances à des températures élevées qu’aux basses.