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Polynésie française • Juin 2017
physique-chimie • 25 points
Voyage à bord d'un voilier écologique
Le propriétaire d'un voilier écologique a fait le choix d'utiliser un hydrogénérateur pour alimenter son bateau en électricité.
Cet hydrogénérateur permet d'alimenter : le dessalinisateur, le système de navigation, l'ensemble des éclairages du bateau.
▶ 1. Le dessalinisateur (7,5 points)
À bord, le dessalinisateur permet de transformer l'eau de mer en eau douce. L'eau de mer contient les espèces chimiques de formule Na+ et Cl–.
a) Indiquer la nature des espèces chimiques de formule Na+ et Cl–, en choisissant parmi les termes suivants : atome, ion, molécule.
document 1 Tests de reconnaissance de quelques espèces chimiques
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Détecteur (réactif) |
Formule de l'espèce chimique testée |
Observation |
|---|---|---|
|
Hydroxyde de sodium |
Cu2+ |
Formation d'un précipité bleu |
|
Hydroxyde de sodium |
Fe2+ |
Formation d'un précipité verdâtre |
|
Hydroxyde de sodium |
Zn2+ |
Formation d'un précipité blanc |
|
Nitrate d'argent |
Cl– |
Formation d'un précipité blanc qui noircit à la lumière |
b) À l'aide du document 1, décrire la mise en œuvre d'un test simple permettant de détecter la présence de l'espèce chimique Cl– dans l'eau de mer et indiquer le résultat attendu. Il est possible de faire un schéma.
▶ 2. L'hydrogénérateur (10 points)
L'hydrogénérateur est constitué d'une hélice reliée à un alternateur.
L'hélice est mise en mouvement par le déplacement d'eau et elle entraîne un alternateur grâce auquel les circuits électriques du voilier sont alimentés.
a) Le diagramme de conversion d'énergie ci-dessous concerne l'alternateur. Sans recopier le diagramme sur la copie, nommer les différentes formes d'énergie correspondant aux numéros 1, 2 et 3 en choisissant parmi les suivantes : chimiques, électrique, thermique, cinétique.
b) L'énergie électrique produite par l'hydrogénérateur dépend de la vitesse de navigation du voilier.
À l'aide du document 2, indiquer à partir de quelle vitesse de navigation du voilier, en nœuds, l'hydrogénérateur produit de l'énergie électrique.
document 2 Production d'énergie électrique par un hydrogénérateur, pendant 24 h, en fonction de la vitesse du voilier
1. Le nœud est une unité de vitesse couramment utilisée en marine. 1 nœud = 1 852 m/h.
c) L'énergie électrique consommée dépend de la puissance des appareils et de leur durée d'utilisation.
Montrer que l'énergie E1 consommée par l'éclairage du bateau sur une plage horaire de 24 h est de 240 Wh.
document 3 Tableau récapitulatif des puissances et des durées d'utilisation des appareils électriques à bord du voilier sur une plage horaire de 24 h
|
Nom de l'appareil électrique |
Puissance de l'appareil (en watts W) |
Durée d'utilisation de l'appareil sur 24 h (en heures h) |
Consommation énergétique de l'appareil sur 24 h (en wattheures Wh)1 |
|---|---|---|---|
|
Système de navigation |
110 |
20 |
2 200 |
|
Dessalinisateur |
60 |
1 |
60 |
|
Éclairage |
20 |
12 |
E1 |
1. 1 wattheure (Wh) est l'énergie consommée par un appareil d'une puissance de 1 W pendant une heure.
▶ 3. Autonomie énergétique (5 points)
À l'aide des documents 2 et 3 et du résultat de la question 2. b), déterminer la vitesse en nœuds à partir de laquelle le voilier doit naviguer pour produire l'énergie totale consommée par le bateau sur une plage horaire de 24 h.
Les clés du sujet
Comprendre les documents
Le document 1 présente les tests de reconnaissances de quatre espèces chimiques.
Le document 2 montre que l'énergie électrique produite par l'hydrogénérateur dépend de la vitesse du bateau, ce document donne le graphique de l'énergie produite en fonction de la vitesse en nœuds.
Le document 3 montre un tableau qui te permet d'établir un lien entre l'énergie, la puissance et le temps. Ce tableau montre les puissances électriques et les durées d'utilisation de quelques systèmes et appareils à bord du voilier.
Répondre aux questions
▶ 1. b) Utilise le tableau du document 1 pour élaborer ton protocole. Sois précis : cite la verrerie à utiliser et indique les quantités.
▶ 2. c) Tu cherches à calculer une énergie électrique. Les données du tableau doivent te servir.
▶ 3. Il s'agit à nouveau d'obtenir l'énergie totale utilisée lors du voyage dans ce bateau. Cette énergie te permettra à partir du document 2 d'obtenir la vitesse à laquelle le bateau doit se déplacer pour l'engendrer.
Corrigé
▶ 1. a) Na+ et Cl– sont des ions.
b) Test de reconnaissance de l'ion Cl– dans l'eau de mer.
On verse 3 millilitres d'eau de mer dans un tube à essais, puis on y ajoute quelques gouttes de solution de nitrate d'argent. On constate la formation d'un précipité blanc qui noircit à la lumière. Cela montre que l'eau de mer contient des ions Cl–.
Remarque
Utilise le texte d'introduction de l'exercice pour comprendre le fonctionnement de l'alternateur.
▶ 2. a) ➊ : énergie cinétique ; ➋ : énergie électrique ; ➌ : énergie thermique.
b) L'hydrogénérateur produit de l'énergie à partir de 5 nœuds.
Conseil
Utilise la formule que tu connais bien qui lie l'énergie, le temps et la puissance. Tu n'as pas de conversion à faire.
c) L'énergie E1 est donnée par la formule : E1 = P × t, avec P = 20 W et t = 12 h.
D'où E1 = P × t = 20 × 12 = 240 Wh.
L'énergie E1 consommée par l'éclairage est bien égale à 240 Wh.
▶ 3. Plusieurs systèmes et appareils fonctionnent dans ce bateau. Le tableau du document 3 et la réponse à la question précédente nous donnent l'énergie totale consommée par ces systèmes :
E = 2 200 + 60 + 240 = 2 500 Wh.
D'après le tableau du document 2, la vitesse à laquelle le bateau doit se déplacer pour produire 2 500 Wh doit être supérieure à 8 nœuds. On peut donc dire que si V = 8,5 nœuds, toute l'énergie consommée par le voilier pourra être produite par l'hydrogénérateur.