Transport : Mise en mouvement ; transformation chimique et transfert d’énergie sous forme thermique
1°) Polynésie STI2D 2015
A.2. L’émission de CO2lors de la combustion de l’essence dans le moteur thermique.
Une essence est constituée par un mélange d'hydrocarbures de formule brute C8H18. Lors de la combustion complète de ces hydrocarbures dans le dioxygène O2, il se forme de l’eau, H2O, et du dioxyde de carbone, CO2.
A.2.1. Quelle conversion d’énergie est réalisée dans le moteur thermique ?
A.2.2. Quel volume d’essence prévu par le constructeur PSA en cycle mixte (urbain et extra-urbain) permet de faire 1,00 km sachant que la consommation de la Citroën C3 est annoncée à 2,90 L pour 100 km ?
A.2.3. Vérifier que la quantité de matière d’hydrocarbure nécessaire pour effectuer 1,00 km est de 0,191 mol sachant que la masse volumique de l’essence vaut : rE = 7,50.102 g.L-1.
Données : masses molaires atomiques
M(C) = 12,0 g.mol -1M(O) = 16,0 g.mol -1M(H) = 1,0 g.mol -1
A.2.4. Réécrire sur la copie l’équation de la réaction de combustion du mélange d’hydrocarbure dans le dioxygène O2, la compléter et l’équilibrer.
C8H18 + ……….. ® ……… + 8 CO2
A.2.5. Déterminer la quantité de matière puis la masse de dioxyde de carbone produites lors de la combustion d’un litre d’essence en considérant que C8H18est le réactif limitant.
Donnée : masse molaire moléculaire M(CO2) = 44,0 g.mol -1
A.2.6. D’après le document 6, l’objectif fixé par l’Union européenne en 2016 en terme d’émission de dioxyde de carbone sera-t-il tenu pour cette voiture ? et en 2020 ?
2°) Métropole STI2D 2013 C.2. La combustion du butane
Pour chauffer de l'eau en vue de préparer un thé ou un café, Maurice prévoit d'emporter avec lui un réchaud à gaz qui utilise une cartouche de gaz contenant du butane sous pression. Il souhaite savoir quelle masse d'eau pourrait être chauffée avec une cartouche neuve.
C.2.1. Rappeler les risques d'utilisation de la cartouche de gaz (annexe C4).
C.2.2. Écrire l'équation de la réaction de combustion complète du butane C4H10 dans le dioxygène, s'il se forme uniquement du dioxyde de carbone et de la vapeur d'eau.
C.2.3. Calculer l'énergie maximale Q que peut fournir tout le butane contenu dans une cartouche 1/3
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de gaz (annexe C4). Expliquer pourquoi on peut s'attendre à une énergie utile Q' inférieure à Q.
C.2.4. Calculer la masse maximale d'eau m qu'il pourra chauffer de 15 °C à 100 °C avec le réchaud muni d’une cartouche de gaz neuve (pleine).
Données numériques : la capacité thermique massique de l'eau vaut c = 4,2 kJ.kg-1.°C -1, ce qui signifie que pour augmenter de 1 °C la température d'1 kg d'eau (sans changement d'état), il faut fournir une énergie de 4,2 kJ.
3°) AG STI2D 2015
B.2 Chaudière à condensation :
La chaudière utilisée dans la résidence est une chaudière à condensation fonctionnant au gaz naturel (méthane).
Principe de fonctionnement :
La combustion du méthane produit du dioxyde de carbone et de la vapeur d’eau qui transfèrent de l’énergie à l’eau du circuit de chauffage. Les produits de la
combustion, dont la vapeur d’eau, sont ensuite mis en contact avec le serpentin dans lequel circule l’eau froide de retour du circuit de chauffage. À ce contact, la vapeur d’eau se condense en fournissant à nouveau de l’énergie thermique au circuit de chauffage.
Données sur le méthane : Formule chimique : CH4
Masse molaire : M = 16,0 g.mol-1
Enthalpie de combustion : ΔHcomb = - 890 kJ.mol-1
Remarque : une enthalpie négative implique une énergie de réaction négative. Cela signifie que cette énergie est libérée (la réaction est exothermique).
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Données sur l’eau :
Enthalpie de condensation de l’eau : ΔHvapeur→liquide = - 40,7 kJ.mol-1
B.2.1 Calculer la quantité de matière nCH4(en mol) contenue dans 100 g de méthane.
B.2.2 En déduire l'énergie thermique Qcombustion produite par la combustion de cette même quantité de méthane.
B.2.3 Recopier l'équation bilan de la réaction de combustion complète du méthane dans le dioxygène sur la copie en l'équilibrant.
Équation non équilibrée : CH4 (g) + O2 (g) → CO2 (g) + H2O (g)
B.2.4 Calculer la quantité de matière en eau nH2O (en mol) produite par la combustion de 100 g de méthane.
B.2.5 L’eau, présente tout d'abord à l'état de vapeur, va se condenser. Calculer l'énergie thermique Qcondensation produite par cette condensation.
B.2.6 En déduire l'énergie thermique totale Qtotale produite dans la chaudière pour la combustion de 100 g de méthane.
B.2.7 Déterminer le pourcentage d'énergie supplémentaire obtenu grâce à la
condensation de la vapeur d'eau par rapport à une chaudière classique, dans laquelle la valeur d'eau produite par la combustion n'est pas condensée mais directement évacuée.
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