Sommaire

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Ouverture

p. 1-11

Sciences, climat et société

Ouverture de thème

p. 12-14

Testez le chapitre 100 % débloqué

Ch. 1

L’atmosphère terrestre et la vie

Ch. 2

La complexité du système climatique

Ch. 3

Le climat du futur

Se préparer à l'évaluation - Thème 1

Le futur des énergies

Ouverture de thème

p. 80-82

Testez le chapitre 100 % débloqué

Ch. 4

Deux siècles d’énergie électrique

Ch. 5

Conversion et transport de l’énergie électrique

Ch. 6

Énergie, développement et futur climatique

Se préparer à l'évaluation - Thème 2

Une histoire du vivant

Ouverture de thème p. 152-154

Ch. 7

La biodiversité et son évolution

Ch. 8

L’évolution comme grille de lecture du monde

Ch. 9

L’évolution humaine

Ch. 10

Les modèles démographiques

Ch. 11

De l’informatique à l’intelligence artificielle

Se préparer à l'évaluation - Thème 3

Livret maths

Fiches méthode

Esprit critique et scientifique

Améliorer ses compétences

Fiches histoire

Annexes

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Ch. 5

Exercices

Le repaire des initiés

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23
Divers métaux pour conduire l'électricité

✔ Calculer une puissance dissipée par effet Joule

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La grande majorité des fils électriques est fabriquée en cuivre. Pourtant, certains câbles sont en aluminium, en argent, en or ou même en acier. On étudie des fils de 2,1 mm de diamètre.

Gros plan de câbles électriques coupés, montrant fils multicolores. Différents matériaux et isolants.

No-Te Eksarunchai/Shutterstock

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Données

Matériau	Cuivre	Aluminium	Argent
Résistivité $ρ (Ω \cdot m)$	$1, 7 \times 1 0^{- 8}$	$2, 8 \times 1 0^{- 8}$	$1, 6 \times 1 0^{- 8}$
Masse volumique $μ (kg \cdot m^{- 3})$	$8960$	$2700$	$10500$
Coût indicatif au kilogramme $(€)$	$8$	$1$	$900$

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Questions

1. Calculer la résistance électrique d'un fil de cuivre, d'un fil d'aluminium, puis d'un fil d'argent de longueur

L = 100 m

et de section de surface

S = 3, 5 \times 1 0^{- 6} m^{2}

, sachant que

R = ρ \cdot \frac{L}{S}

2. Calculer la masse de ces trois fils.

3. Expliquer pour quelles raisons les fils électriques sont généralement fabriqués avec du cuivre.

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24
Empilements de blocs de béton

✔ Réaliser des chaînes de conversions d'énergie

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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 et stockée sous forme d'énergie potentielle de pesanteur. À l'inverse, lorsque la production d'électricité est inférieure à la demande, les blocs sont descendus à une vitesse limitée de

2, 9 m \cdot s^{- 1}

, entraînant alors un alternateur.

E_{pp} = m \cdot g \cdot h E_{c} = \frac{1}{2} m \cdot v^{2} E_{pp} : e ˊ nergie potentielle de pesanteur (J) m : masse (kg) g : intensit e ˊ de pesanteur (g = 9, 81 N \cdot kg^{- 1}) h : hauteur (m) E_{c} : e ˊ nergie cin e ˊ tique (J) v : valeur de la vitesse (m \cdot s^{- 1})

Rendu 3D : grue de chantier surmontant un cylindre de blocs. Construction.

Energy Vault

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Questions

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 associée au déstockage d'énergie.

Cliquez ici pour avoir accès à un espace de dessin

3. Calculer l'énergie stockée par un bloc de béton s'il est placé à

5 m

du sol, puis à

100 m

. Comparer ces énergies à celle stockée dans une batterie de voiture électrique de

40 kW \cdot h

4. Calculer l'énergie cinétique d'un bloc lors de sa descente.

5. Identifier un système de production d'électricité plus courant qui utilise le même principe de stockage d'énergie.

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25
Rendement d'une pile

✔ Calculer le rendement global d'un système de conversion d'énergie

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Dans une pile, la puissance chimique est convertie en puissance électrique et en puissance thermique due à l'effet Joule.

Une pile de

4, 5 V

débite un courant d'intensité de

0, 20 A

. Or, comme tout conducteur, la pile possède une résistance interne valant

2, 0 Ω

. Cette pile alimente un ventilateur équipé d'un moteur dont le rendement vaut 80 %.

Illustration d'une pile 4,5V de type 3R12 recyclable.

Vector Tradition/AdobeImages

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Questions

1. Calculer la puissance dissipée par effet Joule et la puissance électrique de cette pile.

2. En déduire le rendement de conversion de la pile.

3. Calculer le rendement global du système pile-ventilateur.

4. Calculer la puissance mécanique fournie par le moteur.

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26
Différents systèmes de stockage

✔ Comparer différents dispositifs de stockage d'énergie

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Différents systèmes de stockage d'énergie existent. Ces systèmes ne sont cependant pas équivalents et sont plus ou moins adaptés suivant les situations.

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Doc. 1
Comparaison d'un supercondensateur et d'une batterie lithium-ion

	Supercondensateur	Batterie lithium-ion
Énergie stockable $(W \cdot h)$ par kilogramme de matière	4 à 10	100 à 265
Puissance maximale $(W)$ par kilogramme de matière	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

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Doc. 2
Utilisations diverses, 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, mais également 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, en Afrique et en Amérique du Sud sont également critiquées : pollution, conditions de travail, travail des enfants, etc.

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Questions

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. Identifier la solution de stockage la plus adaptée pour une voiture électrique qui souhaiterait récupérer une partie de l'énergie du freinage pour l'utiliser à la sortie d'un virage. Justifier.

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Exercice numérique
Piles à combustible

✔ Comparer différents dispositifs de stockage d'énergie

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Retrouvez

la version apprentis

de cet exercice.

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Les piles à combustible sont des dispositifs de conversion d'énergie qui se développent de plus en plus. Elles fonctionnent grâce à une combustion entre le dioxygène

O_{2} (g)

et un réactif qui peut être le dihydrogène

H_{2} (g)

ou le méthanol

CH_{4} O (ℓ)

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Questions numérique - version initiés

1. Écrire l'équation de la réaction ayant lieu dans chacune des deux piles à combustible.

2. Proposer un avantage et un inconvénient à chaque type de pile à combustible.

	Avantages	Inconvénients
Pile au dihydrogène
Pile au méthanol

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Doc.
Fonctionnement d'une pile à combustible à dihydrogène

Schéma pile à combustible : dihydrogène et dioxygène produisent de l'électricité via un électrolyte solide.

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L’atmosphère terrestre et la vie

La complexité du système climatique

Le climat du futur

Se préparer à l'évaluation - Thème 1

Deux siècles d’énergie électrique

Conversion et transport de l’énergie électrique

Énergie, développement et futur climatique

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La biodiversité et son évolution

L’évolution comme grille de lecture du monde

L’évolution humaine

Les modèles démographiques

De l’informatique à l’intelligence artificielle

Se préparer à l'évaluation - Thème 3

Livret maths

Esprit critique et scientifique

Améliorer ses compétences

Fiches histoire

Annexes

Le repaire des initiés

23Divers métaux pour conduire l'électricité

Données

24Empilements de blocs de béton

25Rendement d'une pile

26Différents systèmes de stockage

Doc. 1Comparaison d'un supercondensateur et d'une batterie lithium-ion

Doc. 2Utilisations diverses, impacts divers

Exercice numérique Piles à combustible

Questions numérique - version initiés

Doc.Fonctionnement d'une pile à combustible à dihydrogène

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23
Divers métaux pour conduire l'électricité

24
Empilements de blocs de béton

25
Rendement d'une pile

26
Différents systèmes de stockage

Doc. 1
Comparaison d'un supercondensateur et d'une batterie lithium-ion

Doc. 2
Utilisations diverses, impacts divers

Exercice numérique
Piles à combustible

Doc.
Fonctionnement d'une pile à combustible à dihydrogène