Enseignement scientifique Terminale - 2024
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Ch. 2
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Ch. 6
Activité 3 - documentaire
Énergie et émission de dioxyde de carbone
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Introduction
Les réactions de combustion sont utilisées depuis la Préhistoire pour produire de l'énergie thermique et de l'énergie lumineuse. À partir du XVIIIe siècle, elles ont permis de produire de l'énergie mécanique nécessaire aux révolutions industrielles à travers le monde.
Problématique
Comment peut-on estimer l'énergie produite par la combustion des combustibles fossiles ? Quelle masse de dioxyde de carbone libère-t-elle ?
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- Équations de réaction
- Combustions complètes et incomplètes
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Documents
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Doc. 1 Combustion et production de dioxyde de carbone
La combustion est une réaction chimique exothermique, c'est-à-dire qu'elle libère de l'énergie. Elle met en jeu un combustible (ou carburant) et un comburant, généralement du dioxygène \mathrm{O}_2 provenant de l'air. Cette réaction, lorsqu'elle est complète, produit essentiellement deux molécules : de l'eau \mathrm{H}_2 \mathrm{O} et du dioxyde de carbone \mathrm{CO}_2.
Il peut parfois arriver que la quantité de comburant apporté par l'air soit insuffisante. Dans ce cas, la réaction de combustion est incomplète et conduit à la formation d'espèces chimiques toxiques et polluantes, comme le monoxyde de carbone \mathrm{CO} gazeux.
Il peut parfois arriver que la quantité de comburant apporté par l'air soit insuffisante. Dans ce cas, la réaction de combustion est incomplète et conduit à la formation d'espèces chimiques toxiques et polluantes, comme le monoxyde de carbone \mathrm{CO} gazeux.
| Combustible | Équation de combustion complète | Exemple d'application | Émission de dioxyde de carbone |
|---|---|---|---|
| Charbon \mathrm{C}(\mathrm{s}) | \mathrm{C}(\mathrm{s})+\mathrm{O}_2(\mathrm{g}) \rightarrow \mathrm{CO}_2(\mathrm{g}) | La production d'énergie électrique se situe à hauteur de 2 kW·h par kilogramme de charbon consommé. | 1 g de charbon produit 3,67 g de dioxyde de carbone. |
| Méthane \mathrm{CH}_4(\mathrm{g}) | \mathrm{CH}_4(\mathrm{~g})+\ldots \rightarrow \ldots+\ldots | Le gaz de ville est essentiellement constitué de méthane. Il peut être utilisé pour chauffer des habitations. | 1 g de méthane produit 2,75 g de dioxyde de carbone. |
| Éthanol \mathrm{C}_2 \mathrm{H}_6 \mathrm{O}(\mathrm{l}) | \mathrm{C}_2 \mathrm{H}_6 \mathrm{O}(\mathrm{l})+\ldots \mathrm{O}_2(\mathrm{g}) \rightarrow 2 \mathrm{CO}_2(\mathrm{g})+3 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}(\mathrm{g}) | L'éthanol est la principale espèce chimique composant le carburant E85. | 1 g d'éthanol produit 1,91 g de dioxyde de carbone. |
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Doc. 2 Moteur thermique et rendement
Un moteur thermique est un convertisseur d'énergie permettant de convertir l'énergie chimique d'un carburant en énergie mécanique.
L'énergie chimique contenue dans le carburant est libérée à l'aide d'une combustion. Le rendement de la conversion est de 36 %, le reste étant dissipé dans l'air sous forme d'énergie thermique.
L'énergie chimique contenue dans le carburant est libérée à l'aide d'une combustion. Le rendement de la conversion est de 36 %, le reste étant dissipé dans l'air sous forme d'énergie thermique.
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Doc. 3 Carburant E85
Le superéthanol E85 est un carburant qui contient essentiellement de l'éthanol, le complément étant de l'essence issue de la distillation du pétrole.
L'éthanol utilisé est qualifié d'agrocarburant (ou de biocarburant) lorsqu'il est issu de la fermentation des sucres et de l'amidon contenus dans les betteraves sucrières ou les céréales. Les voitures équipées d'un moteur à superéthanol E85 consomment en moyenne 8,75 L tous les 100 km.
L'éthanol utilisé est qualifié d'agrocarburant (ou de biocarburant) lorsqu'il est issu de la fermentation des sucres et de l'amidon contenus dans les betteraves sucrières ou les céréales. Les voitures équipées d'un moteur à superéthanol E85 consomment en moyenne 8,75 L tous les 100 km.
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Doc. 4Production d'électricité avec
des combustibles fossiles
Les centrales thermiques à charbon, à gaz naturel ou à pétrole sont les infrastructures de production d'électricité les plus répandues sur Terre. Du fait de la production de dioxyde de carbone \mathrm{CO}_2 au cours de la combustion, ces centrales sont fortement émettrices de gaz à effet de serre.
En 2024, en France, il subsiste encore deux centrales thermiques à charbon : Cordemais, en Loire-Atlantique, et Émile-Huchet, en Moselle. Elles sont uniquement destinées à une production d'électricité d'appoint afin d'assurer la sécurité d'approvisionnement du réseau français.
En 2024, en France, il subsiste encore deux centrales thermiques à charbon : Cordemais, en Loire-Atlantique, et Émile-Huchet, en Moselle. Elles sont uniquement destinées à une production d'électricité d'appoint afin d'assurer la sécurité d'approvisionnement du réseau français.
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Doc. 5 Tableau comparatif de l'empreinte carbone des combustibles
| Combustible | Masse consommée pour produire 1 kW·h d'énergie thermique | Masse de dioxyde de carbone produit |
|---|---|---|
| Charbon | ||
| Méthane | ||
| Éthanol |
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Doc. 6 Pouvoir calorifique
Le pouvoir calorifique est une grandeur permettant d'estimer l'énergie thermique libérée par une réaction de combustion.
\begin{array}{l|l}
E_{\text {libérée }}=\mathrm{PC} \cdot m & \begin{array}{l}
E_{\text {libérée }}\text{ : énergie libérée sous forme thermique }(\mathrm{J}) \\
\mathrm{PC}: \text { pouvoir calorifique }\left(\mathrm{J} \cdot \mathrm{kg}^{-1}\right) \\
m: \text { masse du combustible }(\mathrm{kg})
\end{array}
\end{array}
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Questions
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1. Doc. 1 En s'aidant éventuellement de la , écrire l'équation de réaction de combustion du méthane \mathrm{CH}_4.
2. Doc. 1 Équilibrer l'équation de combustion de l'éthanol en ajustant le nombre de molécules de dioxygène \mathrm{O}_2(\mathrm{g}) mises en jeu.
3. Doc. 3 et Doc. 6 Calculer l'énergie thermique libérée par la combustion de l'éthanol du carburant E85 sur 100 km.
4. Doc. 2 et Doc. 3 Évaluer l'énergie mécanique produite grâce à la combustion d'éthanol lorsqu'une voiture à moteur thermique se déplace sur 100 km.
5. Doc. 2 Schématiser la chaîne énergétique du moteur thermique en précisant les formes d'énergie mises en jeu.
6. Doc. 6 Évaluer la masse de chaque combustible à consommer pour produire 1 kW·h d'énergie thermique.
7. Doc. 1, Doc. 4 et Doc. 5 Compléter le tableau pour déterminer la masse de dioxyde de carbone \mathrm{CO}_2 produite par le charbon, le méthane et l'éthanol lors de leur combustion, lorsqu'ils sont consommés pour produire 1 kW·h d'énergie thermique. Identifier le combustible le plus émetteur de dioxyde de carbone \mathrm{CO}_2 par unité d'énergie et commenter.
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- Pouvoirs calorifiques :
PC_{\text {charbon }}=32,5 MJ·kg-1
P C_{\text {méthane }} =50,0 MJ·kg-1
P C_{\text {éthanol }}=28,9 MJ·kg-1 - Masse volumique de l'éthanol : \rho_\text { éthanol } =0,79 kg·L-1
- Conversion d'unités d'énergie : 1 \mathrm{~kW} \cdot \mathrm{h}=3,6 \times 10^6 \mathrm{~J}
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Distillation : méthode de séparation d'espèces chimiques miscibles.
Exothermique : relatif à une transformation qui libère de l'énergie thermique vers l'extérieur.
Exothermique : relatif à une transformation qui libère de l'énergie thermique vers l'extérieur.
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