Barrage et matériaux

Baccalauréat STL - session 2013
Physique-chimie spécialité SPCL
Épreuve orale de contrôle second groupe Temps de préparation : 20 minutes
Durée de l'épreuve : 20 minutes
Calculatrice interdite Ne pas écrire sur le sujet Le sujet doit être obligatoirement rendu à l'examinateur à la fin de
l'épreuve DU BARRAGE À LA CENTRALE HYDROELECTRIQUE
Données pour tout l'exercice : Intensité de la pesanteur : g = 10 N.kg-1 masse volumique de l'eau : (eau = 1000 kg.m-3
Doc1
La construction de barrages sur les lacs ou sur les cours d'eau permet de
créer des réservoirs d'eau.
Une conduite forcée dirige l'eau du réservoir vers la turbine d'une
centrale hydraulique qui entraîne alors un alternateur produisant ainsi de
l'électricité. Partie A : LE BARRAGE (durée conseillée : 10 min)
Doc2 1. A quoi est due la poussée qui s'exerce sur le barrage ? 2. Quelle est l'unité de la pression dans le système international (S.I) ? 3. A quoi correspond la pression à la surface de la retenue d'eau ? 4. A partir du schéma du Doc1, écrire l'expression littérale de la
pression absolue PB de l'eau au point B dans la retenue d'eau et
justifier la phrase soulignée dans le Doc2. 5. Monter que la pression de l'eau dans la retenue d'eau augmente de 1 bar
tous les 10 m comme le montre le schéma du Doc2. 6. A l'aide du Doc2, expliquer comment, de par sa conception, le barrage
arrive à résister à l'augmentation de la pression de l'eau en
profondeur.
Partie B : COMPOSITION DE LA CONDUITE FORCÉE (durée conseillée : 10 min) Doc3 Doc4 [pic] 1. Indiquer à quelle famille appartiennent les matériaux soulignés dans le
Doc3. 2. Indiquer à quelle famille de matériaux appartient le PVR constituant
des conduites forcées décrites dans le Doc3. Argumenter. 3. Quels avantages présente l'utilisation de ce matériau dans la
réalisation de conduites forcées ? 4. Indiquer les différents facteurs provoquant la corrosion des conduites
forcées en acier. 5. Écrire la demi-équation électronique d'oxydation du fer (Fe2+/Fe). 6. Équilibrer la demi-équation électronique de réduction du dioxygène en
milieu humide : 2 H2O + .........O2 + ...... e - ( ......... HO - Baccalauréat STL - session 2013 Physique-chimie spécialité SPCL Épreuve orale de contrôle second groupe DOCUMENT - RÉPONSE DU BARRAGE À LA CENTRALE HYDROELECTRIQUE
Partie A : LE BARRAGE (durée conseillée : 10 min)
1. La poussée qui s'exerce sur le barrage est due à
............................. 2. L'unité de la pression dans le système international (S.I) est :
................ 3. La pression à la surface de la retenue d'eau correspond à
............................. 4. Expression littérale de la pression absolue PB de l'eau au point B
dans la retenue d'eau : Justification la phrase soulignée dans le Doc2.
5. Monter que la pression de l'eau dans la retenue d'eau augmente de 1 bar
tous les 10 m comme le montre le schéma du Doc2. 6. A l'aide du Doc2, expliquer comment, de par sa conception, le barrage
arrive à résister à l'augmentation de la pression de l'eau en
profondeur.
Partie B : COMPOSITION DE LA CONDUITE FORCÉE (durée conseillée : 10 min)
1. |Matériau | | | | |
|Famille | | | | |
2. Indiquer à quelle famille de matériaux appartient le PVR constituant
des conduites forcées décrites dans le Doc3. Argumenter. 3. Avantages du PVR pour la réalisation de conduites forcées par rapport à
l'acier : 4. Les différents facteurs provoquant la corrosion des conduites forcées
en acier sont : 5. Demi-équation électronique d'oxydation du fer (Fe2+/Fe). 6. Équilibrer la demi-équation électronique de réduction du dioxygène en
milieu humide : 2 H2O + .........O2 + ...... e - ( ......... HO -
Correction
Partie A : LE BARRAGE |Nombre d'étoiles |27 |
| |La poussée qui s'exerce sur le barrage est due aux forces de pression de l'eau |* * |
| |L'unité de la pression est le pascal (Pa) |* |
| |La pression à la surface du lac correspond à la pression atmosphérique. |* |
| |D'après le principe fondamentale de l'hydrostatique : PB = PA + (eau.g.H |* * |
| |PB ne dépend que de la hauteur d'eau H au point B et non du volume ou de la surface du |* * |
| |réservoir. | |
| |PB = PA + (eau.g.H A.N : PB = 105 + 1000x10x10 = 2x105 Pa = 2 bar ... |* * |
| |ou : calcul de la pression relative : ?P = (eau.g.H = 1000x10x10 = 105 Pa = 1 bar |* * |
| |Un barrage a une épaisseur qui augmente avec la profondeur (voir photos Doc2) donc quand la|* * |
| |pression de l'eau augmente : il arrive ainsi à résister à l'augmentation de la pression de | |
| |l'eau en profondeur. | | Partie B : COMPOSITION ET PROPRIÉTÉS DE LA CONDUITE FORCÉE
| |Acier = famille des métaux |* |
| |Fibre de verre, silice = famille des matériaux minéraux |* |
| |Résine en polyester = famille des matériaux organiques |* |
| |Le PVR est un matériau composite car il est composé d'une juxtaposition de plusieurs |* * |
| |matériaux non miscibles (cf photo Doc3) ou car il est constitué d'une matrice : résine de | |
| |polyester et de renforts : fibres de verre , sable | |
| |Avantages du PVR : pas de corrosion ; plus résistant aux contraintes mécaniques ( matériau|* * |
| |plus performant | |
| |Facteurs de corrosion des conduites forcées en acier : l'eau et le dioxygène (de l'air et |* * |
| |dissous dans l'eau). | |
| |Oxydation du fer : Fe ( Fe2+ + 2 e- |* * |
| |2 H2O + O2 + 4 e - ( 4 HO - |* * |
|Total élève | |
|Note / 20 | | -----------------------
Des barrages qui résistent à la pression Le résultat recherché est toujours le même : retenir en toute sécurité une
énorme masse d'eau pour la turbiner quand cela est nécessaire. Le barrage
doit tout d'abord résister à la poussée des plusieurs millions de m3
d'eau. La poussée dépend de la hauteur d'eau mais pas de la longueur de la
retenue ni du volume d'eau. Un lac de 100 km de long et un lac de 1 km
exerceront sur un barrage la même poussée par unité de largeur si la
hauteur d'eau, au niveau du barrage, est identique. Par contre, la poussée
varie sur toute la hauteur du barrage :
Différents types de barrages : 1 bar = 105 Pa
Matériaux métalliques :
Métaux (cuivre, aluminium...) ou alliages de métaux (bronze, laiton...) Barrage contreforts Barrage voûte Barrage poids
Les conduites forcées classiques sont en acier (alliage fer-carbone que
l'on assimilera à du fer) et doivent être protégées de la corrosion.
Pour augmenter sa durée de vie et éviter la corrosion, on préfèrera
utiliser des canalisations en PRV : Polyester Renforcé (PR) de fibres de
Verre (V), matériau composé de renforts de fibres de verre et de silice de
sable coulés dans un liant en résine de polyester. Une structure très
compacte est ainsi créée qui permet d'optimiser la contribution de chacune
des trois matières premières principales : l'utilisation de fibres de
verre permet d'augmenter la résistance de la conduite dans toutes les
directions et le renfort de sable apporte par une rigidité supplémentaire à
la conduite.
On obtient ainsi un produit plus performant. [pic] Matériaux minéraux :
Verres (cristal...), céramiques (porcelaine, terre cuite...), roches
(argile, quartz...)
Matériaux composites :
béton armé = ciment (matrice) + ossature en acier (renfort).
Placoplâtre = plâtre (matrice) coulé entre 2 plaques de carton (renfort).
Matériaux organiques :
Ils contiennent essentiellement des atomes de carbone : bois, coton,
papier, les plastiques (PVC, polyéthylène...)...
Un matériau composite est constitué par la juxtaposition d'au moins deux
matériaux non miscibles ayant une forte capacité d'adhésion ; il comporte
un renfort (le plus souvent constitué de fibres) ) qui assure l'essentiel
des propriétés mécaniques et une matrice qui protège et maintient en place
le renfort.