Bac S 2017 Amérique du sud EXERCICE II ? Le grand four solaire d ...

Bac S 2017 Amérique du sud EXERCICE II - Le grand four solaire d'ODEILLO
(9 points)
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Partie 1 : fonctionnement du four solaire
1.1. (0,75) Les miroirs des héliostats ont une surface totale est de ST =
2835 m².
La puissance reçue par unité de surface est de PS = 720 W/m².
Ces miroirs ont une réflectivité de r = 70 %.
Par conséquent, la puissance réfléchie par l'ensemble des héliostats est
de :
Préfléchie = r.ST.PS
Préfléchie = [pic] × 2835 × 720 = 1,43×106 W = 1,43 MW 1.2. (0,75) Il faut maintenant prendre en compte la partie du
concentrateur, la réflectivité restant la même dans ce concentrateur, on a
donc :
Pfour = r.Préfléchie
Pfour = 0,70 × 1,43×106 = 1,00×106 W = 1,00 MW. 1.3. (0,25) [pic]
1.4. (0,25) Le concentrateur reçoit de l'énergie solaire qu'il convertit en
énergie thermique afin de percer le trou dans la plaque. 1.5. (0,25) La plaque d'acier initialement solide doit devenir liquide. Il
faut pour cela que la température au foyer atteigne au minimum la
température de fusion de 1500 °C. 1.6. (0,5) On cherche la masse du disque d'acier qui a fondu.
? = [pic] donc m = ? . V
La surface de ce disque est égale à S = ?.R2 = ?.[pic].
m = ? . S . e
m = ? . ?.[pic] . e
m = 7200× ? × [pic] × 10×10-3
m = 9,0 kg 1.7.1. (0,5) ?U = m . c . ??
?U = 9,0 × 460 × (1500 - 20) = 6,1×106 J = 6,1 MJ 1.7.2. (0,25) Efusion = m.Lf
Efusion = 9,0 × 2,50×105 = 2,25×106 = 2,3×106 J = 2,3 MJ 1.7.3. (0,5) L'énergie nécessaire pour faire fondre la plaque est la somme
de l'énergie pour amener l'acier à sa température de fusion et l'énergie de
fusion de l'acier soit :
Etotale = ?U + Efusion
Etotale = 8,4 MJ
Cette énergie est apportée au foyer avec une puissance de 1,00×106 W
pendant une durée théorique à déterminer.
[pic] donc [pic]
[pic] = 8,4 s
1.7.4. (0,25) La durée théorique est environ 10 fois plus faible que la
durée réelle indiquée (1 min et 27 secondes). 1.7.5. (0,5) La différence peut s'expliquer par le fait qu'une partie de
l'énergie ne sert pas à faire fondre le disque d'acier :
V Le disque réfléchit une partie de l'énergie reçue,
V Lors de la conduction de la chaleur dans le disque d'acier, une partie
de l'énergie est transférée vers le milieu extérieur (air ambiant)
V Une partie de l'acier a pu passer à l'état gazeux, il est dit dans un
document qu'« au niveau du foyer, la température peut atteindre
3400 °C » ce qui est supérieur à la température d'ébullition de
l'acier (2800°C). Partie 2 : synthèse du dihydrogène par voie solaire 2.1. (0,25) Au brouillon, on écrit la formule semi-développée de la MDEA.
HO-CH2-CH2 -N-CH2-CH2-OH
|
CH3
On trouve alors la formule brute : C5H13O2N 2.2. (0,5) Une réaction acido-basique est un transfert de proton H+ d'un
acide d'un couple (ici H2S) vers la base d'un autre couple.
Les couples acide/base mis en jeu sont : H2S / HS- et MDEAH+ / MDEA 2.3. (0,75) D'après la question précédente, la MDEA est une base. Afin de
savoir si c'est une base forte ou faible, on fait l'hypothèse que c'est une
base forte car on sait que pour les bases fortes : pH = pKe + log c
avec « c » la concentration molaire de la base pKe + log C = 14 + log 0,10 = 13 ce qui est différent de la valeur de pH =
10,7
Par conséquent, notre hypothèse est fausse donc la MDEA est une base
faible. 2.4. (0,5) CH4 (g) + H2O(g) ( 3 H2(g) + CO(g) 2.5. (0,25) En effectuant cette dernière étape, on produit 1 mole de
dihydrogène en plus grâce à la conversion du monoxyde de carbone produit en
étape 2. De plus, on élimine CO gaz mortel inodore et incolore. 2.6. (0,75) On effectue l'addition membre à membre de la réaction 2 et 3 :
CH4 (g) + H2O(g) ( 3 H2(g) + CO(g)
CO(g) + H2O(g) ( CO2 (g) + H2 (g) CH4 (g) + 2H2O(g) ( 4 H2(g) + CO2 (g) D'après l'équation de la réaction, on a [pic].
[pic] = [pic]
[pic]
[pic] = 5,5×103 g = 5,5 kg de dioxyde de carbone.
2.7. (0,25) On effectue l'addition membre à membre des réactions
suivantes :
ZnO ( Zn + ½ O2
Zn + H2O ( ZnO + H2
ZnO + Zn + H2O ( Zn + ½ O2 + ZnO + H2
Après simplification, on a :
H2O ( ½ O2 + H2 2.8. (0,5) En comparant les 2 procédés :
> On s'aperçoit que le procédé 2 produit uniquement du dihydrogène et du
dioxygène contrairement au procédé 1 qui rejette des particules de
carbone.
> Le procédé 2 est moins énergivore en effet la température maximale
nécessaire est de 1700°C tandis que dans le procédé 1, la température
est de 3000°C 2.9. (0,5) Premier intérêt : Par voie solaire, l'énergie thermique
nécessaire aux réactions provient du Soleil (ressource renouvelable) et non
pas de combustible fossile non renouvelable. Deuxième intérêt :
Par voie solaire, aucun gaz à effet de serre n'est produit.
Merci à T.Kessedjian pour sa contribution au corrigé.
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e = 10 mm D = 40 cm