Corrigé ultra-pédagogique et complet des 15 exercices de physique-chimie de 3ème sur les conversions d'énergie. Conçu pour faciliter la compréhension profonde, avec des fiches mémo et des astuces visuelles pour mémoriser les formules clés.
Puissance moyenne du chauffage électrique : \(P = 0,85\text{ kW}\)
Période de chauffe annuelle estimée : 120 jours de 24 heures
1. Montrer que l'énergie électrique consommée par an est égale à environ 2 500 kWh.
Étape 1 : Calculons le nombre total d'heures de chauffage sur l'année.
Le chauffage fonctionne 24 heures sur 24 pendant 120 jours :
\(t = 120\text{ jours} \times 24\text{ h/jour} = 2880\text{ heures}\)
Étape 2 : Calculons l'énergie électrique consommée.
On applique la formule : \(E = P \times t\) avec \(P\) en kW et \(t\) en heures :
\(E = 0,85\text{ kW} \times 2880\text{ h} = 2448\text{ kWh}\)
Conclusion : On trouve précisément 2448 kWh de consommation électrique annuelle, ce qui est effectivement extrêmement proche des 2500 kWh annoncés.
2. L'affirmation du constructeur sur le classement de la maison (Classe A) est-elle exacte ?
Le diagnostic énergétique (DPE) classe les habitations selon leur consommation par an et par mètre carré.
Calculons la consommation spécifique de cette maison :
1. Justifier qu'il s'agit d'une transformation chimique :
L'équation montre que des molécules de départ appelées réactifs (glucose \(C_6H_{12}O_6\) et dioxygène \(O_2\)) disparaissent pour former de nouvelles substances appelées produits (dioxyde de carbone \(CO_2\) et eau \(H_2O\)). Comme il y a modification de la nature chimique des molécules par réarrangement des atomes, c'est bien une transformation chimique.
2. Compléter le diagramme énergétique du muscle :
Énergie reçue
Énergie Chimique
(apportée par le glucose + \(O_2\))
→
💪 Muscle
→
Énergie utile
Énergie Mécanique / Cinétique
Énergie perdue
Énergie Thermique (Chaleur)
3. Déterminer le nombre de verres de boisson nécessaires pour courir 30 min :
Étape 1 : Calculons l'énergie totale dépensée par l'athlète de 65 kg pendant sa course.
La dépense est de 30 kJ par kg de masse corporelle :
\(E_{\text{dépensée}} = 30\text{ kJ/kg} \times 65\text{ kg} = 1950\text{ kJ}\)
Étape 2 : Calculons le nombre de verres requis pour couvrir cette dépense.
Un verre de boisson apporte 335 kJ :
\(\text{Nombre de verres} = \frac{1950\text{ kJ}}{335\text{ kJ/verre}} \approx 5,82\text{ verres}\)
Réponse rédigée : Il faudra boire environ 6 verres de boisson énergétique (soit 5,8 verres précisément) pour couvrir la dépense calorique de cette séance d'entraînement.
2a. Forme d'énergie emmagasinée au niveau du lac de retenue :
→ Énergie potentielle (de position). L'eau est stockée en hauteur dans le barrage, accumulant ainsi de l'énergie due à l'altitude.
2b. Diagramme de l'alternateur de la centrale hydroélectrique :
1. Énergie Mécanique (cinétique)
→
Alternateur
→
2. Énergie Électrique (utile)
Énergie Thermique (perdue)
EXERCICE 10
La Voiture à Hydrogène : Analyse critique
1a. Inconvénient de la pile à hydrogène d'un point de vue environnemental :
L'énoncé indique que le dihydrogène n'existe pas à l'état naturel sur Terre et que plus de 90 % du dihydrogène produit l'est à partir de ressources d'énergie fossile (polluantes et émettrices de gaz à effet de serre). Son bilan écologique global n'est donc pas neutre.
1b. Montrer que le fonctionnement d'une pile à hydrogène s'appuie sur une transformation chimique :
La pile utilise un apport en dihydrogène (combustible) et en dioxygène de l'air (comburant) pour produire une espèce chimique totalement différente, de l'eau (\(H_2O\)). C'est donc typiquement une transformation chimique de type combustion.
1c. Association des numéros du diagramme de la pile à hydrogène :
Conclusion : L'installation produira précisément 4 750 kWh par an, ce qui est extrêmement proche de l'approximation de 4 800 kWh donnée par le constructeur.
2.4. Montrer que M. Dupont va pouvoir, d'ici quelques années, réaliser des économies.
Étape 1 : Calculons le gain d'argent annuel grâce à la vente de l'électricité à EDF.
EDF rachetant l'électricité à 0,25 € par kWh pour une production de 4750 kWh :
\(Gains = 4750\text{ kWh} \times 0,25\text{ €/kWh} = \mathbf{1187,5\text{ €/an}}\)
Étape 2 : Calculons le nombre d'années nécessaires pour amortir l'investissement (8 000 €).
\(\text{Temps de retour} = \frac{\text{Coût de l'installation}}{\text{Gains par an}} = \frac{8000\text{ €}}{1187,5\text{ €/an}} \approx \mathbf{6,73\text{ ans}}\)
Conclusion rédigée : Au bout de 6 ans et 9 mois (environ 7 ans), M. Dupont aura entièrement remboursé son investissement de départ de 8 000 €. Passé ce délai, l'installation lui rapportera environ 1187,5 € net par an. L'affirmation du fabricant est donc parfaitement vraie.
2.1. Chaîne énergétique de la résistance chauffante (thermoplongeur) :
Énergie Électrique (Reçue)
→
Thermoplongeur
→
Énergie Thermique (Fournie à l'eau)
2.2. Détermination par lecture graphique du temps pour atteindre 25 °C :
Méthode de lecture graphique : On repère la température de 25 °C sur l'axe vertical (ordonnées), on se déplace horizontalement jusqu'à croiser la courbe de température, puis on redescend verticalement vers l'axe horizontal (abscisses, temps). → Le temps mis pour que l'eau atteigne 25 °C est exactement de 7 heures.
Conclusion : La puissance du thermoplongeur est bien de 200 Watts.
2.4. Explication du choix d'un thermoplongeur de puissance \(P' = 400\) W :
Pour élever la température de la même quantité d'eau de la même façon, la quantité d'énergie thermique requise reste identique (\(E = 1400\text{ Wh}\)).
Si Julian veut chauffer l'eau 2 fois plus vite, la durée doit être divisée par 2 (\(t' = 3,5\text{ h}\)).
En appliquant la formule de puissance : \(P' = \frac{E}{t'} = \frac{1400\text{ Wh}}{3,5\text{ h}} = \mathbf{400\text{ W}}\).
→ Pour diviser le temps par 2, il faut doubler la puissance de chauffe. Julian a donc besoin d'un appareil de 400 W.
Lors de toute conversion, une partie de l'énergie de départ est transformée en une forme d'énergie non souhaitée ou inexploitable pour l'usage prévu. Dans le cas des panneaux solaires ou des éoliennes, cette perte d'énergie prend la forme d'énergie thermique (chaleur), causée par l'échauffement des composants ou les frottements des pièces mobiles.
EXERCICE 15
Chaîne énergétique d'un véhicule électrique
Le diagramme décrit comment l'énergie circule de la batterie jusqu'aux roues pour faire avancer le véhicule.
E₁
Énergie Électrique
C'est l'énergie transférée de la batterie au moteur électrique pour l'alimenter en électricité.
E₂
Énergie Cinétique (ou Mécanique de mouvement)
C'est l'énergie utile produite par le moteur électrique pour faire tourner l'axe de transmission et mettre les roues en mouvement.
Astuce de la prof : Notez bien que la batterie et le moteur électrique dissipent tous les deux de l'énergie thermique (chaleur). C'est pour cela que les voitures électriques possèdent des systèmes de refroidissement (liquides ou ventilateurs) !
Un diagramme énergétique permet de représenter visuellement la loi de conservation de l'énergie : l'énergie ne se crée pas, elle ne se détruit pas, elle se transforme !
Voici la règle d'or universelle à appliquer pour dessiner n'importe quelle chaîne énergétique sans aucune erreur.
C'est le débit d'énergie de l'appareil (sa "vitesse" à consommer ou produire de l'énergie). Elle s'exprime en Watts (W) ou kilowatts (kW).
L'Énergie (\(E\))
C'est la quantité totale consommée ou produite. Elle dépend de la puissance de l'appareil ET de sa durée de fonctionnement. Unité : Joule (J) ou Watt-heure (Wh).
Formule Puissance
\(P = U \times I\)
\(P\) : Puissance en Watts (W)
\(U\) : Tension en Volts (V)
\(I\) : Intensité en Ampères (A)
Formule Énergie
\(E = P \times t\)
\(E\) : Énergie
\(P\) : Puissance en Watts (W)
\(t\) : Temps de fonctionnement
IV. Le Cas Casse-Tête des Unités d'Énergie
C'est le piège numéro 1 au brevet. L'énergie possède deux unités de mesure courantes :
Si la puissance \(P\) est en...
Et la durée \(t\) est en...
Alors l'énergie \(E\) est en...
Watt (W)
Seconde (s)
Joule (J)
Watt (W) ou kilowatt (kW)
Heure (h)
Watt-heure (Wh) ou kWh
⚠️ L'erreur fatale des unités !
Ne faites pas l'erreur de diviser ou de mélanger.
Pour passer d'un temps en minutes (min) vers des heures (h), on divise par 60 (ex : \(15\text{ min} = \frac{15}{60} = 0,25\text{ h}\)).
Pour passer d'un temps en minutes (min) vers des secondes (s), on multiplie par 60 (ex : \(5\text{ min} = 5 \times 60 = 300\text{ s}\)).
Fiche de Cours — Conversions d'énergie Page 2 / 3
FICHE DE COURS • PHYSIQUE-CHIMIE 3ème PARTIE 3
V. Les Chaînes Énergétiques et Rendement
Une chaîne énergétique sert à cartographier le voyage de l'énergie. Elle comporte toujours au moins un convertisseur (souvent dessiné en cercle) qui reçoit de l'énergie et la transforme.
1
L'Énergie reçue (Entrée) : C'est l'énergie consommée par l'appareil pour pouvoir démarrer. Elle est fournie par un réservoir (ex : prise murale, soleil, carburant).
2
L'Énergie utile (Sortie souhaitée) : C'est la forme d'énergie pour laquelle le convertisseur a été conçu (ex : de la lumière pour une lampe, du mouvement pour un moteur électrique).
3
L'Énergie perdue (Dissipation) : C'est l'énergie "gâchée" (souvent de l'énergie thermique ou chaleur) qui s'échappe vers le milieu extérieur sans servir à l'usage voulu.
VI. Exemples Classiques à Connaître
💨 L'Éolienne
Transforme le vent en électricité.
• Reçue : Cinétique (Vent)
• Utile : Électrique
• Perdue : Thermique (Frottements)
💪 Le Muscle Humain
Transforme les nutriments en mouvement.
• Reçue : Chimique (Aliments)
• Utile : Cinétique (Mouvement)
• Perdue : Thermique (Sueur/Chaleur)
📈 Qu'est-ce que le rendement d'un système ?
Le rendement est le pourcentage de l'énergie reçue qui est effectivement transformée en énergie utile.
Par exemple, un panneau solaire moderne a un rendement d'environ 12% à 20% : cela veut dire que sur 100 Joules de lumière reçus, seulement 12 à 20 Joules sont transformés en électricité, le reste (80 à 88 Joules) étant dissipé sous forme thermique dans l'environnement !
