Première · Enseignement scientifique

Contrôle n°5 — Énergie, puissance et conversions

Devoir de synthèse sur les formes d'énergie, les conversions, les puissances mises en jeu dans différents contextes (transport, habitat) et les enjeux de sobriété.

1h30 · Difficile · 3 exercices · Barème sur 20 points

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Sujet

Travaille d’abord sans consulter le corrigé. Note tes réponses et les étapes de ton raisonnement.

Exercice 1 — Bilan énergétique d'un véhicule électrique (7 points)

Une voiture électrique de masse m = 1 500 kg roule à vitesse constante v = 90 km/h sur une route horizontale. La force de frottement totale (roulement et air) est F = 400 N. 1. Calculez la puissance mécanique P_méca nécessaire pour maintenir cette vitesse. (Rappel : P = F × v, avec v en m/s). 2. Le rendement global du système (batterie → moteur → roues) est η = 0,75. Quelle puissance électrique P_élec doit être prélevée de la batterie ? 3. La batterie a une capacité de 60 kWh. Si elle était utilisée à cette puissance P_élec constante, quelle serait l'autonomie théorique en heures, puis en kilomètrès ?

Exercice 2 — Conversion et dissipation dans un habitat (8 points)

Le diagramme de Sankey ci-joint représente les conversions d'énergie pour le chauffage d'une maison avec une chaudière à gaz. Énergie primaire (gaz) : 100 kWh. Pertes à la chaudière et dans les conduits : 30 kWh. Énergie utile délivrée aux radiateurs : 70 kWh. Pertes par les parois de la maison : 50 kWh. Énergie finale conservée pour chauffer l'air intérieur : 20 kWh. 1. Calculez le rendement de la chaudière seule. 2. Calculez le rendement global du système (de l'énergie primaire à l'énergie utile effectivement conservée). 3. Citez deux actions permettant d'améliorer significativement ce rendement global, en précisant sur quelle étape elles agissent.

Exercice 3 — Sobriété et efficacité énergétiques (5 points)

1. Définissez les deux concepts suivants en les illustrant par un exemple concret différent pour chacun : a) L'efficacité énergétique. b) La sobriété énergétique. 2. Pour un même service rendu (éclairer une pièce), comparez l'impact d'une action relevant de l'efficacité et d'une action relevant de la sobriété. 3. L'étiquette énergie des appareils électroménagers est un outil réglementaire. Sur quel principe principal repose-t-elle ? Quel est son objectif ?

Corrigé et barème

Le total du barème est de 20 points. Les réponses rédigées admettent plusieurs formulations pertinentes ; compare le raisonnement, pas seulement les mots.

Exercice 1 — Bilan énergétique d'un véhicule électrique : 7 points

1. v = 90/3,6 = 25 m/s. P_méca = F × v = 400 × 25 = 10 000 W = 10 kW. 2. η = P_méca / P_élec donc P_élec = P_méca / η = 10 / 0,75 ≈ 13,33 kW. 3. Autonomie en temps : Δt = Énergie / P_élec = 60 kWh / 13,33 kW ≈ 4,5 h. Autonomie en distance : d = v × Δt = 90 km/h × 4,5 h = 405 km.

Exercice 2 — Conversion et dissipation dans un habitat : 8 points

1. Rendement chaudière = Énergie aux radiateurs / Énergie primaire = 70/100 = 0,7 (70%). 2. Rendement global = Énergie conservée / Énergie primaire = 20/100 = 0,2 (20%). 3. Améliorer l'isolation de l'habitat (réduit les pertes par les parois). Remplacer la chaudière par une pompe à chaleur à haut rendement (améliore la conversion énergie primaire → chaleur utile).

Exercice 3 — Sobriété et efficacité énergétiques : 5 points

1. a) Efficacité : utiliser moins d'énergie pour un même service. Exemple : remplacer une ampoule à incandescence (60 W) par une LED (9 W) pour le même flux lumineux. b) Sobriété : réduire ou adapter le besoin en énergie. Exemple : éteindre la lumière en quittant une pièce, ou privilégier la lumière naturelle. 2. Efficacité : installer une LED moins gourmande. Sobriété : réduire la durée d'éclairage ou le nombre de lampes allumées. 3. Elle repose sur le classement des appareils selon leur consommation d'énergie à service rendu égal (ex: volume froid pour un réfrigérateur). Son objectif est d'informer le consommateur et d'inciter à choisir les appareils les plus performants, poussant ainsi l'industrie à innover.

Comprendre, puis réessayer

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