Chapitre 2 | Première STI2D — spécialité Physique-chimie et mathématiques | Physique-Chimie
Dernière mise à jour : 21 octobre 2026
Durée : 1 h — Barème : /20 — Calculatrice autorisée
Les réponses doivent être justifiées. Le soin, les unités et le nombre de chiffres significatifs sont notés.
1. Pour chaque source, donner la forme d'énergie fournie : (a) le vent ; (b) le gaz naturel ; (c) le soleil. (1,5 pt)
2. Énoncer la relation entre puissance, énergie et durée, en précisant les unités SI. (1,5 pt)
3. Un radiateur de puissance \(P=1{,}5\ \text{kW}\) chauffe une pièce pendant \(\Delta t=4{,}0\ \text{h}\). Calculer l'énergie consommée en kWh, puis en joules. (2 pts)
4. Citer un objet dont la puissance est de l'ordre de \(10\ \text{W}\) et un autre de l'ordre du mégawatt. (1 pt)
1. (a) vent → énergie cinétique ; (b) gaz naturel → énergie chimique ; (c) soleil → énergie rayonnante. (0,5 pt chacun)
2. \(P=\dfrac{E}{\Delta t}\), soit \(E=P\times\Delta t\). \(E\) en joules (J), \(P\) en watts (W), \(\Delta t\) en secondes (s).
3. En kWh : \(E=P\times\Delta t=1{,}5\times4{,}0=6{,}0\ \text{kWh}\). En joules : \(E=6{,}0\times3{,}6\times10^{6}=2{,}16\times10^{7}\ \text{J}\approx2{,}2\times10^{7}\ \text{J}\).
4. \(\sim10\ \text{W}\) : ampoule LED, box internet. \(\sim1\ \text{MW}\) : éolienne. (exemples acceptés)
Un panneau photovoltaïque alimente, via un onduleur, l'éclairage LED d'un atelier. La chaîne comporte deux convertisseurs : le panneau (\(\eta_1=0{,}18\)) et l'onduleur (\(\eta_2=0{,}95\)). Le panneau reçoit du soleil une énergie \(E_{\text{entrée}}=2{,}0\times10^{6}\ \text{J}\).
1. Nommer la conversion réalisée par le panneau photovoltaïque (forme d'entrée → forme de sortie) et son type. (1,5 pt)
2. Schématiser la chaîne énergétique (source → convertisseurs → utilisation) en indiquant les formes d'énergie. (2 pts)
3. Calculer le rendement global \(\eta_{\text{global}}\) de la chaîne. (2 pts)
4. En déduire l'énergie électrique utile \(E_{\text{utile}}\) disponible pour l'éclairage. (1,5 pt)
5. Calculer l'énergie perdue et indiquer sous quelle forme elle est majoritairement dissipée. (1 pt)
1. Le panneau convertit l'énergie rayonnante (solaire) en énergie électrique : conversion photoélectrique.
2. Soleil (source, énergie rayonnante) → panneau PV → énergie électrique → onduleur → énergie électrique → LED (utilisation, lumière). Pertes thermiques à chaque étage.
3. \(\eta_{\text{global}}=\eta_1\times\eta_2=0{,}18\times0{,}95=0{,}171\approx0{,}17=17\ \%\).
4. \(E_{\text{utile}}=\eta_{\text{global}}\times E_{\text{entrée}}=0{,}171\times2{,}0\times10^{6}\approx3{,}4\times10^{5}\ \text{J}\).
5. \(E_{\text{perdue}}=E_{\text{entrée}}-E_{\text{utile}}=2{,}0\times10^{6}-3{,}4\times10^{5}\approx1{,}7\times10^{6}\ \text{J}\), dissipée sous forme thermique.
Une cartouche contient \(m=450\ \text{g}\) de gaz butane, de pouvoir calorifique \(PC=4{,}6\times10^{4}\ \text{kJ·kg}^{-1}\).
1. La combustion du butane dégage de la chaleur. Est-elle exothermique ou endothermique ? L'énergie du système chimique augmente-t-elle ou diminue-t-elle ? (1,5 pt)
2. Dans cette combustion, nommer le combustible et le comburant. (1 pt)
3. Calculer l'énergie \(E\) libérée par la combustion complète de toute la cartouche (en kJ, puis en MJ). (2 pts)
4. Un réchaud utilisant cette cartouche a un rendement \(\eta=0{,}55\). Calculer l'énergie thermique réellement transmise à la casserole. (1,5 pt)
1. Elle dégage de la chaleur : exothermique. L'énergie du système chimique diminue (libérée vers l'extérieur).
2. Combustible = butane ; comburant = dioxygène \(\text{O}_2\) de l'air.
3. \(m=450\ \text{g}=0{,}450\ \text{kg}\). \(E=PC\times m=4{,}6\times10^{4}\times0{,}450=2{,}07\times10^{4}\ \text{kJ}\approx2{,}1\times10^{4}\ \text{kJ}=21\ \text{MJ}\).
4. \(E_{\text{utile}}=\eta\times E=0{,}55\times2{,}07\times10^{4}\approx1{,}1\times10^{4}\ \text{kJ}\approx11\ \text{MJ}\).