Chapitre 2 | Première STI2D — spécialité Physique-chimie et mathématiques | Physique-Chimie
Dernière mise à jour : 21 octobre 2026
Exercices progressifs corrigés. Cherche chaque exercice avant de dérouler la correction.
Pour chaque situation, indiquer la source d'énergie et la forme d'énergie fournie par cette source :
1. source = soleil ; forme = énergie rayonnante (électromagnétique).
2. source = eau en mouvement (courant marin) ; forme = énergie cinétique.
3. source = fioul ; forme = énergie chimique.
4. source = uranium ; forme = énergie nucléaire.
(a) Une plaque de cuisson de puissance \(P=1{,}5\ \text{kW}\) fonctionne pendant \(\Delta t=20\ \text{min}\). Calculer l'énergie consommée, en kWh puis en joules.
(b) Un chauffe-eau consomme \(E=4{,}0\ \text{kWh}\) en \(2{,}0\) heures. Quelle est sa puissance ?
(c) Une batterie stocke \(E=180\ \text{kJ}\). Combien de temps peut-elle alimenter un appareil de puissance \(P=30\ \text{W}\) ?
(a) \(\Delta t=20\ \text{min}=\dfrac{1}{3}\ \text{h}\). En kWh : \(E=P\times\Delta t=1{,}5\times\dfrac{1}{3}=0{,}50\ \text{kWh}\).
En joules : \(E=0{,}50\ \text{kWh}=0{,}50\times3{,}6\times10^{6}=1{,}8\times10^{6}\ \text{J}\).
(b) \(P=\dfrac{E}{\Delta t}=\dfrac{4{,}0}{2{,}0}=2{,}0\ \text{kW}\).
(c) \(\Delta t=\dfrac{E}{P}=\dfrac{180\times10^{3}}{30}=6{,}0\times10^{3}\ \text{s}=100\ \text{min}\).
Associer chaque objet à l'ordre de grandeur de sa puissance : ampoule LED, voiture, réacteur nucléaire, éolienne, bouilloire.
Ordres proposés : \(10\ \text{W}\) ; \(2\ \text{kW}\) ; \(80\ \text{kW}\) ; \(2\ \text{MW}\) ; \(1\ \text{GW}\).
Ampoule LED → \(10\ \text{W}\) ; bouilloire → \(2\ \text{kW}\) (habitat) ; voiture → \(80\ \text{kW}\) (transports) ; éolienne → \(2\ \text{MW}\) ; réacteur nucléaire → \(1\ \text{GW}\) (production).
On repère un facteur \(10^{8}\) entre l'ampoule (\(10\ \text{W}\)) et le réacteur (\(10^{9}\ \text{W}\)).
Une voiture électrique roule grâce à une batterie qui alimente un moteur électrique.
(a) Nommer le convertisseur et la conversion qu'il réalise.
(b) Schématiser (par un texte fléché) la chaîne énergétique : source → forme → convertisseur → forme utile, en indiquant l'énergie perdue.
(c) De quel type est la conversion réalisée par le moteur (électromécanique, photoélectrique, électrochimique, thermodynamique) ?
(a) Le convertisseur est le moteur électrique ; il convertit l'énergie électrique en énergie cinétique (mouvement).
(b) Batterie (source, énergie chimique) → énergie électrique → moteur électrique (convertisseur) → énergie cinétique (utile, la voiture avance). Énergie perdue : thermique (échauffement du moteur, frottements).
(c) Conversion électromécanique (électrique → mouvement).
Un moteur électrique de vélo à assistance reçoit une énergie électrique \(E_{\text{entrée}}=1{,}2\times10^{4}\ \text{J}\) et fournit une énergie mécanique utile \(E_{\text{utile}}=9{,}6\times10^{3}\ \text{J}\).
(a) Calculer le rendement \(\eta\) du moteur (en %).
(b) Calculer l'énergie perdue et indiquer sous quelle forme.
(c) Un fabricant annonce un moteur de rendement \(1{,}05\). Est-ce possible ? Justifier.
(a) \(\eta=\dfrac{E_{\text{utile}}}{E_{\text{entrée}}}=\dfrac{9{,}6\times10^{3}}{1{,}2\times10^{4}}=0{,}80=80\ \%\).
(b) \(E_{\text{perdue}}=E_{\text{entrée}}-E_{\text{utile}}=1{,}2\times10^{4}-9{,}6\times10^{3}=2{,}4\times10^{3}\ \text{J}\), dissipée sous forme thermique.
(c) Impossible : un rendement est toujours \(\lt1\) car \(E_{\text{utile}}\le E_{\text{entrée}}\) (conservation de l'énergie). Un rendement de \(1{,}05\) reviendrait à créer de l'énergie.
Une centrale hydraulique convertit l'énergie de l'eau en électricité par deux étages : une turbine (\(\eta_1=0{,}90\)) puis un alternateur (\(\eta_2=0{,}95\)).
(a) Calculer le rendement global de la chaîne.
(b) La turbine reçoit une énergie \(E_{\text{entrée}}=5{,}0\times10^{6}\ \text{J}\). Quelle énergie électrique utile est produite ?
(c) Le rendement global est-il plus grand ou plus petit que chacun des deux rendements ? Expliquer.
(a) \(\eta_{\text{global}}=\eta_1\times\eta_2=0{,}90\times0{,}95=0{,}855\approx0{,}86=86\ \%\).
(b) \(E_{\text{utile}}=\eta_{\text{global}}\times E_{\text{entrée}}=0{,}855\times5{,}0\times10^{6}\approx4{,}3\times10^{6}\ \text{J}\).
(c) Il est plus petit que chacun : chaque étage perd une part de l'énergie, donc le produit \(\eta_1\times\eta_2\) est inférieur à \(\eta_1\) et à \(\eta_2\).
(a) La combustion du propane dans un barbecue dégage de la chaleur. Est-elle exothermique ou endothermique ? L'énergie du système chimique augmente-t-elle ou diminue-t-elle ?
(b) La photosynthèse stocke de l'énergie lumineuse dans les molécules des plantes (le système absorbe de l'énergie). Comment qualifie-t-on cette transformation du point de vue énergétique ?
(c) Dans la combustion, nommer le combustible et le comburant, et expliquer pourquoi il faut une étincelle pour l'amorcer.
(a) Elle dégage de la chaleur : exothermique. L'énergie du système chimique diminue (elle est libérée vers l'extérieur).
(b) Le système absorbe de l'énergie : la transformation est endothermique (l'énergie du système augmente).
(c) Le combustible est le propane, le comburant est le dioxygène \(\text{O}_2\) de l'air. L'étincelle fournit l'énergie d'amorçage nécessaire pour démarrer la réaction ; ensuite l'énergie libérée entretient la combustion (auto-entretenue).
Un installateur thermique compare deux modes de chauffage pour une maison qui a besoin d'une énergie thermique utile \(E_{\text{utile}}=90\ \text{MJ}\) par jour.
Solution A — chaudière à gaz naturel. Pouvoir calorifique du gaz : \(PC=5{,}0\times10^{4}\ \text{kJ·kg}^{-1}\). Rendement de la chaudière : \(\eta_A=0{,}90\).
Solution B — chaudière à bois. Pouvoir calorifique du bois sec : \(PC=1{,}5\times10^{4}\ \text{kJ·kg}^{-1}\). Rendement : \(\eta_B=0{,}75\).
(a) Pour la solution A, calculer l'énergie chimique \(E_{\text{entrée}}\) que le gaz doit libérer pour fournir \(90\ \text{MJ}\) utiles.
(b) En déduire la masse \(m_A\) de gaz nécessaire par jour.
(c) Reprendre pour la solution B : énergie à libérer, puis masse \(m_B\) de bois.
(d) Comparer les deux masses. Laquelle des deux sources est renouvelable (si la ressource est gérée durablement) ?
(a) \(\eta_A=\dfrac{E_{\text{utile}}}{E_{\text{entrée}}}\Rightarrow E_{\text{entrée}}=\dfrac{E_{\text{utile}}}{\eta_A}=\dfrac{90}{0{,}90}=100\ \text{MJ}=1{,}0\times10^{5}\ \text{kJ}\).
(b) \(m_A=\dfrac{E_{\text{entrée}}}{PC}=\dfrac{1{,}0\times10^{5}}{5{,}0\times10^{4}}=2{,}0\ \text{kg}\) de gaz naturel.
(c) Solution B : \(E_{\text{entrée}}=\dfrac{90}{0{,}75}=120\ \text{MJ}=1{,}2\times10^{5}\ \text{kJ}\).
\(m_B=\dfrac{1{,}2\times10^{5}}{1{,}5\times10^{4}}=8{,}0\ \text{kg}\) de bois.
(d) Il faut \(8{,}0\ \text{kg}\) de bois contre seulement \(2{,}0\ \text{kg}\) de gaz : le bois est moins énergétique par kg et la chaudière moins performante. Mais le bois est une ressource renouvelable (s'il est replanté au rythme de la consommation), tandis que le gaz naturel est non renouvelable (combustible fossile).