Transport Mise en mouvement

1. Transport Mise en mouvement Programme Term STI2D/Term STL 23 Mai 2012 S.CALLEA Lycée Gay-Lussac

2. Programme de Terminale STI2D et Terminale STL

3. Evolution historique des piles 1780 - 1800 L.Galvani observe que des cuisses de grenouilles fixées à des fils de cuivre soubresautent dès que le cuivre est en contact avec du fer. 1800 Pile Volta : A. Volta invente la première pile produisant un courant continu en réalisant un empilement de rondelles alternativement de cuivre, de zinc, de cartons imbibés d’eau salée. 1836 Pile Daniell : J.Daniell invente la pile Daniell avec un compartiment contenant une électrode de cuivre plongeant dans une solution de sulfate de cuivre et dans un autre compartiment du zinc plongeant dans une solution de sulfate de zinc. 1859 Accumulateur de Gaston Planté : Gaston Planté utilise des électrodes en plomb plongées dans l’acide sulfurique. Il peut ainsi recharger aisément un système capable de stocker l’énergie électrique 1867 Pile Leclanché ou pile saline : Piles encore utilisées en zinc/charbon. L’électrolyte est du chlorure d’ammonium autrefois appelés sel.

4. Evolution historique des piles 1977 Pile au Lithium : Piles dites plates utilisées dans les appareils ne consommant pas beaucoup de courant mais dont l’autonomie doit être grande. Avenir ? Pile à combustible : Découverte dès 1840 par Sir H.Davy. Il faut attendre le développement de l’aérospatiale (missions Apollo) pour voir le développement de ces piles. A partir de dihydrogène et de dioxygène, il y a formation d’eau et simultanément apparition d’un courant électrique.

5. Intérêt des piles et des accumulateurs Pourquoi des piles ou des accumulateurs ? • Le stockage de l’énergie électrique n’est pas possible directement. • Nécessité de transformer l’énergie électrique en une autre forme d’énergie qui pourra par la suite restituer l’énergie électrique. • Une des voies de stockage de l’énergie électrique est l’énergie chimique. • Piles et accumulateurs permettent également une autonomie de certains appareils.

6. Description d’une pile • Une pile : générateur électrochimique permettant de transformer l’énergie chimique en énergie électrique. 2 couples Oxy/Red mis en jeu avec 2 conducteurs (souvent les réducteurs) Exemple : Pile Daniell Une solution ionique (appelée électrolyte) assure la conduction électrique Echange d’électrons Courant électrique Couple Ox1/red1 Couple Ox2/red2 Pas d’échange direct d’électrons entre les couples

7. Différences et analogies entre pile et accumulateur Pile Accumulateur • Stockage d’énergie sous forme chimique • Générateur d’énergie électrique et de courant continu • Quand l’un des réactifs est épuisé, la pile est inutilisable •  Pas de possibilité de recharge. • Stockage d’énergie sous forme chimique • Générateur d’énergie électrique et de courant continu • Possibilité de recharge en le branchant à une source d’énergie.

8. Fonctionnement d’une pile • Identifier l’oxydant et le réducteur mis en jeu dans une pile à partir de la polarité de la pile. • Ecrire les équations des réactions aux électrodes. • Méthode : • Ecrire les couples de la bornes + et – sous la forme Ox/red • Borne - : Zn2+/Zn • Borne + : Cu2+/Cu •  Vu la polarité de la pile, prévoir le sens de circulation des électrons et du courant

9. Fonctionnement d’une pile • Identifier l’oxydant et le réducteur mis en jeu dans une pile à partir de la polarité de la pile. • Ecrire les équations des réactions aux électrodes. • Réactions aux électrodes : • L ’électrode qui reçoit les électrons doit les consommer, elle est le siège d’une réduction : Ox + ne- = Red • Ex: Cu2+ + 2e- = Cu(s) • Cu2+ : oxydant intervenant • L’électrode dont partent les électrons doit les former, elle est le siège d’une oxydation : • Red = Ox + ne- • Ex: Zn(s) = Zn2+ + 2e- •  Zn : réducteur intervenant • Equation de la réaction globale de fonctionnement de la pile : • On supprime les électrons par combinaison linéaire soit : • Cu2+ + Zn(s)  Cu(s) + Zn2+

10. Fonctionnement d’un accumulateur Décharge d’un accumulateur  Accumulateur = Générateur - + • Couples intervenant : • PbO2/PbSO4 et PbSO4/Pb  Vu la polarité de la pile, prévoir le sens de circulation des électrons et du courant

11. Fonctionnement d’un accumulateur •  Réactions aux électrodes : • L ’électrode qui reçoit les électrons  réduction : Ox + ne- = Red • Soit : PbO2 + SO42- + 4H+ + 2e- = PbSO4(s) + 2H2O • PbO2 : oxydant intervenant • L’électrode dont partent les électrons  oxydation : Red = Ox + ne- Soit : Pb(s) + SO42- = PbSO4(s) + 2e- •  Pb(s) : réducteur intervenant  Equation de la réaction globale de fonctionnement de la pile : Pb(s) + PbO2 + 2SO42- + 4H+ 2PbSO4(s) + 2H2O

12. Fonctionnement d’un accumulateur Charge d’un accumulateur  Accumulateur = Récepteur • Couples intervenant : • PbO2/PbSO4 et PbSO4/Pb  Le générateur impose le sens de courant ou le sens de circulation des électrons.

13. Fonctionnement d’un accumulateur •  Réactions aux électrodes : • L ’électrode qui reçoit les électrons  réduction : Ox + ne- = Red • Soit : PbSO4(s) + 2e- = Pb(s) + SO42- • PbSO4 : oxydant intervenant • L’électrode dont partent les électrons  oxydation : Red = Ox + ne- Soit : PbSO4(s) + 2H2O = PbO2 + SO42- + 4H+ + 2e- •  PbSO4(s) : réducteur intervenant  Equation de la réaction globale de fonctionnement de la pile : 2PbSO4(s) + 2H2O  Pb(s) + PbO2 + 2SO42- + 4H+

14. Transfert d’énergie électrique Décharge de la pile Récepteur électrique Pile Décharge Récepteur électrique Accumulateur Charge Générateur électrique Accumulateur

15. Fonctionnement d’une pile à combustible H2 = 2H+ + 2e- O2 + 4H+ + 4e- = 2H2O 2H2 + O2 = 2H2O

16. Caractéristiques d’une pile • On distingue pour une pile : • Force électromotrice (fem) ou tension à vide : • Quand I = 0 (circuit ouvert), fem = V+ - V- • Unité : V • Quand la pile débite, cette différence de tension varie.

17. Caractéristiques d’une pile • Capacité disponible : quantité d’électricité disponible Q est la quantité maximale d’électrons pouvant circuler • On cherche le réactif limitant de la pile • On cherche la relation : • On obtient quantité maximale l’électrons pouvant être échangés par : • Q = ne.F (F : constante de Faraday C.mol-1, • F = 96500 C.mol-1) • Autres expression de la capacité disponible si I = const : • Q = I.t avec I : courant en A • t : durée d’utilisation maximale théorique en s • Unités de Q : C ou Ah avec 1 Ah = 3600 C

18. Caractéristiques d’une pile • Durée de fonctionnement d’une pile : • t = Q/I • Unité : s

19. Caractéristiques d’une pile • Energie disponible W ou capacité énergétique : énergie que le système électrochimique peut délivrer W = Qmax.E • Unité : • W = Qmax.E ou W = Qmax.E • J C V Wh Ah V • Energie volumique, énergie massique : • L’énergie volumique d’une pile est l’énergie que cette pile peut fournir par unité de volume. • Unité : Wh.cm-3 avec 1 Wh = 3600 J • L’énergie massique d’une pile est l’énergie que cette pile peut fournir par unité de masse. • Unité : Wh.kg-1 avec 1 Wh = 3600 J

20. Conditions d’utilisation d’un accumulateur • Batterie d’accumulateurs : association en série d’accumulateurs • Courant maximal : • Courant que peut • délivrer la batterie • pdt t court  Capacité : quantité d’électricité maximale en Ah (1 Ah = 3600 C)  Capacité énergétique : Qmax.E = 74.12 = 888 Wh  Tension nominale U = fem