Exercice 4 – A · Bac STI2D Physique-Chimie et Mathématiques Métropole 2021

1. Écrire pour chaque combustible l'équation de combustion complète dans l'air.

Réponse : $C_6H_{12}N_4(s) + 9\,O_2(g) \rightarrow 2\,N_2(g) + 6\,CO_2(g) + 6\,H_2O(g)$ $C_2H_6O + 3\,O_2(g) \rightarrow 2\,CO_2(g) + 3\,H_2O(g)$

2. Pour le combustible solide à base d'hexamine, calculer l'énergie libérée lors de la combustion de 2 tablettes de combustible.

Réponse : 240 kJ / 240000 J / 0,24 MJ

3.1 Montrer que l'énergie nécessaire pour porter un volume V = 0,25 L d'eau liquide de T1 = 20 °C à T2 = 100 °C est égale à 84 kJ.

Réponse : $Q_{reçu} = \mu_{eau}.V_{eau}.c_{eau}.(T_{final}-T_{initial}) = 84\ kJ$

3.2 Calculer le temps nécessaire pour faire bouillir le même volume d'eau avec une bouilloire électrique de 1500 W.

Réponse : 56 s / 0,933 min

4. Quel est alors le rendement attendu par le fabricant pour ce combustible ?

Réponse : 0,35 (35%)

5. Le réchaud, de masse 223 g, est constitué d'acier inox. Discuter du bien-fondé de l'approximation consistant à ne pas prendre en compte l'énergie reçue par le récipient.

Réponse : $Q_{reçu\ inox} = m_{inox}.c_{inox}.(T_{final}-T_{initial}) = 9\ kJ$. Cette énergie dédiée à chauffer le réchaud correspond à 10,7 % de l'énergie nécessaire à chauffer l'eau. Elle n'est donc pas négligeable.

6. En supposant que toute l'énergie est utilisée pour la vaporisation de l'eau, calculer le volume d'eau liquide, portée à 100 °C, que l'on peut vaporiser avec la valeur d'énergie calculée à la question 3. Commenter.

Réponse : $V'_{eau} = 0{,}036$ L soit 36 mL / 15% du volume d'eau initial

7. Qu'indiquent les pictogrammes de sécurité pour l'hexamine ? Les pouvoirs calorifiques des deux combustibles étant proches, en déduire un des avantages présentés par le gel éthanol.

Réponse : Pour l'hexamine : inflammable et irritant. Pour le gel éthanol : inflammable. Le gel éthanol ne présente donc pas de risque de nocivité.

Qu'indiquent les pictogrammes de sécurité pour l'hexamine ? Les pouvoirs calorifiques des deux combustibles étant proches, en déduire un des avantages présentés par le gel éthanol.

Réponse : L'hexamine présente les pictogrammes inflammable (flamme) et dangereux pour la santé / toxique ou irritant (point d'exclamation). L'avantage du gel éthanol est qu'il est non toxique.