Une c�ramique comme r�servoir d'�nergie, bac S Am�rique du sud  2019. En poursuivant votre navigation sur ce site, vous acceptez l’utilisation de Cookies vous proposant des publicit�s adapt�es � vos centres d’int�r�ts. . . ...... .....   Des chercheurs de l'Universit� de Tokyo ont d�couvert une c�ramique capable de stocker de l’�nergie. Son principe de fonctionnement est extr�mement simple ; une courte exposition au Soleil permet de la � charger � ! Cette �nergie peut �tre stock�e pendant une longue dur�e et restitu�e selon les besoins. Le secret de ce mat�riau (pentoxyde de trititane, Ti3O5) r�side dans sa structure. En effet, sous certaines conditions (�l�vation de la temp�rature, exposition � un rayonnement �lectromagn�tique, application d’un courant �lectrique…), le mat�riau change de structure cristalline ; l’�nergie re�ue permet le passage du beta-pentoxyde de trititane (𝛽-Ti3O5) au lambda-pentoxyde de trititane (𝜆-Ti3O5). Cette nouvelle structure est stable. Pour restituer l’�nergie, il suffit de soumettre ce mat�riau � une certaine pression. Donn�es Constante de Planck : h = 6,63�10-34 J.s Intensit� de la pesanteur : g = 9,81 m.s-2 Volume V d’un cylindre de base circulaire de rayon r et de hauteur H : V = p. r 2.H Surface S d’un disque de rayon R : S = p.R 2 Caract�ristiques de la pastille cylindrique de pentoxyde de trititane utilis�e dans les exp�riences pr�sent�es dans cet exercice : Diam�tre : 13,0 mm. �paisseur : 0,500 mm. Masse : 0,265 g D’apr�s Tokoro, H. et al. (2015). External stimulation-controllable heat-storage ceramics. Nature communications. 6. 7037. 10.1038/ncomms8037. 1. Stockage de l’�nergie. Pour modifier la structure cristalline du pentoxyde de trititane, on utilise un laser. L’�nergie �lectromagn�tique du faisceau de lumi�re permet de modifier les liaisons � l’int�rieur du cristal. Au cours de cette �tape, l’�nergie du rayonnement doit �tre focalis�e sur la pastille de pentoxyde de trititane. Pour modifier sa structure cristalline et effectuer le passage du 𝛽-Ti3O5 au 𝜆-Ti3O5, le mat�riau doit recevoir une �nergie volumique E = 230 J.cm-3. 1.1. Parmi les sch�mas suivants, identifier celui qui illustre le stockage de l’�nergie par le pentoxyde de trititane. Justifier votre r�ponse. L’�nergie re�ue par le beta-pentoxyde de trititane (𝛽-Ti3O5) permet le passage au lambda-pentoxyde de trititane (𝜆-Ti3O5). Cette nouvelle structure est stable. Le sch�ma A ne convient pas. Dans son �tat fondamental, le lambda-pentoxyde de trititane (𝜆-Ti3O5) a une �nergie sup�rieure  � celle de l'�tat fondamental du beta-pentoxyde de trititane (𝛽-Ti3O5). Le sch�ma C convient. 1.2. Sachant que la totalit� de la surface de la pastille est �clair�e, v�rifier que l’�nergie qu’il faut fournir � la pastille utilis�e dans l’exp�rience vaut Ep = 15,3 J. Volume de la pastille : V = p. r 2.H =3,14 x 0,652 x0,05 ~ 0,066 cm3. Energie re�ue : 0,066 x 230 ~ 15,3 J. . .... Caract�ristiques du laser utilis�. Longueur d’onde du rayonnement : 𝜆 = 410 nm D�bit de photons : il correspond � un nombre de photons re�u par le mat�riau par unit� de temps. DLaser = 1021 photons par seconde ; DSoleil = 1017 photons par seconde 1.3. En utilisant vos connaissances, citer une propri�t� du laser qui justifie son utilisation dans cette exp�rience. Le faisceau laser �tant tr�s directif, la densit� �nerg�tique ( �nergie par unit� de surface) est tr�s grande. 1.4. Calculer le nombre de photons n�cessaires pour fournir l’�nergie Ep � la pastille. Energie d'un photon : E = h c / l = 6,63�10-34 x 3,00 108 / (410 10-9) ~4,85 10-19 J. Nombre de photons : 15,3 / (4,85 10-19) ~3,15 1019. 1.5. Donner l’ordre de grandeur de la dur�e minimale d’irradiation de la pastille par le laser pour permettre la transition 𝛽-Ti3O5 → 𝜆-Ti3O5 et commenter la phrase : � une courte exposition au Soleil permet de la � charger � ! �. Dur�e minimale d'irradiation par le laser : 3,15 1019 / 1021 ~0,03 s. Dur�e minimale d'irradiation par le soleil : 3,15 1019 / 1017 ~300 s ou 5 minutes.. 5 minutes correspond � une courte exposition au soleil. 2. Restitution de l’�nergie. Pour lib�rer l’�nergie stock�e au sein de la structure cristalline, il suffit d’exercer une pression sur le mat�riau qui va entra�ner une r�organisation de la structure en provoquant la transition 𝜆-Ti3O5 → 𝛽-Ti3O5. Le dispositif utilis� pour les tests en laboratoire est une enceinte dans laquelle du diazote est mis sous pression que l’on peut faire varier. Variation d’�nergie interne d’un gaz parfait En faisant l’hypoth�se que le diazote contenu dans l’enceinte est un gaz parfait, la variation d’�nergie interne ΔU du gaz s’exprime gr�ce � la relation : ΔU =2,5 .ngaz.R.ΔT ΔU d�signe la variation d’�nergie interne du gaz (J) ngaz d�signe la quantit� de mati�re de gaz pr�sente dans l’enceinte (mol) R d�signe la constante des gaz parfaits, R = 8,31 J.K-1.mol-1 ΔT d�signe la variation de temp�rature du gaz (K) 2.1. Que repr�sente l’�nergie interne d’un syst�me ? L'�nergie interne est l'�nergie emmagasin�e par un syst�me, autre que l'�nergie cin�tique macroscopique et l'�nergie potentielle due � l'action des corps ext�rieurs. L'�nergie interne est la somme de l'�nergie cin�tique microscopique de chaque entit� du syst�me et de l'�nergie potentielle d'interactions entre les entit�s �l�mentaires du syst�me. Au cours de l’exp�rience, l’enceinte utilis�e est consid�r�e comme parfaitement isol�e thermiquement. Elle contient 40,0 mmol de diazote. Lorsque la pression P est exerc�e, la pastille restitue l’�nergie stock�e qui entra�ne une �l�vation de temp�rature du gaz de 18,2 K. L’�quilibre thermique est alors atteint. 2.2. Calculer l’�nergie Q restitu�e par la pastille au cours de l’exp�rience. ΔU =2,5 .ngaz.R.ΔT = 2,5 x 40,0 10-3 x8,31 x18,2 ~15,1 J. 2.3. En consid�rant que les �changes thermiques s’effectuent sans perte, calculer la masse de pentoxyde de trititane n�cessaire pour chauffer 250 mL d’eau pure depuis la temp�rature ambiante jusqu’� 80�C. Commenter le r�sultat obtenu en d�gageant l’int�r�t de ce mat�riau. Donn�es  :Capacit� thermique massique de l’eau liquide ceau = 4,18 J.g-1.�C-1. Masse volumique de l’eau 𝜌eau = 1,00 g.mL-1. Estimation de la temp�rature initiale de l'eau : 15 �C. Energie re�ue par 250 g d'eau pour l'ammener de 15�C � 80 �C :  Q = 250 x 4,18 x(80-15) ~6,8 104 J. 0,265 g de cette pastille lib�re 15,3 J. 6,8 104 /15,3 x 0,265 ~1,2 103 g = 1,2 kg. L'�nergie solaire �tant intermittente, ces pastilles permettent  de stocker cette �nergie renouvelable sur une longue p�riode.   . .

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