Sujet avec enseignement de mathématiques spécifique
Enseignement scientifique première
Durée 1h12 – 12 points – Thème « Une longue histoire de la matière »
Il est possible de produire de l’électricité en installant des électrodes dans un sol gorgé d’eau où poussent des plantes telles que le riz. Cette technologie permet de convertir l’énergie chimique issue de la photosynthèse en énergie électrique. Le rendement de ce dispositif reste pour le moment faible.
On cherche ici à déterminer si cette technologie peut constituer une solution d’avenir.
Les deux parties peuvent être traitées indépendamment.
Partie 1 – La photosynthèse et ses caractéristiques
Document 1 – Étude expérimentale des échanges gazeux d’une plante chlorophyllienne
On mesure les variations au cours du temps de trois paramètres environnementaux au sein d’une enceinte fermée hermétiquement et contenant un végétal chlorophyllien :
- teneur en dioxygène (O2) ;
- teneur en dioxyde de carbone (CO2) ;
- luminosité reçue par l’enceinte.
Source : d’après https://www.pedagogie.ac-nantes.fr
1 – D’après le document 1, décrire l’effet de la luminosité sur les échanges gazeux entre la plante chlorophyllienne et son environnement.
Justifier à l’aide de données chiffrées.
Sur le document 1 on remarque que :
En présence de lumière, la plante absorbe du dioxyde de carbone CO₂ de l’air (le taux de CO₂ diminue : il passe de 0,1% à 0,07%) et libère du dioxygène O₂ (le taux de O₂ augmente : il passe de 18% à 25%). C’est la photosynthèse.
En absence de lumière, la plante consomme du dioxygène O₂ (le taux de O₂ diminue : il passe de 22% à 18%) et libère du dioxyde de carbone CO₂ de l’air (le taux de CO₂ augmente : il passe de 0,06% à 0,1%). C’est la respiration
Partie 2 – Énergie de la « pile végétale »
La plante utilise la photosynthèse pour produire de la matière organique. La réaction chimique correspondante peut être exploitée au sein d’une pile comportant deux électrodes dont l’une est positionnées près de la racine de la plante et l’autre en est plus éloignée. Cette pile peut délivrer un courant électrique qui transporte de l’énergie. On admet que la puissance électrique fournie par une « pile végétale » de cette sorte est proportionnelle à la surface que les plantes, exposées au soleil et qui se trouvent au voisinage des électrodes, occupent sur le sol.
2 – À partir de vos connaissances, expliquer ce qu’est une source d’énergie renouvelable. Justifier que la pile végétale est considérée comme une source d’énergie électrique renouvelable.
Une source d’énergie renouvelable est une source d’énergie qui se renouvelle naturellement à une échelle de temps humaine. Cela signifie que cette source est inépuisable ou se reconstitue rapidement par des processus naturels.
Voici les raisons pour lesquelles elle est considérée comme une source d’énergie renouvelable :
- La pile végétale exploite la photosynthèse. Les plantes convertissent l’énergie solaire en matière organique. Tant que les plantes sont vivantes et exposées au soleil, elles continuent à réaliser la photosynthèse, assurant ainsi une production continue d’énergie.
- Les plantes poussent, se reproduisent et se régénèrent rapidement. Les cycles de croissance des plantes permettent une source constante de biomasse qui peut être exploitée pour la production d’électricité.
On peut estimer qu’une « pile végétale » de 1 m2 de surface globale (en feuilles et en racines) fournit une puissance de 3 W et que l’énergie moyenne nécessaire à la recharge d’un smartphone est de 10 Wh.
3 – Calculer la durée de recharge d’un smartphone avec 1 m2 de surface de « pile végétale ».
P=E/∆t
P x ∆t=E
∆t=E/P
∆t=103
∆t=3,3 h
La durée de recharge d’un smartphone avec 1 m2 de surface de « pile végétale » est de 3,3 heures
4 – L’énergie moyenne consommée par une famille pendant une année est 3000 kWh. Calculer la surface nécessaire en m2 de surface de « pile végétale » pour fournir l’énergie annuelle à une famille.
Indication : le Watt-heure (Wh) une unité physique qui correspond à l’énergie consommée ou délivrée par un système d’une puissance de 1 Watt fonctionnant pendant une heure.
Une « pile végétale » de 1 m2 de surface globale (en feuilles et en racines) fournit une puissance de 3 W.
Calculons l’énergie en Wh de cette pile délivrée en 1 ans en considérant qu’elle produit de l’énergie pendant 12h sur 24h (uniquement lors de l’ensoleillement):
P=E /∆t
E/∆t=P
![\[E=P \times ∆t\]](https://physik.fr/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-8e4cf30c0cab8fd3e62b6caadc451a58_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
![\[E=3 \times 1 \times 365 \times 12\]](https://physik.fr/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-e2c8dd2f96082c0ebed8220b9020ff6d_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
![\[E=1,3 \times {10}^4\ Wh\]](https://physik.fr/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-4bc64c8f2ac7fafcccf437dba8230d63_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
E=13 kWh
| 1 m2 | 13 Wh |
| S | 3000 kWh |
![\[S=\frac{3000 \times 1}{13}\]](https://physik.fr/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-37b18fd64fd3b6c1ff4321a1147b766f_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
S=231 m2
Pour fournir l’énergie annuelle à une famille, la surface de « pile végétale » nécessaire est de 231 m2.
5 – Définir la biomasse et expliquer pourquoi la « pile végétale » peut être considérée comme faisant partie de la biomasse.
La biomasse est la matière organique d’origine végétale ou animale, utilisée pour produire de l’énergie. La « pile végétale » peut être considérée comme faisant partie de la biomasse car elle exploite les processus biologiques des plantes, notamment la photosynthèse, pour générer de l’électricité à partir de la matière organique produite.
6 – À partir des arguments issus de l’étude des deux parties de l’exercice et de vos connaissances notamment sur le fait que la « pile végétale » peut être considérée comme de la biomasse, indiquer un intérêt et une limite de ce dispositif.
Un intérêt de la « pile végétale » est sa capacité à générer de l’électricité de manière renouvelable. Elle utilise les processus naturels de la photosynthèse sans émissions de gaz à effet de serre ni épuisement des ressources fossiles.
Cependant, une limite notable est sa faible production d’électricité. La quantité d’électricité produite par surface de plante est relativement faible, ce qui nécessite de grandes surfaces cultivées pour obtenir une quantité significative d’énergie : 231 m2 pour une famille unique. De plus, la production électrique dépend des conditions environnementales (ensoleillement, qualité du sol), rendant cette source d’énergie relativement fiable et prévisible.