Baterii și redox - Site de sciences physique de M
I- Conversia și transportul energiei
1) Conversia energiei
Ce au în comun un motor electric, un ceainic, o lampă sau un telefon mobil? ?
Acestea sunt convertoare energie electrica:
- motorul transformă Electricul în Mecanic,
- ceainicul transformă Electricitatea în Ethermal,
- lampa transformă Electricitatea în Iluminant,
- telefonul transformă electricitatea în electromagnetică (comunicare), iluminantă (ecran) și emecanică (sunet, vibrator).
Iată cum reprezentăm un convertor.
2) Pierderi din conversie
Când utilizați telefonul un pic prea mult timp sau îl puneți la încărcare, este posibil să descoperiți că s-a încălzit. Cu toate acestea, nu vrem să producem căldură în acest moment.
Acest lucru se explică prin faptul că este aproape imposibil să se efectueze o conversie a energiei fără a pierde o parte din aceasta sub formă de căldură: un motor se va încălzi întotdeauna, deoarece fricțiunea mecanică este inevitabilă și un circuit electric va face același lucru prin Efect Joule, deoarece doar supraconductorii sunt capabili să conducă electricitatea fără nicio rezistență și, prin urmare, fără efect Joule.
În plus, dispozitivele nu sunt întotdeauna perfecte și pot exista și alte tipuri de pierderi.
Eficiența unei conversii este definită ca raportul dintre energia utilă și energia furnizată.
ρ = Δ E u t i l e Δ E f o u r n i e
ρ este fără unitate.
Cerere:
Electricitatea este transportată pe distanțe mari prin linii de 400kV. Rezistența unui cablu pe una dintre aceste linii este de 0,5Ω.km -1. Intensitatea curentului electric care curge prin el este de 50A.
1- Calculați energia utilă furnizată de linia de înaltă tensiune.
2- Calculați rezistența electrică a liniei care leagă centrala nucleară Flamanville (Manche) de Laval (Mayenne) (270km).
3- Calculați pierderile acestei linii cu efectul Joule.
4- Calculați eficiența acestei linii.
5- Există, de asemenea, linii de 60kV. Repetând întrebările 1 → 4, justificați utilizarea unei linii de 400kV pentru distanțe mari.
1- P = U × I = 4 × 10 5 × 50 = 2 × 10 7 W .
2- Rezistența este de 0,5Ω.km -1, deci pentru o distanță de 270km, aceasta reprezintă o rezistență de 135Ω.
3- Folosim relația văzută în capitolul anterior:
P = R × I 2 = 135 × 50 2 = 337.500 W .
Notă: nu putem folosi relația P = U 2 R deoarece pentru aceasta ar fi necesar ca tensiunea la bornele liniei să fie de 400kV, dar acest lucru nu este cazul, această valoare reprezentând tensiunea la bornele transformatorului la la care este conectată linia. Pe de altă parte, intensitatea care traversează linia este neapărat aceeași cu cea care intră în transformator.
4- ρ = P u t i l e P f o u r n i e = P u t i l e P f o u r n i e + P d i s s i p é e = 2 × 10 7 2 × 10 7 + 337 500 = 98. 3%
5- a. Calculăm intensitatea care trebuie să treacă linia astfel încât puterea să fie aceeași: U1 × I1 = U2 × I2
I 2 = U 1 × I 1 U 2 = 400 × 50 60 = 333 A
b. Pierderile de linie prin efectul Joule sunt, prin urmare, acum P = R × I 2 = 135 × 333 2 = 1.50.10 7 .
vs. Randamentul este acum:
ρ = P u t i l e P f o u r n i e = P u t i l e P f o u r n i e + P d i s s i p é e = 2 × 10 7 2 × 10 7 + 1. 50 × 10 7 = 57. 1%
d. Prin urmare, putem vedea avantajul utilizării liniilor de 400kV pe distanțe mari: energia pierdută este mult mai mică.
3) Unități
Iată o factură de energie electrică, putem vedea că cantitatea de energie electrică consumată nu este exprimată în jouli, ci în kilowați-oră (kW.h) .
Prin definiție 1J = 1W.s deci 1W.h = 3600J și 1kW.h = 3,6 × 10 6 J .
Consum de 1095kW.h = 3,94 × 10 9 J.
II- Baterii și redox
1) Experiență
Dacă luăm o soluție de sulfat de cupru (Cu 2+, SO4 2-) și scufundăm în el un cui de fier, vom observa foarte repede un depozit portocaliu de cupru în jurul unghiei.
Dacă înlocuim unghia cu pudră de fier, va lua o nuanță roșiatică, dar mai presus de toate culoarea albastră a soluției va dispărea.
În cele din urmă, adăugarea a câteva picături de sodiu la filtratul soluției anterioare va face să apară un precipitat verde închis de hidroxid de fier (II).
(dacă este necesar, consultați videoclipul despre testele caracteristice ale ionilor din 2).
Fierul metalic Fe se transformă în ion fier (II) Fe 2+ în timp ce inversul se produce pentru ionii de cupru (II) Cu 2+ care se transformă în cupru metalic Cu.
Prin urmare, este posibil să scriem ecuația reacției:
C u 2 + + F e → C u + F e 2 +
2) Ecuații pe jumătate și cupluri redox
Experiența anterioară arată că ionii Cu 2+ sunt capabili să „fure” 2 electroni din atomii de fier pentru a se transforma în atomi de cupru.