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Des exercices de physique appliquée aux enjeux climatiques et énergétiques

Alors que les rapports scientifiques tous plus alarmants se succèdent, de plus en plus d’appels se font entendre pour que l’école forme les futurs citoyens aux enjeux climatiques et énergétiques. Et pourtant ... les choses évoluent bien lentement ! Au niveau des CPGE, je n'ai pas trouvé grand chose, hormis le projet "des colles pour le climat" qui semble abandonné (?) à l'heure où j'écris ces lignes.

Cette éducation au changement climatique, et plus largement à la transition écologique, me semble pourtant cruciale. C'est pourquoi j'ai décidé de regrouper sur cette page un ensemble d'exercices, très hétérogènes mais portant spécifiquement sur les thèmes climat et énergie, afin de les partager et pourquoi pas de donner des idées à des collègues intéressés. Bien sûr, ces exercices ne couvrent le domaine que de façon très partielle, fortement biaisée par le programme que j'enseigne ... et mes centres d'intérêt. Ainsi, la thermodynamique appliquée à l'habitat est surreprésentée, mais je n'ai aucun exercice à proposer sur l'effet de serre, l'albédo, les bilans radiatifs, car ce sont des notions que je n'ai (à regret) pas à enseigner.

Certains exercices ont été créés par mes soins, mais pas tous. J'ai toujours essayé de préciser ma source, mais je reconnais manquer de rigueur sur ce point : si un auteur que j'aurais oublié souhaite être cité, qu'il n'hésite pas à me contacter.

Production, transport et stockage d'énergie

• Centrale hydro-électrique de Romanche Gavet : théorème de Bernoulli avec élément actif et pertes de charge ;
• Barrage de Grand-Maison : hydrostatique, théorème de Bernoulli avec élément actif et pertes de charge (problème long) ;

• Crayon combustible nucléaire : conduction thermique ;
• Cycle de Rankine d'une centrale nucléaire : thermodynamique industrielle ;
• Centrale nucléaire à l'hélium : thermodynamique industrielle ;

• Impact carbone de la production d'électricité : enthalpie de réaction ;
• Comparaison entre gaz naturel et pétrole : enthalpie de réaction ;
• Cycle de Hirn d'une centrale à gaz : thermodynamique industrielle ;
• Gaz naturel liquéfié : thermodynamique industrielle ;
• Transport du méthane par gazoduc : équilibre chimique hétérogène ;
• Méthanisation : enthalpie de réaction ;

• Rendement d'une éolienne : théorème de Bernoulli avec élément actif, bilan de quantité de mouvement (succint car pas au programme de PT) ;

• Supercondensateur : électrostatique, conduction électrique ;
• Accumulateur lithium-métal : oxydoréduction ;
• Pile à combustible : oxydoréduction ;

• Modèle de Müzer d'une centrale solaire à concentration : machines thermiques ;
• Onduleur pour centrale solaire autonome : circuits électriques linéaires, méthode d'Euler ;

Habitat

• Bilan carbone du chauffage au gaz d'une maison : thermodynamique infinitésimale, transitoire thermique, enthalpie de réaction (problème long) ;

• Isolation et comportement thermique d'une maison : transitoire thermique, résistances thermiques (problème long) ;
• Température d'une habitation : transitoire thermique, résistances thermiques ;
• Isolation d'un pignon : résistances thermiques ;

• Chauffage par pompe à chaleur : thermodynamique infinitésimale ;
• Chauffe-eau solaire : thermodynamique industrielle ;
• Puits canadien : thermodynamique industrielle ;
• Dimensionnement du radiateur d'un studio : résistances thermiques ;

Changement climatique

• Mesure de la concentration en CO2 dans l'atmosphère : ondes électromagnétiques ;
• Pouvoir de réchauffement global du méthane : cinétique chimique ;
• Montée des océans : thermodynamique différentielle, hydrostatique ;
• Pluies acides : acido-basicité ;

Industrie

• Bilan carbone de l'industrie cimentière : enthalpie de réaction ;
• Utiliser le CO2 comme fluide frigorigène : thermodynamique industrielle.