Tronc Commun 2I2D - Révision Bac STI2D

Cours Exhaustif : Tronc Commun 2I2D

I. L'Éco-conception et l'Analyse du Cycle de Vie (ACV)

L'ACV est une méthode standardisée permettant de quantifier les impacts environnementaux d'un produit (ex: Réchauffement climatique en kg eq CO2, épuisement des ressources hydriques, acidification...). Elle s'effectue "du berceau à la tombe".

Matières premières : Extraction, raffinage.
Fabrication : Procédés d'usinage, assemblage.
Transport : Acheminement et logistique.
Utilisation : Consommation électrique ou thermique durant la vie du produit.
Fin de vie : Recyclage, enfouissement, incinération.

La Roue de Brezet (Stratégies d'éco-conception) :
1. Matériaux à faible impact (Recyclés).
2. Réduction de la quantité de matériaux (Allègement).
3. Optimisation des techniques de production.
4. Optimisation du système de distribution.
5. Réduction de l'impact lors de l'utilisation (Meilleure efficacité énergétique).
6. Optimisation de la durée de vie (Réparabilité).
7. Optimisation de la fin de vie (Démontabilité).

II. Énergie et Puissance

L'énergie (E) est la capacité d'un système à fournir un travail, de la chaleur ou de la lumière. Elle se mesure en Joules (J) ou Watt-heure (Wh).
La puissance (P) est la vitesse à laquelle cette énergie est transférée. Elle se mesure en Watts (W).

Calcul d'Énergie et Puissance E = P × Δt

Si P est en Watts et Δt en secondes, E est en Joules (J).
Si P est en Watts et Δt en heures, E est en Watt-heures (Wh).

Rappel : 1 Wh = 3600 J.

Rendement Global (η)

Le rendement est le rapport entre ce qui est utile (Sortie) et ce qui est consommé (Entrée).

η = P_utile / P_absorbée = E_utile / E_absorbée

Si un système est composé de plusieurs sous-systèmes en chaîne : η_global = η_1 × η_2 × η_3 ...

Énergie Solaire Photovoltaïque P_fournie = E_e × S

Où E_e est l'irradiance du soleil (en W/m², souvent 1000 W/m² en condition standard) et S la surface du panneau en m².

III. Thermique et Écoulements

Le transfert de chaleur s'effectue toujours du corps le plus chaud vers le corps le plus froid.

Résistance Thermique (R_th) d'une paroi R_th = e / λ

Avec e l'épaisseur (en m) et λ la conductivité thermique du matériau. L'unité de R_th est m²·K/W.

Puissance thermique traversant la paroi : P_th = (S × ΔT) / R_th_Total

Débit Fluide (Pneumatique/Hydraulique) D_v = V / Δt = S × v (Débit volumique en m³/s)
P_fluidique = Δp × D_v (Puissance fluidique en W, avec Δp en Pa)

IV. Éclairage

Éclairement (E_cl) E_cl = Φ_v / S

Avec Φ_v le flux lumineux (en lumens) et S la surface éclairée (en m²). Le résultat est en Lux (lx).

V. Modélisation SysML (Ingénierie Système)

SysML propose 9 diagrammes. Les principaux en STI2D sont :

Diagramme des Cas d'Utilisation (UC) : Définit les services rendus par le système aux acteurs extérieurs.
Diagramme des Exigences (REQ) : Définit le cahier des charges (Performances, normes, ergonomie).
Diagramme de Définition de Blocs (BDD) : La nomenclature. De quoi est constitué le système ? (Aggrégations / Compositions).
Diagramme de Bloc Interne (IBD) : Montre les flux (Matière, Énergie, Information) qui circulent entre les blocs définis dans le BDD. C'est l'équivalent de la chaîne d'information et de puissance.

graph TD Energie[Source Énergie] --> Distribuer Distribuer --> Convertir Convertir --> Transmettre Transmettre --> Agir[Action Finale] Info[Acquérir] --> Traiter Traiter --> Communiquer Traiter -. Ordres .-> Distribuer

Structure générale d'une chaîne fonctionnelle (Énergie et Information)

Tronc Commun (2I2D)

Innovation & Ingénierie

Énergie, Éco-conception (ACV), Modélisation SysML et Systèmes Multi-Physiques.

Énergie & Puissance

1. Formules Fondamentales

Lien Énergie - Puissance

E = P × Δt

Joules = Watts × Secondes
Wh = Watts × Heures

Rendement (η)

η = P_utile / P_absorbée

Rendement Global

η_g = η_1 × η_2 × η_3

2. Solaire & Éclairage

Puissance Photovoltaïque

P = Irradiance × Surface

Éclairement (Lux)

E_cl = Flux(lm) / Surface(m²)

Hydraulique & Pneumatique

Débit Volumique

D_v = S × v

Débit Massique

D_m = ρ × D_v

Puissance Fluidique

P = Δp × D_v

Thermique (Conduction)

Flux de chaleur

Le transfert va toujours du Chaud vers le Froid

Résistance Thermique d'une paroi

R_th = e / λ

e = épaisseur (m) | λ = conductivité thermique

Puissance Thermique (W)

P_th = (S × ΔT) / R_th_totale

Ingénierie Système & ACV

1. Diagrammes SysML

REQ

Exigences

Cas d'utilisation

BDD

Nomenclature

IBD

Flux Internes

SMC

Machine à états

2. Analyse du Cycle de Vie (ACV)

Principe Fondamental

Du Berceau à la Tombe

Roue de Brezet (Éco-conception)

1. Matériaux
2. Quantité
3. Production
4. Transport
5. Usage
6. Durée de vie
7. Fin de vie