Transferts d'énergie : bac S Amérique du Sud 2013

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Réduire la consommation d'énergie est, de nos jours, au coeur des préoccupations afn de préserver l'environnement, épargner les ressources naturelles et limiter les dépenses. Une grande part de la consommation d'énergie provient de l'habitat. Comment rendre une maison plus économe en énergie de chauffage ?
Isolant thermique : faire le bon choix.
Soucieux de réduire ses dépenses de chauffage, Frédéric décide d'améliorer l'isolation thermique de son habitation.  Sa maison possédant un grenier non chauffé, il décide d'en isoler le sol. On donne :
température du grenier q1 = 5°C ; température de la maison q2 = 20 °C ; surface du grenier S = 80 m2 ; résistance thermique du sol du grenier : R = 7,5 10-3 KW-1.
Dans quel sens s'effectuera le transfert thermique dans la maison ?
Les transferte thermiques s'effectuent de la partie la plus chaude ( la partie chauffée de la maison  ) vers la partie la plus froide ( le grenier ).
Donner l'expression puis calculer le flux thermique F à travers le sol du grenier.
F = (q2-q1) / R =15/ (7,5 10-3) =2,0 103W = 2,0 kW.
Il existe de nombreux isolants caractérisés par leur conductivité thermique noté l. Plus la conductivité thermique d'un matériau est élevée, plus il conduit facilement la chaleur.
Utiliser le tableau suivant pour conseiller Frédéric dans son choix de matériau en justifiant.
A épaisseur d'isolant identique, il faut retenir l'isolant ayant la plus faible conductivité thermique, c'est à dire le polystyrène extrudé.
Matériau
 Laine de roche
  polystyrène extrudé
 Liège naturel expansé
 Cellulose
l ( W m-1 k-1 )
 0,035
 0,033
 0,042
 0,039
La résistance thermique totale du sol du grenier doit atteindre la valeur R = 6,3 10-2 KW-1.
Sachant que lorsque plusieurs parois sont accolées, la résistance thermique totale est égale à la somme des résistances thermiques de chaque paroi, calculer la résistance thermique de l'isolant choisi.
Risolant = 6,3 10-2 -7,5 10-3 = 5,55 10-2 ~5,6 10-2 K W-1.
La résistance thermique est inversement proportionnelle à la conductivité thermique et à la surface traversée et proportionnelle à l'épaisseur.
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Donner l'expression de la résistance thermique d'une paroi plane et vérifier son homogénéité.
R = e / (lS).
e s'exprime en mètre, S en m2 et l en W m-1 K-1 .
 e / (lS) s'exprime en m m-2 W-1 m K soit en K W-1, ce qui est bien l'unité de la résistance thermique.
Les matériaux proposés s'achètent sous forme de panneaux rigides.
Quelle épaisseur minimale doit posséder le panneau choisi ?
e = R l S=5,55 10-2 *0,033*80 = 0,14652  ~0,15 m.

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Principe d'un chauffe-eau solaire.
Dans le but de réaliser des économies d'énergie, Frédéric envisage de produire son eau chaude sanitaire en tirant profit de l'énergie solaire. Il se documente sur le principe d'un chauffe-eau solaire individuel.

Le chauffe-eau solaire se compose d'un capteur dolaire thermique (1) qui se comporte comme une mini-serre. Dans le circuit primaire (2) calorifugé circule le liquide caloporteur ( eau + glycérol ). Ce liquide s'échauffe lorsqu'il passe dans les tubes du capteur solaire et se dirige vers le ballon de stockage (5) de l'eau sanitaire. Le liquide caloporteur cède sa chaleur à l'eau sanitaire par l'intermédiaire d'un échangeur thermique (3). Une fois refroidi, le liquide caloporteur repart ver le capteur solaire où il sera à nouveau chauffé.  Une pompe électrique (7) met en mouvement le liquide caloporteur lorsque la température de celui-ci est supérieure à celle de l'eau sanitaire du ballon.
L'énergie solaire ne peut pas assurer la production d'eau chaude quelle que soit la saison. C'est pourquoi le ballon de stockage est également équipé d'un dispositif de chauffage d'appoint ( ensemble 11 et 12 ).
Citer les trois modes de transfert thermique. Les présenter brièvement.
rayonnement : Une barre de fer chauffée émet d'abord un rayonnement IR, puis un rayonnement rouge, puis un rayonnement contenant de plus en plus de lumière blanche. Un corps chaufé émet un rayonnement sous forme ondes électromagnétiques.
conduction : les métaux sont de bons conducteurs de la chaleur. Chauffons l'extrémité d'une barre de fer, la chaleur se propage dans toute la barre.
convection : la masse volumique d'un fluide dépend de la tempèrature. Si la température n'est pas uniforme, les courants de convection transfert de la chaleur des zones les plus chaudes vers les zones les plus froides.
Quel mode de transfert thermique intervient :
- au niveau du capteur solaire (1)
les ondes électromagnétiques ( Rayonnement ) émises par le soleil sont piègées dans le capteur solaire et réchauffent l'eau du circuit primaire ( conduction ).
- au niveau de l'échangeur thermique (3)
 conduction  : le liquide caloporteur cède sa chaleur à l'eau sanitaire par l'intermédiaire d'un échangeur thermique (3)
- au niveau du ballon de stockage (5) Justifier.
Convexion : la température de l'eau du ballon n'est pas uniforme, les courants de convection transfert de la chaleur des zones les plus chaudes vers les zones les plus froides.
Le fluide caloporteur s'échauffe lorsqu'il passe dans le capteur solaire.
Comment varie son énergie interne ? Pourquoi ?
L'énergie interne du fluide augmente avec la température. Lors du chauffage du fluide, on augmente l’agitation thermique de ce dernier et par conséquent son énergie interne.




Bilan thermique
Installé dans sa cuisine, Frédéric poursuit ses réflexions sur les modifications à réaliser dans sa maison tout en se préparant une tasse de thé.  Il réchauffe l'eau de son thé à l'aide de son four à micro-ondes. Lorsque les micro-ondes atteignent les molécules d'eau présentes dans les aliments, celles-ci se mettent à osciller 2,45 109 fois par seconde. La mise en mouvement des molécules d'eau produit la chaleur nécessaire pour réchauffer les aliments. On donne :
 c = 3,00 108 m/s ; masse volumique de l'eau reau = 1,00 kg/L ; capacité thermique de l'eau ceau = 4180 J kg-1 K-1.
L'énergie transférée à un système avec une puissance P pendant la durée Dt est E = P Dt.
A quel type d'ondes les micro-ondes appartiennent-elles ?
Les micro-ondes font partie des ondes électromagnétiques.
 Déterminer la longueur d'onde des micro-ondes du four.
l = c/f = 3,00 108 / (2,45 109) =0,1224 ~0,124 m.
Frédéric chauffe un volume V = 250 mL d'eau dans sa tasse. Il souhaite que la température de l'eau passe de 10 °C à 90 °C.
Calculer la variation de l'énergie interne de l'eau contenue dans sa tasse.
DU = reau V ceau Dq =1,00 *0,250 *4180*(90-10) =8,36 104 ~8,4 104 J.
On suppose que le four à micro-ondes est bien isolé. Le four est réglé sur la puissance P = 900 W.
 Au bout de combien de temps l'eau du thé sera telle prête ?
Dt = DU  P =8,36 104 /900 = 92,9 s ou 1 min 33 .



  

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