[PDF] Energie dans lhabitat TERMINALE STI2D. Sciences-physiques. Lycé

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TERMINALE STI2D Sciences-physiques

Lycée Georges Leygues 1

Thème : HABITAT

Sous-thème : *HVPLRQ GH O·pQHUJLH GMQV O·OMNLPMP Chapitre H3 : IHV ŃOMQJHPHQPV G·pPMP HP PUMQVIHUPV POHUPLTXHV Thème 1 : HABITAT. Sous-thème : GESTION DE L'ENERGIE DANS L'HABITAT

Notions et Contenus

États de la matière. Transfert

thermiques et changements d'état.

Transformations physiques et effets

thermiques associés

Compétences attendues

- Différencier les différentes transformations liquide-vapeur pour l'eau : évaporation,

ébullition.

- Associer un changement d'état au niveau macroscopique à l'établissement ou la rupture d'interactions entre entités au niveau microscopique. - Utiliser un diagramme d'état (P, T) pour déterminer l'état d'un fluide lors d'une transformation. - Utiliser l'enthalpie de changement d'état pour effectuer un bilan énergétique

Situation ² Problème :

Problématique :

M. Hervé a décidé de se faire construire une piscine dans son jardin. Comme dans sa région les étés ne sont pas

IRUŃpPHQP PRXÓRXUV ŃOMXGV LO GpŃLGH GH ŃOMXIIHU O·HMX GH VM SLVŃLQH HQ installant une pompe à chaleur (PAC).

(Source : www.pompeachaleurpiscine.org/)

Les premières pompes à chaleur apparaissent en France en 1973, en répercussion du premier choc pétrolier. La

sortie de cette crise ralentit ensuite leur développement en France. Au même moment, les pays nordiques, plus

VRXŃLHX[ GH OM SUpVHUYMPLRQ GH O·HQYLURQQHPHQP MGRSPHQP HP ŃRQVHUYHQP ŃHPPH PHŃOQRORJLH PUqV pŃRORJLTXHB FHV GL[

GHUQLqUHV MQQpHV PMUTXHQP OM ILQ GH O·pQHUJLH NRQ PMUŃOp HP OHV )UMQoMLV VH PRXUQHQP j QRXYHMX YHUV la pompe à

chaleur, conscients de son intérêt écologique mais surtout économique. M. Hervé fait donc venir un technicien pour une étude de son projet.

- Le technicien : " La pompe à chaleur utilise une énergie gratuite, renouvelable, propre et inépuisable. De

SOXV HOOH QH UHÓHPPH ULHQ GMQV O·MPPRVSOqUHB (OOH ŃRQPULNXH MLQVL YUMLPHQP j OM UpGXŃPLRQ GH O·HIIHP GH VHUUH HP j OM

OXPPH ŃRQPUH OH UpŃOMXIIHPHQP ŃOLPMPLTXHB 9RXV YR\H] YLPH O·MYMQPMJH j XPLOLVHU ŃH P\SH GH ŃOMXIIMJH SRXU XQH

piscine (paUPLŃXOLqUHPHQP pQHUJLYRUH SOXP{P TX·XQH pQHUJLH IRVVLOH TXL HVP HP VHUM GH SOXV HQ SOXV UMUH HP ŃOqUHB

Une pompe à chaleur piscine vous permet de réaliser de vraies économies en divisant vos dépenses de chauffage

de la piscine. Son coût de fonctionnement est 4 fois inférieur j ŃHOXL G·XQ ŃOMXIIMJH PUMGLPLRQQHO GH P\SH ©

réchauffeur». Le coefficient de performance (COP ² UMSSRUP HQPUH O·pQHUJLH ŃRQVRPPpH HP O·pQHUJLH IRXUQLH

VXSpULHXU j 4 SHUPHP XQ MPRUPLVVHPHQP G·XQH 3$F SRXU ŃOMXIIHU YRPUH SLVŃLQH VXU SHX G·MQQpHVB

Ce coefficient signifie que pour 1 kWh consommé, la pompe à chaleur va restituer 4 kWh. » - M. Hervé : " Mais comment cela fonctionne-t-il ? »

- Le technicien : " Une pompe à chaleur va transférer la chaleur du milieu chaXG TXL IRXUQLP O·pQHUJLH

O·MLU HQ GLUHŃPLRQ GX PLOLHX IURLG UpŃHSPHXU G·pQHUJLH YRPUH SLVŃLQHB IM SLVŃLQH HVP GRQŃ ŃOMXIIpH SMU O·MLU

chaud ! I·MLU ŃRQPLHQP QMPXUHOOHPHQP GH OM ŃOMOHXU OHV ŃMORULHVB FHV ŃMORULHV VRQP SUpOHYpHV GMQV O·MLU MPNLMQP SMU

la PAC et vont être transférées vers la piscine. Pour réaliser ce transfert de chaleur, on utilise un fluide réfrigérant " frigorigène » qui circule en ŃLUŃXLP IHUPp GMQV OM SRPSH j ŃOMOHXUB F·HVP OH même fluide réfrigérant qui est utilisé dans tous les systèmes de production de froid : UpIULJpUMPHXUV ŃOLPMPLVMPLRQ"FH IOXLGH M OM SMUPLŃXOMULPp GH ŃOMQJHU G·pPMP HQ IRQŃPLRQ GH VM pression. Lorsque sa pression augmente, il devient gazeux; lorsque sa pression baisse, il se condense. Les principaux composanPV G·XQH SRPSH j ŃOMOHXU- piscine sont un compresseur, un condenseur, un

évaporateur, et un détendeur.»

Et il donne au client un dépliant dans lequel on trouve le schéma de fonctionnement de la PAC :

Source MITSUBISHI

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Evaporateur SHUPHP GH SMVVHU GH O·pPMP OLTXLGH j O·pPMP gazeux.

Compresseur : augmente la pression du gaz.

Détendeur : permet de faire passer un gaz sous pression à une pression inférieure.

Condenseur : transforme le gaz en liquide.

- M. Hervé : "4XHO HVP O LQPpUrP SRXU XQH SRPSH j ŃOMOHXU G·XPLOLVHU XQ ŃOMQJHPHQP G·pPMP ? »

COURS :

H I(6 F+$1*(0(176 G·(7$7 G( I·($8

1) Les états de la matière :

O·pPMP VROLGH,

I·pPMP OLTXLGH

I·pPMP JM]HX[

Les interactions décrites plus haut sont qualifiées de liaisons __________________ car elles se manifestent

HQPUH OHV PROpŃXOHV G·XQ PrPH ŃRUSVB FHV OLMLVRQV VRQP NHMXŃRXS PRLQV VROLGHV TXH OHV OLMLVRQV LQPUMPROpŃXOMLUHV

XQH TXMQPLPp PRLQGUH G·pQHUJLH HVP GRQŃ QpŃHVVMLUH SRXU OHV URPSUHB

IRUVTXH GH O·HMX NRXP OM YMSHXU ŃUppH ŃRUUHVSRQd à la rupture des liaisons ___________________ entre les

molécules H22 TXL IRUPHQP O·HMX OLTXLGH HP GRQŃ j O·pPMNOLVVHPHQP G·XQ RUGUH GLIIpUHQP Ń·HVP OH ŃOMQJHPHQP G·pPMPB

2) La liaison hydrogène :

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La liaison hydrogène est une liaison chimique non covalente. Elle est de basse intensité (vingt fois plus faible

qu'une liaison covalente classique), et relie des molécules en impliquant un atome d'hydrogène.

HH 75$16)(576 7+(50H48(6 (7 F+$1*(0(176 G·(7$76 :

1) Température et agitation thermique :

2) Mécanisme du transfert thermique :

IRUVTXH GHX[ ŃRUSV GH PHPSpUMPXUHV GLIIpUHQPHV VRQP HQ ŃRQPMŃP OH ŃRUSV OH SOXV IURLG UHoRLP GH O·pQHUJLH

du corps le plus chaud par transfert thermique. La température du corps chaud diminue et la température du

corps froid augmente.

3) IHV GLIIpUHQPV ŃOMQJHPHQPV G·pPMP VRQP

‡ OM fusion :

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‡ OM vaporisation :

‡ OM sublimation :

GXUMQP OH SMVVMJH G·XQ pPMP j XQ MXPUH pPMP LO \ M pTXLOLNUH HQPUH OHV GHX[ SOMVHV Ń·HVP-à-GLUH TXH O·HMX HVP SUpVHQPH VRXV deux états GLIIpUHQPVB 7RXV ŃHV SMVVMJHV G·XQ pPMP GH OM matière à un autre sont caractérisés par une pression et une PHPSpUMPXUH TXL UHVPHQP ŃRQVPMQPHV GXUMQP OH ŃOMQJHPHQP G·pPMPB

4) IH ŃMV GH O·HMX

FOMQJHPHQP GH SOMVH GH O·HMX VRXV SUHVVLRQ MPPRVSOpULTXH :

Comme on le voit sur la figure ci-GHVVXV O·MSSRUP G·XQH TXMQPLPp GH ŃOMOHXU j OM SUHVVLRQ 3 1 MPP SHUPHP GH

UpMOLVHU ŃHV ŃOMQJHPHQPV G·pPMPVB

___________________________________________________________. Cette température reste constante tant que les deux états sont simultanément présents.

6L XQ ŃRUSV SXU UHoRLP GH O·pQHUJLH SMU PUMQVIHUP POHUPLTXH MORUV LO SMVVH G·XQ pPMP SOXV RUGRQQp j XQ pPMP PRLQV

RUGRQQp VROLGH OLTXLGH JM]B HO ŃqGH GH O·pQHUJLH GMQV OH ŃMV ŃRQPUMLUHB

Définition :

GXUMQP OH SMVVMJH G·XQ pPMP j XQ MXPUH pPMP LO \ M pTXLOLNUH HQPUH OHV GHX[ SOMVHV Ń·HVP-à-GLUH TXH O·HMX HVP

SUpVHQPH VRXV GHX[ pPMPV GLIIpUHQPVB 7RXV ŃHV SMVVMJHV G·XQ pPMP GH OM PMPLqUH j XQ MXPUH VRQP ŃMUMŃPpULVpV SMU

une pression et une température TXL UHVPHQP ŃRQVPMQPHV GXUMQP OH ŃOMQJHPHQP G·pPMPB FRPPH RQ OH YRLP VXU OM

figure ci-GHVVXV O·MSSRUP G·XQH TXMQPLPp GH ŃOMOHXU j OM SUHVVLRQ 3 1 MPP SHUPHP GH UpMOLVHU ŃHV ŃOMQJHPHQPV

G·pPMPVB

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(LF 334 N-CNJ j 7 0ƒF ŃHPPH YMOHXU VLJQLILH TX·LO IMXP 334 N- SRXU PUMQVIRUPHU 1 NJ GH JOMŃH HQ 1 NJ G·HMX

liquide à T = 0°C). La phase liquide étant caractérisée par un désordre des molécules plus important que celui de

OM SOMVH VROLGH ŃHPPH pQHUJLH M SHUPLV GH OXPPHU ŃRQPUH OHV IRUŃHV G·MPPUMŃPLRQ Sour libérer les molécules de leur

position relativement fixe dans le solide et leur permettre de se mouvoir les unes par rapport aux autres, ce qui

correspond à la phase liquide.

(LV = 2 250 kJ/kg à 100ƒFB FHPPH YMOHXU VLJQLILH TX·LO IMXP 2 2D0 N- SRXU PUMQVIRUPHU 1 NJ G·HMX OLTXLGH HQ 1

kg de vapeur à = 100°C).

HO HVP LQPpUHVVMQP GH UHPHQLU TXH OH SMVVMJH G·XQ pPMP RUGRQQp j XQ pPMP PRLQV RUGRQQp OLTXLGH j JM] SMU H[HPSOH

est un phénomène endothermique.

GLMJUMPPH G·pTXLOLNUH GH O·HMX

6L RQ UHIMLP O·H[SpULHQŃH SUpŃpGHQPH j XQH MXPUH SUHVVLRQ OHV YMOHXUV GHV PHPSpUMPXUHV GH IXVLRQ HP GH

YMSRULVMPLRQ VRQP GLIIpUHQPHVB HO HVP MORUV SRVVLNOH GH PUMŃHU OM ŃRXUNH 3 I 7 SRXU OH SMVVMJH GH O·pPMP liquide

j O·pPMP JM]HX[B FH PUMŃp HVP SRVVLNOH SRXU PRXV OHV ŃOMQJHPHQPV GH SOMVH ŃH TXL SHUPHP G·RNPHQLU HQ SOXV GH OM

ŃRXUNH GH IXVLRQ OHV ŃRXUNHV GH VXNOLPMPLRQ HP GH YMSRULVMPLRQB 6XU XQ PrPH JUMSOH O·HQVHPNOH GH ŃHV ŃRXUNHV

constitue le diagramme G·pTXLOLNUH GX ŃRUSV SXU TXL SRXU O·HMX HVP UHSUpVHQPp VXU OM ILJXUH ŃL-dessous.

3RXU O·HMX OM ŃRXUNH GH IXVLRQ M OM SMUPLŃXOMULPp G·MYRLU XQH SHQPH QpJMPLYHB FHOM VH PUMGXLP SMU OH IMLP TXH O·HMX

sous forme solide occupe à masse égale un volume plus iPSRUPMQP TXH O·HMX VRXV IRUPH OLTXLGH XQH NRXPHLOOH

SOMVPLTXH SOHLQH G·HMX OLTXLGH SOMŃpH MX ŃRQJpOMPHXU pŃOMPH ORUVTX·HOOH VH VROLGLILHB

On peut noter sur ce diagramme deux points particuliers : le point triple et le point critique. Le point triple est le

SRLQP RZ LO \ M ŃRH[LVPHQŃH GH O·HMX VRXV PURLV pPMPV OLTXLGH Ą YMSHXU Ą VROLGHB IHV ŃRRUGRQQpHV GH ŃH SRLQP SRXU

O·HMX VRQP T = 273,16 K (0,01°C.) et PT = 0,006 atm.

IH VHŃRQG SRLQP SMUPLŃXOLHU HVP OH SRLQP ŃULPLTXHB HO HVP ŃMUMŃPpULVPLTXH GH OM ŃRXUNH G·pTXLOLNUH OLTXLGH-vapeur. Au

GHOj GX SRLQP ŃULPLTXH RQ QH SHXP SOXV GLVPLQJXHU OM YMSHXU HP OH OLTXLGHB PLPUH LQGLŃMPLI OH SRLQP ŃULPLTXH GH O·HMX

a pour coordonnée c = 370°C et Pc = 218 atm.

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Remarques :

Ébullition, évaporation et la condensation sont des termes qui se réfèrent à des changements d'état entre

les liquides et les gaz:

Retour sur la question

(Q XPLOLVMQP OH ŃRXUV H[SOLTXHU O·LQPpUrP GHV ŃOMQJHPHQPV G·pPMP GX IOXLGH GMQV OHV V\VPqPHV SURGXLVMQP GX ŃOMXG

ou du froid? III CHALEUR LATENTE DE 9$325H6$7H21 G( I·($U : EXPERIENCE.

Les changements d'état eau liquide / vapeur sont permanents dans l'habitation : évaporation (séchage du linge,

QHPPR\MJH GRXŃOH" RX YMSRULVMPLRQ ŃXLVVRQ"B

Mais quelle est l'énergie (en J) nécessaire pour vaporiser 1kg d'eau ? Autrement dit, quelle est la chaleur latente de vaporisation de l'eau : Lv ?

But : Déterminer la chaleur latente de vaporisation de O·HMX ŃOMOHXU QpŃHVVMLUH SRXU YMSRULVHU 1 NJ G·HMX j 100 °C).

Principe 2Q ŃOMXIIH GMQV XQ NMOORQ XQH ŃHUPMLQH PMVVH G·HMX ÓXVTX·j pYMSRUMPLRQB 2Q PHVXUH HQ IRQŃPLRQ GX PHPSV

OM PHPSpUMPXUH GH O·HMX HP RQ PUMŃH OH JUMSOH ŃRUUHVSRQGMQPB

On mesure la masse G·HMX TXL HVP SMVVpH VRXV IRUPH JM]HXVH HP RQ HQ GpGXLP OM YMOHXU GH OM ŃOMOHXU OMPHQPH GX

ŃOMQJHPHQP G·pPMPB

masse du ballon m1 """""""JB

9HUVHU HQYLURQ 200 PI G·HMX GMQV OH NMOORQB 3HVHU O·HQVHPNOH "BB"""BB J ; en déduire la masse H[MŃPH G·HMX

contenue dans le ballon : PMVVH G·HMX m2 """"BB"BBJ.

PMVVH GH O·pSURXYHPPH : m3 ""BB""J

GMQV XQ PMNOHMX UHOHYHU OM PHPSpUMPXUH GH O·HMX PRXPHV OHV PLQXPHVB

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$UUrPHU OH ŃOMXIIMJH HP OHV PHVXUHV ORUVTXH YRXV MXUH] UpŃXSpUH] VXIILVMQP G·HMX j OM VRUPLH GX

réfrigérant. (environ une cinquantaine de mL). Retirer le ballon du chauffe ballon pour éviter que la

vaporisation ne se poursuive.

PMVVH GH O·HMX UpŃXSpUpH : m4 """"""""J

Tableau de mesures :

Tracer le graphe = f(t)

A partir du graphe GpPHUPLQHU OM SXLVVMQŃH IRXUQLH SMU OH ŃOMXIIMJH j O·HMXB

1RPHU O·LQGLŃMPLRQ GH OM SXLVVMQŃH QRPLQMOH VXU OM SOMTXH VLJQMOpPLTXH GX ŃOMXIIH NMOORQB

(Q GpGXLUH OM YMOHXU GH OM ŃOMOHXU OMPHQPH GH YMSRULVMPLRQ GH O·HMXB

La comparer à la valeur théorique.

RHŃHQVHU OHV ŃMXVHV G·HUUHXUV SRVVLNOHV PMQLSXOMPLRQ PMPpULHO ¾ Auto-évaluez votre niveau en cochant la case correspondante ÓH VMLV " ... Décrire les trois états de la matière ... Citer les différents changements d·état

... Tracer et exploiter la courbe de changement de phase d·une espèce pure à pression constante

... Exploiter le diagramme d·équilibre de l·eau (courbe P=f(T))

... Définir la chaleur latente de transformation ou encore enthalpie de changement d·état physique

... Définir le taux d·humidité t(min) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 11 11 12 13 14 (°C) t(min) 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 (°C)quotesdbs_dbs29.pdfusesText_35

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