Série stl spécialité sciences physiques et chimiques en laboratoire
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BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE SESSION 2014 Série STI2D Série STL spécialité sciences physiques et chimiques en laboratoire PHYSIQUE-CHIMIE Durée : 3 heures Coefficient : 4 CALCULATRICE AUTORISÉE L’emploi de toutes les calculatrices programmables, alphanumériques ou à écran graphique est autorisé à condition que leur fonctionnement soit autonome et qu’elles ne soient pas connectables à un réseau. Ce sujet comporte 14 pages numérotées de 1/14 à 14/14. Avant de composer, assurez-vous que l’exemplaire qui vous a été remis est bien complet. La page 14/14 où figure le document réponse est à rendre avec la copie. Lors des applications numériques, les résultats seront donnés avec un nombre de chiffres significatifs cohérent avec ceux de l’énoncé et une attention particulière sera portée aux unités utilisées. La clarté des raisonnements et la qualité de la rédaction interviendront dans l’appréciation des copies. Les parties du sujet sont indépendantes et peuvent être traitées séparément dans l’ordre choisi par le candidat. IMPACT ÉNERGÉTIQUE D’UNE PISCINE L’heure est aux « économies d’énergie » ! L’écologie fait son chemin et nous nous interrogeons de plus en plus sur l’impact écologique de notre mode de vie. La consommation énergétique est devenue un véritable argument de vente (appareils électroménagers, véhicules, logements,…). Il est donc normal de se demander dans le cadre de notre étude : Quel est l’impact énergétique de sa piscine ? Un certain nombre de questions sous-jacentes se posent alors.
Il existe globalement trois domaines de consommation dans une piscine :
L’étude qui vous est proposée comporte trois parties qui peuvent être traitées indépendamment les unes des autres. PARTIE A : évaluation des pertes thermiques du bassin principal. PARTIE B : étude et dimensionnement du chauffage à énergie solaire. PARTIE C : traitement et filtration de l’eau de bassin. Notation : Pour l’ensemble du sujet, on notera T(K) la température en kelvin et θ (°C) la température en degré Celsius. On rappelle que T(K)= 273 + θ(°C) PARTIE A : Évaluation des pertes thermiques du bassin principal. Données pour la PARTIE A : Masse volumique de l’eau ρ = 1000 kg.m-3 Célérité de la lumière : c = 3,00.108 m.s-1 A-1 - Le rayonnement solaire Avant d’effectuer un bilan thermique sur l’eau de bassin au cours d’une journée, il est nécessaire d’évaluer la puissance du rayonnement solaire qui parvient sur la Terre. A-1-1- À l’aide de la distribution spectrale de l’énergie solaire, document ressource n°1 page 5/14, estimer les longueurs d’ondes, minimale et maximale, du rayonnement visible. A-1-2- Parmi les trois domaines de rayonnement, lequel possède les radiations les plus énergétiques ? Justifier votre réponse. A-1-3- Donner une explication de la différence observée entre le spectre « hors atmosphère » et le spectre « au niveau de la mer ». A-1-4- Le maximum du spectre se situe pour = 550 nm, déterminer la fréquence f (en hertz) correspondant à cette radiation. A-1-5- Cette radiation est liée à la température de couleur du corps qui l’émet selon la loi de Wien énoncée ci-dessous : = B/T avec B = 2,9.10-3 K.m, T est la température en K et la longueur d’onde en m. En considérant que le Soleil obéit à cette loi, déterminer la température de surface, Ts, du Soleil. A-1-6- En s’aidant des renseignements fournis, document ressource n°2 page 5/14, effectuer un bilan de l’irradiation solaire sur le document réponse n°1 (DR1) page 14/14. A-2- Échanges thermiques moyens sur une journée Une piscine subit de multiples déperditions d’énergie sous forme thermique, qu'elle soit enterrée ou hors sol. Ces pertes correspondent aux échanges thermiques qui ont lieu entre l'eau et son milieu environnant (parois de la piscine, air extérieur…). Une partie de l'eau s'évapore, amplifiant ainsi ce phénomène de déperdition thermique. A-2-1- D’après le document ressource n°3 page 5/14, citer les trois différents modes de transferts thermiques mis en évidence sur ce bassin. La piscine est essentiellement constituée d’un bassin extérieur. Ses caractéristiques géométriques sont les suivantes : elle est de forme rectangulaire, mesure 10 m de long, 5,0 m de large et sa profondeur moyenne est de 1,2 m. A-2-2- Calculer le volume V, en m3, d’eau nécessaire au remplissage de ce bassin. En déduire la masse M, en kg, d’eau présente sachant que la masse volumique de l'eau vaut ρ = 1000 kg.m-3. A-2-3- Calculer l’énergie nécessaire, exprimée en J, pour augmenter la température de l'eau de la piscine de 1°C. La capacité thermique massique de l'eau est : ceau = 4180 J.kg-1.K-1 A-2-4- Durant la journée, l'eau se réchauffe grâce au rayonnement solaire. Les estimations se basent sur le fait que l'eau de la piscine reçoit une puissance thermique moyenne P1 = 170 W.m-², pendant une durée de 12 h. A-2-4-a- Calculer l'énergie Q1 absorbée par l'eau pendant ces 12 h. A-2-4-b- Calculer pour cette eau, l'augmentation de température Δθ1 qui en résulte. A-2-4-c- Quelle doit-être la température initiale de l’eau pour atteindre 25°C ? A-2-5- Pendant la nuit, l'eau de la piscine rayonne de l'énergie vers l'atmosphère. On considère que l'eau se comporte comme un corps noir ; on admet que sa température est de 25°C. A-2-5-a- Calculer la puissance P2 perdue par rayonnement par cette eau, par m² de surface, en appliquant la loi de Stéfan, énoncée ci-dessous : P = σ.T4 P est la puissance thermique rayonnée en W.m-2. T est la température en K. σ est une constante : σ = 5,67.10-8 W.m-2.K-4. A-2-5-b- Comparer P2 à P1. En déduire la baisse de température Δθ2 qui se produit pendant une nuit de 12 h. A-2-5-c- Proposer une solution simple pour éviter ces déperditions thermiques la nuit. Document ressource n°1 : distribution spectrale de l’énergie solaire  Le rayonnement solaire se répartit sur le spectre des longueurs d’ondes de la manière suivante : 3% de rayonnement UV, 42% de rayonnement visible, 55% de rayonnement IR. Source : L’énergie en 2050 de B. Wiesenfeld Document ressource n°2 : Soleil et énergie Le soleil est notre plus grande source d’énergie, il constitue un gigantesque réacteur thermonucléaire dans lequel, chaque seconde, 600 millions de tonnes d’hydrogène sont transformées en hélium lors de réactions de fusion. La puissance surfacique moyenne reçue au-dessus de l’atmosphère terrestre est de 340 W.m-2
Source : L’énergie en 2050 de B. Wiesenfeld Document ressource n°3 : transferts thermiques  PISCINE Source : www.thermexcel.com PARTIE B : Étude et dimensionnement du chauffage À Énergie solaire. B-1 Chauffage solaire pour piscine extérieure Pour compenser les pertes thermiques et avoir une plus grande plage d’utilisation de la piscine, on utilise des panneaux solaires thermiques. B-1-1- Dégager deux principaux atouts pour chacun des panneaux présentés sur le document ressource n°4 page 8/14. B-1-2- Sachant que la piscine est entourée de végétation, doit-on plutôt utiliser des panneaux tubes ou des panneaux plats ? Justifier votre réponse. B-1-3- Afin d’estimer la surface de capteurs nécessaire au chauffage du bassin, on se réfère à la documentation technique fournie dans les documents ressource n°5 page 9/14. Quelle surface de panneaux doit-on commander pour maintenir la température de l’eau à 23,5°C ? Justifier votre réponse. On rappelle que la surface de la piscine est de 50 m2. B-1-4- La mise en œuvre de systèmes de capteurs solaires pour le chauffage des piscines est une utilisation économique de l’énergie solaire. Elle est subventionnée par la région et par l’ADEME à hauteur de 30%. Estimer alors le coût de l’opération pour le particulier. B-2 Étude de quelques éléments de l’installation L’installation décrite sur le document ressource n°6 page 10/14 utilise une sonde Pt 1000. Cette sonde est constituée d’une résistance en platine (Pt) dont la valeur en ohms dépend de la température selon le graphe ci-dessous :  B-2-1- Donner la valeur de la résistance de la sonde à la température 0°C. Justifier alors le nom de cette sonde : Pt 1000. B-2-2- Sachant que la température de l’eau ne doit ni être inférieure à 10°C ni supérieure à 30°C, déterminer en ohms les valeurs extrêmes de la résistance de la sonde de température. On notera R(10) la valeur de la résistance pour θ = 10 °C et R(30) la valeur de la résistance pour θ = 30°C. B-2-3- La sonde de température est reliée au système de contrôle. Après conditionnement électrique, on obtient en sortie une tension électrique U (en Volt) liée à la résistance R(θ) par une relation de la forme : U = 10 + 0,05.R(θ) Déterminer les valeurs de la tension en sortie du conditionneur correspondant aux valeurs extrêmes de la résistance R(θ) ; on les notera U(10) et U(30). B-2-4- Déterminer la sensibilité s de l’ensemble « sonde de température et conditionneur » définie par :  . Donner son unité.B-2-5- Au niveau de « la vanne 3 voies », un régulateur électronique contrôle la température de l’eau et la compare à une température de consigne notée θc (fixée par l’installateur). Il élabore une tension de commande Vs telle que :  .Déterminer la valeur de Vs lors du déclenchement de la pompe. Ce déclenchement se produit pour un écart de température (θc - θeau) de 4,0°C. B-2-6- Sachant que la valeur maximale que peut délivrer le régulateur est Vsmax = 12 V, quel est l’écart maximal de température Δθmax = (θc - θeau) que peut mesurer le régulateur ? Document ressource n°4 : Les catégories de panneaux et leurs atouts Un système de chauffage solaire de l’eau des bassins de piscines utilise des panneaux solaires spécifiques à cet usage. Ce type de panneau est caractérisé par l’absence de couverture transparente vitrée, de support et de couche d’isolation thermique, ce qui le rend moins cher. Généralement constituée de matière plastique ou de caoutchouc, cette solution évite les problèmes de corrosion. On a le choix entre deux formes différentes :
Ce système présente également l’avantage de ne pas avoir de rainures dans lesquelles les poussières ou feuilles peuvent s’accumuler et se solidifier. L’effet auto-nettoyant de la pluie est alors meilleur.  Source : IST Energieplan GmbH Documents ressource n°5 : Dimensionnement et coût 
Document ressource n°6 : principe de fonctionnement et schéma de l’installation Principe de fonctionnement Les systèmes solaires de chauffage des piscines sont généralement installés sur la toiture disponible mais il est aussi possible de les installer au sol. Comme pour les autres applications de l’énergie solaire, un emplacement sans ombrage sera nécessaire au bon rendement du système. L’eau filtrée est détournée vers le système de panneaux avant le traitement chimique nécessaire. Un système de commande automatique simple permet le contrôle de la température. La mise en route de la circulation de l’eau dans les panneaux peut être automatiquement activée quand la température du bassin descend sous un seuil spécifique. Pour cette raison, une sonde de température est connectée au système de commande. Après avoir été chauffée, l’eau retourne dans le bassin. Schéma de l’installation 
PARTIE C : traitement et filtrage de l’eau. Le système (pompage + filtration) doit assurer une parfaite gestion des eaux de bassin tout en maintenant un confort pour la baignade. Parfois, Il peut s’avérer nécessaire de devoir vidanger le bassin rapidement (en une nuit ou en 8 heures). C-1- Filtrage de l'eau C-1-1- Sur la partie la plus profonde de la piscine, la hauteur d’eau est H = 1,8 m, déterminer la pression P s’exerçant au fond de la piscine. On rappelle que : g = 9,81 m.s-2 ; la pression atmosphérique P0 = 1,0.105 Pa ; la masse volumique de l'eau ρ = 1000 kg.m-3. C-1-2- Afin d’assurer la circulation de l’eau dans les différentes parties de filtration, on utilise une pompe située dans le local technique. Le diamètre du tuyau d’arrivée de l’eau est d = 6,0 cm, et le débit volumique moyen de la pompe est Qv = 4,0.10-3 m3.s-1 (ou 4,0 L.s-1). C-1-2-a- Calculer la vitesse d'aspiration v (en m.s-1) de l'eau au niveau de l'orifice. On donne la relation :  où S est la surface de la section en m2.C-1-2-b- Sachant que la totalité de l'eau contenue dans la piscine doit être recyclée en huit heures au maximum, le débit assuré par la pompe est-il convenable ? On précise que le volume total d’eau est de 60 m3. C-2-Traitement de l'eau L’eau de la piscine est un milieu vivant qui évolue sans cesse et rapidement selon la température, le temps, les pollutions par l’environnement (pollen, insectes, végétaux…), le nombre de baigneurs, les crèmes solaires, etc.… Le pH fait partie de l’analyse de l’eau (avec l’analyse du taux de désinfectant) et il doit être mesuré de manière régulière. C’est une des premières étapes du traitement de l’eau. Le pH d’équilibre de l’eau est déterminé le jour du remplissage de la piscine. Il est alors stable. Il doit ensuite être maintenu entre 7,2 et 7,6. C-2-1- En vous référant au document ressource n°7 page 13/14, donner les conséquences d’une modification du pH en remplissant le document réponse 2 (DR2) page 14/14. C-2-2- L’eau de la piscine possède un pH de 8, est-elle acide ou basique ? Justifier votre réponse. C-2-3- Calculer la concentration molaire (en mol.L-1) en ions oxonium, notée  .On donne la relation :  C-2-4- Pour retrouver le pH idéal de l'eau, on utilise du réducteur de pH, sur l’étiquette duquel figure un pictogramme de sécurité (voir document ressource n°8 page 13/14). Quelle est la signification de ce pictogramme ? Quelle(s) précaution(s) faut-il adopter ? C-2-5- Citer un produit, parmi les suivants, qui pourrait remplacer le réducteur de pH ? Justifier votre réponse.
C-2-6- Écrire l’équation de la réaction de neutralisation entre les ions oxonium H3O+ et hydroxyde HO- . On donne les couples acides bases mis en jeu : H3O+ / H2O et H2O / HO- C-2-7- Après avoir utilisé le produit ménager cité en C-2-5-, le pH est ramené à une valeur de 7,6. On souhaite ensuite le stabiliser à une valeur 7,3 en rajoutant du réducteur de pH (voir document ressource n°8 page 13/14). Calculer la nouvelle concentration molaire en ions oxonium H3O+. C-2-8- En vous référant au tableau du document ressource n°8 page 13/14, déterminer la masse en g de réducteur de pH nécessaire. On précise que le volume total d’eau est de 60 m3. Document ressource n°7 Atteindre un degré de pH idéal est important pour plusieurs raisons :
Document ressource n°8 Quantité nécessaire de réducteur de pH à verser (en g.m-3)
 DOCUMENTS REPONSES (à rendre avec la copie) DR 1 : Bilan de l’irradiation solaire sur la Terre (question A-1-6)  DR 2 : Conséquences d’une modification du pH (question C-2-1)   /14 14PY2DSPNC3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
