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Ce chapitre de physique chimie vous aidera lorsque vous commencerez vos révisions pour l'épreuve de physique chimie au Bac Pro.

 

Confort dans la maison et dans l’entreprise

 

1.   Comment chauffer ou se chauffer ?

 

1.1 Pourquoi le métal semble-t-il plus froid que le bois ?

 

Les métaux sont en général des bons conducteurs de chaleur, alors que le bois qui est un isolant. Quand on touche un objet, si la température de notre corps est plus grande que celle de l’objet, une partie de notre chaleur est transféré vers l’objet. Le transfert de chaleur continue juste qu’à ce que la température de l’objet est égale à celle de notre corps.

 

-          Si l’objet est un isolant (ici le bois), la chaleur transférée reste en place. La différence de température diminue rapidement, donc il y a moins de transfert de chaleur entre notre corps et l’objet.

 

-          Si l’objet est bon conducteur (ici le métal), la chaleur est transmise dans les autres parties de l’objet. La différence de température diminue lentement, donc il y a plus de transfert de chaleur entre notre corps et l’objet.

En fait, c’est la quantité de chaleur transférée et non la différence de température qui procure la sensation de froide ou de chaud. Dans ce cas, on a apporté une quantité d’énergie sous forme chaleur pour chauffer l’objet.

 

 

1.2 Comment utiliser l’électricité pour chauffer ou se chauffer ?

 

a) L’effet Joule

 

L'effet Joule est un effet thermique qui se produit lors du passage du courant électrique dans un conducteur. Il se manifeste par une augmentation de sa température.

La chaleur produite peut être transférée par le transfert de chaleur (un mode de transfert d’énergie quand les deux corps se touchent) ou elle va se propager, soit par conduction (dans les solides), par convection (dans les fluides, par exemple le vent).

Un corps chaud émet aussi des rayons infrarouges qui peuvent chauffer les objets qui les absorbent. C’est un mode de transfert d’énergie à distance par les rayons infrarouges, par exemple la lampe à incandescence.

 

b) Dipôles ohmiques

 

Les  dipôles ohmiques transforment intégralement l’énergie électrique reçue en énergie thermique. Pour ce type de dipôle, on peut calculer :

 

1)      La puissance dissipée par effet Joule

Avec :  P la puissance en Watt [W]

U la tension entre deux bornes du dipôle en Volt [V]

R la résistance électrique du dipôle en Ohm [Ω]

 

2)      L’énergie dissipée par effet Joule

Avec :  E l’énergie en Joule [J]

P la puissance en Watt [W]

t le temps en seconde [s]

 

1.3 Comment utiliser un gaz ou un liquide inflammable pour chauffer ou se chauffer ?

 

Pour chauffer ou se chauffer, on utilise très souvent la combustion d’un gaz ou d’un liquide inflammable. La combustion est une réaction chimique entre d’un combustible (éthanol, fuel, etc.) et l’oxygène, et qui dégage beaucoup d’énergie sous forme chaleur.

La combustion complète donne du gaz carbonique CO₂ et de l’eau H₂O. La combustion incomplète, souvent dans les conditions où il manque de l’oxygène, peut produire aussi du carbone C et le gaz monoxyde de carbone CO.

 

Exemple : la combustion complète du méthane CH4

CH₄ + O₂ -> CO₂ + H₂O

 

Dans une réaction chimique, le nombre d’atomes doit être conservé. Donc il faut équilibrer l’équation de la réaction en mettant des coefficients. Par exemple, dans le cas de la combustion complète du méthane, le nombre de CO₂ est égal au nombre de carbone C (ici 1) dans la molécule CH₄, le nombre de H₂O est égale à un demi du nombre de H dans la molécule CH₄ (ici 4/2 = 2). On compte le nombre d’Oxygène O dans les produits CO₂ et H₂O (après avoir mis les coefficients) et ça fait 4, donc le nombre de molécules O₂ nécessaires est 4/2 = 2. On obtient l’équation :

 

CH₄ + 2 O₂ -> 1 CO₂ + 2 H₂O

 

2. Est-il possible de concilier confort et développement durable

 

Pour concilier confort et développement durable, une des façons est d’économiser de l’énergie, soit par l’augmentation le rendement des appareils et des systèmes de chauffage, soit par l’amélioration de l’isolation du bâtiment, etc.

 

2.1 Le rendement des appareils et systèmes de chauffage

 

Dans tous les appareils et systèmes de chauffage, il y a toujours une perte d’énergie due aux plusieurs raisons : frottement, mauvaise isolation, etc.

Le rendement est le rapport entre l’énergie utile et l’énergie totale, avec l’énergie utile est l’énergie totale moins la perte d’énergie :

 

            Avec E l’énergie et P la puissance

 

Plus le rendement est grand, plus la perte d’énergie est petite, donc on peut économiser d’énergie.

 

La puissance est la quantité d’énergie par unité de temps. Son unité est J/s = Watt [W]

Avec :   P la puissance en Watt [W]

E l’énergie en Joule [J]

t le temps en seconde [s]

 

2.2 Le flux thermique à travers une paroi

 

La conductivité thermique λ caractérise le comportement d’un matériau lors du transfert thermique. Plus la conductivité thermique λ  est élevée et plus le matériau conduit bien la chaleur et moins il est un bon isolant. Elle se mesure en W/(m.°C)

 

La résistance thermique R d’une paroi caractérise son capacité à s’opposer au passage de la chaleur. Elle se mesure en m².K/W. Plus la paroi est épaisse et plus elle est un bon isolant, donc la résistance R est proportionnelle avec l’épaisseur de la paroi e.

 

Avec  :

R la résistance thermique en m².K/W

e l’épaisseur de la paroi en mètre  

λ la conductivité thermique en W/(m.°C)

Dans le cas où la paroi est composée de plusieurs couches de différents matériaux, sa résistance totale est égale à la somme des résistances des couches.

 

Le flux à travers une paroi 

 

Loi de Fourier donne la quantité de chaleur Q transmise à travers une paroi pars conduction dans un temps Δt :

Avec  :

Q la chaleur en Joule

λ la conductivité thermique en W/(m.°C)

S l’aire de la surface d’échange en m²

θ₁ la température de la zone froide en °C

θ₂ la température de la zone chaude en °C

Δt : durée en seconde

e : épaisseur en mètre 

 

Le flux thermique Φ représente l’énergie thermique qui traverse la paroi par unité de temps. Il est mesuré par W (énergie par unité de temps) :

 (Pour voir les formules et figures correctement, télécharger la fiche complète gratuitement en cliquant sur le bouton "Voir ce document")

 

2.3 Qu’est-ce qu’une pluie acide ?

 

Le pH mesure l’acidité ou la basicité d’une solution. Dans un milieu aqueux à 25 °C :

§  une solution de pH = 7 est dite neutre ;

§  une solution de pH < 7 est dite acide ; plus son pH s'éloigne de 7 (diminue) et plus elle est acide ;

§  une solution de pH > 7 est dite basique ; plus son pH s'éloigne de 7 (augmente) et plus elle est basique.

Le pH peut se mesurer de différentes façons :

§  un pH-mètre

§  un indicateur coloré : ce sont des molécules qui ont la capacité de changer de couleur en fonction du pH de leur milieu environnant.

§  du papier-pH si : au contact avec la solution, le papier va changer de couleur, bleu si la solution est basique, rouge si la solution acide.

Calculer le pH d'une solution aqueuse

où [H₃O⁺] est la concentration en mol/L de l’ion oxonium.

 

2.4 Pourquoi adoucir l’eau ?

 

Dans l’eau naturelle, il y a toujours des ions calcium [Ca²⁺] et magnésium [Mg²⁺]. Si on utilise cette eau pour la lessive, ces ions vont réagir avec les ions [OH^-] dans la lessive et former du précipité Ca(OH)₂ et Mg(OH)₂. Une partie de la lessive est perdu et de plus, les vêtements sont salis par le précipité. C’est pourquoi il faut adoucir l’eau.

 

La dureté d’une eau ou titre hydrotimétrique TH est la teneur en ions calcium ou magnésium de cette eau. La dureté s’exprime en  degré français (symbole °f) en : 1 degré français correspond à 10^-4 mol d’ions [Ca²⁺] et [Mg²⁺] par litre d’eau :

 

Pour déterminer expérimentalement le degré hydrotimétrique d’une eau, on peut utiliser un bandelette test ou réaliser un dosage des ions [Ca²⁺] et [Mg²⁺].

Le TH peut être diminué par l’utilisation des adoucisseurs. Le principe est d’échanger les ions [Ca²⁺] et [Mg²⁺] par des ions [Na⁺].