Bac s 2013 Amérique du sud correction ©








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Bac S 2013 Amérique du sud CORRECTION © http://labolycee.org

EXERCICE I. TRANSFERTS D'ÉNERGIE (7,5 points)
1. Isolant thermique : faire le bon choix
1.1. Le transfert thermique s'effectue de la maison de température θ2 = 20 °C (source chaude) vers le grenier de température θ1 < θ2 (source froide).

1.2. La valeur du flux thermique est égale à :

= 2,0×103 W = 2,0 kW.
1.3. Pour isoler correctement, Frédéric doit choisir le matériau conduisant le moins facilement la chaleur, donc le matériau dont la conductivité thermique λ est la plus faible : le polystyrène extrudé.
1.4. D'après l'énoncé, si on colle une paroi sur le sol du grenier, la résistance totale sera la somme de la résistance du sol et de celle de la paroi : Rtot = Rsol + Rparoi.

Calculons Rparoi : Rparoi = Rtot – Rsol = 6,3×102 – 7,5×103 = 6,3×10–2 – 0,75×10–2 = 5,6×102 K.W -1.
1.5.1. La relation entre résistance thermique et conductivité thermique est :

Vérifions la par analyse dimensionnelle :

e est une longueur : dim(e) = L

S est une surface : dimS) = L2

λ est une conductivité thermique exprimée en W.m-1.K -1 : d'après les unités, dim(λ) = P.L-1-1.

R est une résistance thermique exprimée en K.W-1 : d'après les unités, dim(R) = θ.P-1

Vérifions la dimension de : = = =

On vérifie bien que = dim(R)
1.5.2. Epaisseur minimale du panneau du matériau :











L'épaisseur minimale du panneau doit être de 0,15 m soit 15 cm.

2. Principe d'un chauffe-eau solaire
2.1. Les trois modes de transfert thermique sont :

  • conduction : elle nécessite un milieu matériel. L'énergie est transportée de proche en proche, généralement dans un solide, sans déplacement de matière.

  • convection : elle nécessite un milieu matériel. L'énergie est transportée par des mouvements de matière, au sein d'un gaz ou d'un liquide.

  • rayonnement : elle ne nécessite pas de milieu matériel. L'énergie est transportée par des ondes électromagnétiques.


2.2. Mode de transfert thermique qui intervient :

  • au niveau du capteur solaire (1), c’est le rayonnement car le capteur reçoit le rayonnement électromagnétique provenant du Soleil,

  • au niveau de l'échangeur thermique (3), c’est la conduction car l'énergie traverse la paroi solide de l'échangeur thermique,

  • à l'intérieur du ballon de stockage (5), c’est la convection : l'énergie est transportée par le mouvement de l'eau sanitaire.


2.3. L'énergie interne est liée à l'agitation thermique des molécules d'eau. Plus la température est élevée, plus l'agitation thermique est importante : l'énergie interne augmente donc avec la température.

3. Bilan thermique
3.1. Les micro-ondes sont des ondes électromagnétiques dont la fréquence f est égale à 2,45×109 Hz.
3.2. La longueur d'onde des micro-ondes du four est :

= 0,122 m
3.3. V = 250 mL = 0,250 L et Δθ = 90 – 10  = 80 °C.

La variation d'énergie interne de l'eau est égale à : ΔU = m.Ceau.Δθ

Or m = ρeau.V ainsi ΔU = ρeau.V.Ceau. Δθ

ΔU = 1,00 × 0,250 × 4180 × 80 = 8,36×104 = 8,4×104 J avec deux chiffres significatifs.
3.4. En admettant que toute la puissance du four serve à chauffer l'eau, la durée de chauffage sera :

E = P.Δt

Δt = =

Δt = = 93 s, soit un peu plus d’une minute et demie.

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