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BACCALAURAT TECHNOLOGIQUE

- Session 2015 -

Sciences et Technologies de l'Industrie

et du Dveloppement Durable

et

Sciences et Technologies de Laboratoire

spcialit Sciences Physiques et Chimiques en

Laboratoire

preuve de PHYSIQUE-CHIMIE

EPREUVE DU MERCREDI 24 JUIN 2015

Dure de l'preuve : 3 heures

Coefficient : 4

Ds que le sujet vous est remis, assurez-vous quil est complet.

Ce sujet comporte 13 pages numrotes de 1/13 13/13.

Les annexes page 13/13 sont rendre avec la copie.

L'usage d'une calculatrice est autoris.

Il est rappel aux candidats que la qualit de la rdaction, la clart et la prcision des explications entreront dans l'apprciation des copies. Toute rponse devra tre justifie

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LHORIZON 2020

Vritables gouffres nergtiques voil encore quelques annes, les nouvelles

constructions sont aujourdhui basse consommation, voire nergie positive ... Le choc ptrolier doctobre 1973 a engendr une prise de conscience sur la ncessit de

revoir les habitudes de consommation et de construction. Le btiment, secteur vital pour lconomie franaise, a ainsi t, lanne suivante, soumis une nouveaut qui perdure encore et

trouve plus que jamais son actualit : la rglementation thermique . Un challenge voulu par le Grenelle de lenvironnement stipule que toutes les constructions neuves faisant lobjet dune demande de permis de construire dpose compter de la fin 2020 prsentent, sauf exception, une consommation dnergie primaire infrieure la quantit dnergie renouvelable produite dans ces constructions.

Extrait de la brochure Ademe et Vous N60 - Novembre 2012

Les btiments nergies positives, communment appels BEPOS, sont des btiments qui produisent davantage dnergie quils nen consomment. Depuis quelques annes, lADEME (Agence De lEnvironnement et de la Maitrise de lnergie) lance rgulirement des appels projets dont les objectifs techniques sont principalement la matrise des consommations dnergie, lintgration dnergies renouvelables et la diminution des missions de gaz effet de serre.

Le conseil municipal dune commune envisage la construction dun BEPOS abritant un ple

de sant. Ltude du projet est confie une quipe constitue dexperts. Les points suivants seront tudis :

Partie A : la conception du btiment Partie B : lintgration des nergies renouvelables Partie C : lutilisation de lhydrogne, un vecteur nergtique

Les parties peuvent tre traites dans lordre de votre choix. la fin de chaque partie, vous trouverez les documents ncessaires la rsolution de certaines questions.

Les annexes 1 et 2 en fin de sujet sont rendre avec la copie.

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Partie A La conception du btiment

Les matriaux constituant les diffrents lments dun BEPOS sont minutieusement choisis

pour assurer une bonne isolation. On tudie le choix des lments suivants :

le matriau changement de phase contenu dans les dalles de mortier ;

les fentres. A.1. Le Matriau Changement de Phase (MCP) des dalles de mortier Les plafonds et planchers seront construits avec des dalles de mortier dont les alvoles contiennent un MCP.

Les MCP trs utiliss dans le btiment sont base de paraffines ; le choix, qui dpend

entre autres de la temprature de changement dtat solide-liquide et de lenthalpie de fusion, doit se faire entre lheptadcane C17H36 et loctadcane C18H38.

On dispose de tous les renseignements ncessaires concernant loctadcane ; par contre, pour lheptadcane, il faut dterminer exprimentalement la temprature de changement dtat solide-liquide et lenthalpie de fusion. A.1.1. Les MCP base de paraffines sont des matriaux organiques. Pourquoi sont-ils qualifis

dorganiques ? A.1.2. En utilisant le document A1, expliquer brivement pourquoi un MCP permet de limiter les

besoins en chauffage. A.1.3. On dtermine dans un premier temps la temprature de changement dtat solide-liquide de

lheptadcane.

A.1.3.1. Expliquer ce qui a lieu au niveau microscopique lors de la solidification de lheptadcane.

A.1.3.2. En utilisant le document A2, dterminer la temprature de changement dtat

solide-liquide de lheptadcane. A.1.4. Lenthalpie de fusion de lheptadcane est dtermine exprimentalement suivant le

protocole dcrit dans le document A3.

A.1.4.1. En exploitant les rsultats du document A3, effectuer un bilan nergtique pour en dduire lenthalpie de fusion de lheptadcane. Vrifier que la valeur obtenue est Hf = 2,35.102 kJ.kg-1.

A.1.4.2. Dans les conditions de lexprience prcdente, on admet que lincertitude de

lenthalpie de fusion est telle que : o UEeau = 0,4.103 J et

Eeau = 3,53.103 J.

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A.1.4.2.1. Citer deux sources derreurs possibles dans cette exprience.

A.1.4.2.2. Calculer avec un chiffre significatif lincertitude de mesure de

lenthalpie de fusion de lheptadcane. A.1.4.2.3. On prsente souvent un rsultat de mesure sous la forme dun

intervalle encadrant la valeur exacte avec une probabilit de 95%. Les limites de lintervalle sont : valeur minimale = rsultat de la mesure 2 x lincertitude calcule ; valeur maximale = rsultat de la mesure + 2 x lincertitude calcule.

Calculer les valeurs encadrant la mesure de lenthalpie de fusion. A.1.5. Voici les renseignements trouvs pour loctadcane, qui est lautre matriau changement

de phase propos par le chef de projet :

la temprature de changement dtat solide-liquide : 28C lenthalpie de fusion : Hf octadcane = 244 kJ.kg-1.

Quel MCP conseillez-vous ? Justifier votre rponse.

A.2. Les fentres Pour les fentres, les deux modles prsents dans le document A4 ont t slectionns pour finaliser le choix. Une tude est effectue pour une fentre de surface 1 m2. A.2.1. En exploitant les documents A4 et A5, calculer la rsistance thermique Rth,triple dune

surface de 1m2 du triple vitrage avec lames dair. A.2.2. Faut-il plutt choisir la fentre double vitrage lame de krypton ou la fentre triple vitrage

lames dair ? Justifier laide des documents A4 et A5.

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Document A1 Matriaux changement de phase

Les Matriaux Changement de Phase MCP (PCM Phase Change Material) ont pour particularit de pouvoir stocker de lnergie. De lnergie est absorbe lors du passage de ltat solide ltat liquide et elle est restitue lors du passage inverse..

On retrouve les matriaux changement de phase dans le btiment principalement sous la forme de plaques o les MCP sont

encapsuls. . Le changement de phase a lieu, selon

les matriaux (paraffine, acides gras, ), entre 18C et 28C, tempratures correspondant aux valeurs limites respectivement fixes pour le confort dhiver et dt.

Daprs le dossier thmatique Les matriaux changement de phase

Chambre rgionale de commerce et dindustrie Rhone-Alpes

Document A2 Courbe de refroidissement de lheptadcane

Dfinitions

Le passage dun tat physique de la

matire un autre est appel changement

de phase, ainsi on peut dire par exemple

que la glace change de phase 0C et se

transforme en eau.

Lenthalpie de fusion est lnergie

dnergie ncessaire au changement

de phase solide/liquide dun matriau ;

elle sexprime en J/kg.

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Document A3 nergies changes au cours dun changement dtat de lheptadcane

Protocole pour dterminer lenthalpie de fusion de lheptadcane, dans un local o la temprature ambiante est suprieure 24C.

Porter 200 g deau distille 30C et les verser dans un calorimtre considr comme parfaitement isol.

Introduire dans leau une sonde de temprature relie un systme dacquisition et lancer lacquisition des tempratures.

Prlever un morceau dheptadcane une temprature infrieure 24C et le laisser une temprature ambiante pour quil commence fondre : sa temprature correspond alors sa temprature de fusion.

Essuyer le morceau dheptadcane, le peser, le plonger dans leau et refermer rapidement le calorimtre.

Agiter de temps en temps le contenu et suivre lvolution de la temprature du mlange.

Lexprience est termine lorsque lheptadcane a totalement fondu. Lexploitation du relev de temprature a permis de calculer les nergies changes lors de la fusion de 15,0 g dheptadcane introduit dans le calorimtre :

nergie cde par leau prsente dans le calorimtre : Eeau = 3,52.103 J ; on suppose que le calorimtre ne participe pas aux changes thermiques.

Document A4 Deux types de fentres (Rsistances thermiques pour des fentres de 1m2)

Les fentres slectionnes sont constitues de parois de verre de 4 mm dpaisseur et de diffrents gaz :

la fentre bois-aluminium double vitrage avec lame de krypton ;

la fentre triple vitrage lames dair.

Type de vitrage Double vitrage

avec lame de krypton Triple vitrage

avec lames dair

Constitution : Les paisseurs des verres et des lames de gaz sont exprimes en millimtres. La surface est de 1m2

Rsistance thermique Rth (K.W-1) 1,78 Non renseign

Document A5 Rsistance thermique dun matriau pour des surfaces de 1m2

La rsistance thermique Rth donne une indication sur les proprits isolantes dun matriau : plus elle est leve, plus le matriau est isolant.

Lorsque plusieurs parois sont accoles, la rsistance thermique totale est gale la somme des rsistances thermiques.

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Partie B Lintgration des nergies renouvelables

Pour respecter la loi Grenelle 1 du 3 aot 2009, la production annuelle dnergie renouvelable du btiment BEPOS doit tre suprieure la consommation annuelle dnergie non renouvelable, qui est estime pour ce projet 66 MW.h (Mgawattheure).

Pour assurer cette production, on envisage dinstaller des panneaux solaires et deux oliennes. B.1. Panneaux solaires Des panneaux solaires photovoltaques doivent couvrir une surface de 98 m2. B.1.1. Sous quelle forme dnergie utile le panneau photovoltaque transforme-t-il lnergie

solaire ? B.1.2. Dans le projet, les panneaux solaires photovoltaques doivent contenir du silicium

polycristallin.

B.1.2.1. En utilisant le document B1, calculer lnergie minimale quun photon doit possder pour arracher un lectron du rseau du silicium. Exprimer le rsultat en joule. Donne. 1,0 eV = 1,6.10-19 J.

B.1.2.2. Sachant que la vitesse dune onde lectromagntique dans lair est

c = 3,0.108 m.s1, montrer que la longueur donde de londe associe ce photon est 1,1.10-6 m.

Donne. E = h. o E est lnergie du photon qui sexprime en joule (J), h est la constante de Planck gale 6,62.10-34 J.s et la frquence de londe associe qui sexprime en hertz (Hz).

B.1.2.3. Daprs le document B2, quel domaine du spectre solaire ce photon

appartient-il ?

B.1.2.4. Sachant que chaque panneau photovoltaque, de surface gale 1,65 m2, peut produire une puissance maximale de 235 W, calculer la puissance maximale que peuvent fournir les 98 m2 de panneaux photovoltaques que lon envisage dinstaller sur le toit.

B.1.2.5. En considrant un ensoleillement de 12 h en moyenne par jour, on montre que ces

panneaux photovoltaques peuvent produire une nergie de 2,2.1011 J en une anne. Vrifiez que ce rsultat est correct.

Donnes. E = P.t avec P la puissance exprime en watt (W), t la dure exprime en seconde (s) et E lnergie en joule (J).

B.1.3. Le chef de projet espre quavant la date limite de dpt du dossier, un autre type de

panneaux solaires plus performant sera commercialis : les panneaux photovoltaques triple jonctions. Ils remplaceraient alors ceux qui taient prvus.

En utilisant le document B1, expliquer pourquoi les panneaux photovoltaques triple jonctions sont plus performants que les panneaux photovoltaques au silicium polycristallin.

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B.2. Les oliennes

Le btiment doit tre quip de deux oliennes dont la description gnrale est indique dans le document B3. B.2.1. Les pales dune olienne en rotation sont soumises plusieurs actions mcaniques, dont

celle exerce par le vent et le poids. B.2.1.1. Citer une troisime action mcanique qui sexerce sur la pale dune olienne en

rotation.

B.2.1.2. Sur lannexe 1 rendre avec la copie, modliser le poids de la pale n1, sachant que sa valeur vaut 7600 N. Le point M est situ lextrmit de la pale et le point G le centre de gravit de la pale. chelle : 1,0 cm reprsente 4000 N.

B.2.1.3. Laction du vent peut tre modlise par deux forces :

la portance , qui permet de faire tourner le rotor ;

la traine , qui est une rsistance arodynamique dont la valeur est donne

par la relation : T = Cx S v2

Cx est le coefficient de traine ; il na pas dunit. est la masse volumique de lair ; elle sexprime en kg.m-3. S est la surface balaye par les pales de lolienne ; elle sexprime en m2. v est la vitesse du vent ; elle sexprime en m.s-1.

partir des units des grandeurs physiques, vrifier que la traine est une force.

B.2.2. Lorsque la vitesse du vent est suffisante, les pales se mettent en mouvement ; elles

exercent alors un couple de forces plus ou moins important sur le rotor.

B.2.2.1. Calculer la valeur C du moment du couple de forces exerc par les pales de lolienne, lorsquelles effectuent un tour complet. Donnes : travail dun couple de forces = moment du couple en N.m * angle de rotation en rad.

Travail du couple W = 2,0.102 J ; 1 tour = 2 rad = 360

B.2.2.2. En dduire la valeur de la puissance mcanique P dune olienne lorsque la

vitesse angulaire vaut 1500 tr/min.

Donne. P = C. P est la puissance mcanique, exprime en watt (W), C est le moment du couple

exprim en unit N.m et est la vitesse angulaire exprime en radian par seconde (rad.s-1).

B.3. Btiment BEPOS La consommation annuelle du btiment est estime 66 MW.h. Le btiment sera quip :

de deux oliennes ; pour chaque olienne, la dure moyenne de fonctionnement et la vitesse moyenne du vent permettent destimer que lnergie lectrique produite est de 8,0.103 kW.h ;

de panneaux solaires, qui fourniront 2,2.1011 J.

Pensez-vous que le btiment entrera bien dans la catgorie BEPOS ? Justifier.

Donne. quivalence entre wattheure (W.h) et joule (J) : 1,0 W.h = 3,6 kJ.

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Document B1 Cellules photovoltaques Une cellule photovoltaque est constitue dun matriau semi-conducteur comme le silicium polycristallin. Pour produire un courant lectrique, il faut arracher un lectron du rseau du semi-conducteur. Lnergie ncessaire peut tre fournie par un photon du rayonnement lectromagntique. Pour le silicium polycristallin, lnergie du photon doit au moins tre gale 1,12 eV. Une cellule au silicium polycristallin absorbe environ 20% des radiations visibles et infrarouges A (IR-A) du spectre solaire.

Cellule triple jonction : Prochainement, un autre type de cellule doit tre commercialis : la cellule photovoltaque triple jonction. Lune delles est constitue des couches minces suivantes :

une premire couche en phosphure dindium-gallium InGaP qui absorbe environ 55% des radiations ultraviolettes du spectre solaire ;

une seconde couche en arsniure de gallium GaAs qui absorbe environ 20% des radiations visibles du spectre solaire ;

une troisime couche en arsniure dindium-gallium InGaAs qui absorbe environ 40% des radiations infrarouges A et B du spectre solaire.

Document B2 Le spectre solaire Le spectre solaire se rpartit selon trois types de rayonnement :

les ultraviolets (UVA et UVB) qui reprsentent environ 5 % de la quantit totale du rayonnement solaire ;

la partie visible du spectre. Cest dans ce domaine visible que lnergie solaire est la plus intense. Elle reprsente 50 % de la quantit totale du rayonnement solaire ;

les infrarouges (IRA et IRB) qui reprsentent environ 45 % du spectre solaire.

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Document B3 Lolienne Une olienne est principalement constitue dun mt, de trois pales et dune nacelle qui renferme, entre autres, un rotor, un multiplicateur et un alternateur. Les pales de lolienne sont mises en mouvement par le vent et entrainent alors le rotor : celui-ci convertit lnergie cintique du vent en nergie mcanique sur larbre primaire tournant lentement, de 20 40 tr/min. Le multiplicateur, grce un systme dengrenages, permet daugmenter la vitesse de rotation. Larbre secondaire, qui relie multiplicateur et alternateur, a une vitesse proche de 1500 tr/min. Lalternateur transforme alors lnergie mcanique en nergie lectrique.

Pale

Pale

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Partie C - Lutilisation de lhydrogne, un vecteur nergtique

Compte tenu de ses quipements en nergies renouvelables, la production dlectricit

varie au cours de lanne. En juillet, mois densoleillement important et assez vent, la production dpasse largement la consommation. Au contraire, en fvrier, elle est infrieure la consommation.

Comme llectricit produite en surplus ne peut pas tre stocke, elle sera utilise pour produire du dihydrogne H2, qui sera stock dans des rcipients adapts.

Lorsque des besoins apparaitront, le dihydrogne stock alimentera alors une pile hydrogne : lnergie libre servira pour le chauffage et llectricit alimentera le btiment (chauffage lectrique dappoint, clairage, ). C.1. Le stockage du dihydrogne Le dihydrogne, substance inflammable et explosive, sera stock dans les locaux du btiment. Pour des raisons dencombrement, il sera comprim sous une pression trs leve dans des rservoirs adapts. C.1.1. Quel instrument de mesure permettra de contrler la pression du dihydrogne dans les

rservoirs de stockage ? C.1.2. Quels pictogrammes devront tre apposs sur ces rservoirs ?

Pictogramme 1 Pictogramme 2 Pictogramme 3 Pictogramme 4 Pictogramme 5 Pictogramme 6

C.2. La pile combustible Lorsque le btiment aura besoin dlectricit, il fera fonctionner sa pile combustible, alimente par le dihydrogne stock. En utilisant le document C1, rpondre au questionnaire choix multiple figurant sur lannexe 2 rendre avec la copie en cochant la bonne rponse. C.3. Limpact environnemental Comme la production et le stockage du dihydrogne sont coteux, on propose que les besoins en chauffage soient compenss par une petite chaudire condensation. C.3.1. La consommation annuelle de propane de cette chaudire slverait 1,3.105 mol de

propane. Dterminer la quantit de matire de dioxyde de carbone qui serait produite en une anne. Donne. Lquation de la raction chimique de la combustion du propane ayant lieu dans la

chaudire scrit : C3H8 (g) + 5 O2 (g) 3 CO2 (g) + 4 H2O (g)

C.3.2. En dduire la masse de dioxyde de carbone CO2 qui serait rejete dans latmosphre. Donne Masse molaire molculaire du dioxyde de carbone : M = 44,0 g.mol-1.

C.3.3. Les missions de dioxyde de carbone ont un impact environnemental : elles contribuent

laugmentation de leffet de serre. En exploitant le document C2, indiquer un autre impact environnemental.

C.3.4. Quel inconvnient prsente la chaudire condensation par rapport la pile hydrogne ?

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C.4. Valorisation du surplus dnergie Une partie du dihydrogne stock sera utilise pour subvenir aux besoins en lectricit du btiment certains moments. On se propose dutiliser le surplus de dihydrogne, estim 8,4.104 mol, pour alimenter un vhicule lectrique. Une telle acquisition serait rentable si la quantit de matire de dihydrogne disponible tait au moins gale 70% des besoins du vhicule. Sachant que le vhicule envisag devra parcourir 20 000 km par an, est-il rentable de lacqurir ? Vous expliquerez clairement les tapes de votre dmarche. Donnes.

Le volume molaire dun gaz est le volume occup par une mole de ce gaz. Volume molaire du dihydrogne dans les conditions de stockage : Vm = 3,5.10

-2 L.mol-1

Le volume de dihydrogne embarqu bord dune voiture est estim 150 L dans les conditions de stockage.

Lautonomie du vhicule est estime 500 km.

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Document C1 Le fonctionnement de la pile hydrogne

Une pile combustible est un gnrateur lectrochimique d'nergie permettant de transformer l'nergie chimique d'un combustible (hydrogne, hydrocarbures, alcools,...) en nergie lectrique. La pile hydrogne est une pile combustible utilisant le dihydrogne et le dioxygne. La raction chimique du fonctionnement dune pile hydrogne scrit :

2 H2 (g) + O2 (g) 2 H2O (l)

la cathode, le couple oxydant / rducteur en jeu est : O2 (g) / H2O (l)

l'anode, le gaz utilis est le dihydrogne H2.

Daprs : http://eduscol.education.fr/orbito/pedago/pileh2/pile1.htm

Document C2 Le dioxyde de carbone

Le dioxyde de carbone, aussi appel gaz carbonique, est un compos inorganique dont la formule chimique est CO2. Il se prsente, sous les conditions normales de temprature et de pression, comme un gaz incolore.

Le CO2 se dissout facilement dans leau selon lquation : CO2 (aq) + H2O(l) H2CO3 (aq) ; son

tour, le compos form H2CO3 peut se dissocier selon la demi-quation : H2CO3 = H+ + HCO3-. Ses utilisations sont multiples : il est utilis dans la fabrication de boissons gazeuses, il est prsent dans les extincteurs dits au dioxyde de carbone ou comme rfrigrant pour conserver certains aliments

Daprs Wikipdia

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ANNEXES A RENDRE AVEC LA COPIE

Annexe 1 olienne

Annexe 2 Questionnaire choix multiple : propos du fonctionnement dune pile combustible Pour chaque affirmation ci-dessous, cocher la bonne rponse.

Les porteurs de charge qui de dplacent dans llectrolyte de la pile sont : Des photons Des lectrons Des ions

Lquation de la raction qui a lieu la cathode scrit :

O2 (g) + 4 H+ (aq) = 2 H2O (l) + 4 e-

2 H2O (l) = O2 (g) + 4 H+ (aq) + 4 e-

O2 (g) + 4 H+ (aq) + 4 e- = 2 H2O (l)

Le couple oxydant / rducteur mis en jeu lanode scrit : H2 (g) / H+ (aq) H+ (aq) / H2 (g)

H2 (g) / H2O (l)

Pour la raction de fonctionnement de la pile hydrogne, le rducteur est : Le dioxygne Le dihydrogne Leau

La raction qui a lieu lanode est : Une combustion Une rduction Une oxydation

Pale n1