Donc, ce contrôle de physique-chimie de première sur le stockage et les transferts d’énergie dure 55 minutes. Par ailleurs, la calculatrice est autorisée. Puis le barème total est de 20 points ; les unités, les conversions entre joule et kilowattheure et les chiffres significatifs comptent dans la notation.
Données : intensité de la pesanteur g = 9,81 N·kg−1 ; masse volumique de l’eau ρ = 1,0 × 103 kg·m−3 ; capacité thermique massique de l’eau c = 4,18 × 103 J·kg−1·K−1 ; 1 kWh = 3,6 × 106 J. Ensuite, pour une paroi : résistance thermique Rth = e ÷ (λ × S) et flux thermique Φ = ΔT ÷ Rth.
Enfin, ce contrôle est à télécharger en PDF et à imprimer gratuitement : le bouton se trouve en bas de la page, sans inscription.
Le sujet du contrôle sur les transferts d’énergie
Exercice 1 : questions de cours (3 points)
- Citer les trois modes de transfert thermique et donner un exemple de chacun. (1 point)
- Écrire la relation traduisant la conservation de l’énergie pour un système au repos, en précisant la signification de chaque terme, et le signe de Q quand le système reçoit de la chaleur. (1 point)
- Citer deux formes de stockage de l’énergie et, pour chacune, la forme d’énergie stockée. (1 point)
Exercice 2 : une station de pompage-turbinage (5 points)
Ensuite, une station de transfert d’énergie par pompage remonte la nuit, dans un lac supérieur, un volume V = 4,0 × 106 m3 d’eau situé en moyenne h = 300 m plus haut que le lac inférieur. Puis le jour, l’eau redescend dans des turbines.
- Calculer la masse d’eau stockée dans le lac supérieur. (1 point)
- Calculer l’énergie potentielle de pesanteur gagnée par cette eau, en joule. (1 point)
- Exprimer cette énergie en kWh. (1 point)
- Puis, les turbines et les alternateurs ont un rendement global de 85 %. Quelle énergie électrique la station peut-elle fournir ? (1 point)
- Pourquoi ce type de stockage est-il utile au réseau électrique ? (1 point)
Exercice 3 : un chauffe-eau électrique (5 points)
Ainsi, un chauffe-eau contient m = 150 kg d’eau à la température initiale θi = 15 °C. De plus, une résistance chauffante de puissance P = 2,0 kW porte l’eau à θf = 55 °C. Ensuite, on néglige toutes les pertes thermiques.
- Donner l’expression de l’énergie Q reçue par l’eau en fonction de m, c et de la variation de température. (1 point)
- Calculer Q en joule. (1,5 point)
- Exprimer Q en kWh. (1 point)
- Calculer la durée nécessaire de chauffe, en heures et minutes. (1,5 point)
Exercice 4 : isolation d’un mur (4 points)
Par ailleurs, un mur de surface S = 12 m2 sépare l’intérieur d’une pièce (20 °C) de l’extérieur (5,0 °C). Par ailleurs, il est d’abord constitué de béton seul, d’épaisseur e1 = 0,20 m, de conductivité thermique λ1 = 0,80 W·m−1·K−1. Puis on ajoute ensuite une couche de laine de roche d’épaisseur e2 = 0,10 m, de conductivité λ2 = 0,040 W·m−1·K−1.
- Calculer la résistance thermique du mur en béton seul. (1 point)
- Calculer le flux thermique à travers le mur en béton seul. (1 point)
- Calculer la résistance thermique de la couche de laine de roche, puis la résistance totale du mur isolé (les résistances thermiques s’ajoutent). (1 point)
- Calculer le flux thermique à travers le mur isolé et le comparer au flux sans isolant. (1 point)
Exercice 5 : refroidissement d’un café (3 points)
De plus, un café, initialement à 80 °C, est laissé dans une pièce dont la température est constante. Ensuite, on relève sa température au cours du temps. Puis on définit la constante de temps τ comme la durée au bout de laquelle l’écart entre la température du café et celle de la pièce est réduit à 37 % de sa valeur initiale.
- Quelle est la température de la pièce ? Justifier à l’aide de la courbe. (1 point)
- Pourquoi le café se refroidit-il de plus en plus lentement ? (1 point)
- Déterminer graphiquement la constante de temps τ. (1 point)
