Le programme de physique chimie en terminale stl, spcl, est composé de quatre parties : la partie "physique-chimie" commune avec la série sti2D, "ondes", "chimie et développement durable", "systèmes et procédés" (S & P).








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Exemple 2 : Transfert d'énergie dans les machines thermiques


Auteurs : CANU Cécile, cecile.canu@gmail.com ; DARMA Vo-Ba, voba.darma@free.fr; FOURNIER Brigitte brigitte.fournier@ac-strasbourg.fr; Thanh Nguyen thanh_nguyenxuan@hotmail.fr; PRIEUR Jacques, jacques.prieur@ac-nantes.fr;   RAMPAZZI Eve, erampazzi@orange.fr; RUFFIN Géraldine, f_ruffin@club-internet.fr 
Résumé de la ressource
Une pompe à chaleur (PAC): une machine ditherme

Les élèves définissent le système thermodynamique (le fluide caloporteur), les sources chaude (à TC) et froide (à TF) et les énergies thermiques associées QC et QF par rapport au fluide caloporteur.
http://www.explania.com/fr/chaines/technologie/detail/comment-fonctionne-une-pompe-a-chaleur

Les élèves peuvent expliquer pourquoi une PAC s’inscrit dans une politique de développement durable.
Etablissement du bilan énergétique sur une pompe à chaleur

Les élèves sont à même d’établir un bilan énergétique et d’aboutir au principe de conservation de l’énergie. C’est-à-dire le premier principe qui sera formalisé de la façon suivante :

W + QC + QF = 0
Rendement énergétique et coefficient de performance d’une pompe à chaleur

Les définitions du rendement énergétique et du coefficient de performance d’une PAC sont fournies aux élèves : ils peuvent remarquer que le COP se mesure dans des conditions standardisées (données fournisseur) contrairement au rendement énergétique (ou efficacité thermique).
Pompes à chaleur réversibles, réfrigérateur

On s’intéressera enfin aux pompes à chaleur réversibles puis au réfrigérateur. Les élèves sont à même d’établir un bilan énergétique et d’identifier les différents éléments du système.
Notion de diffusion moléculaire ou particulaire
La ressource propose l’étude d’un film court afin de mettre en évidence deux phénomènes : la diffusion d’une espèce dépend, entre autres, de la température du milieu et de la masse molaire de cette espèce.

  1. Fonctionnement d’une pompe à chaleur

a.Contexte économique et environnemental
Document 1 : « Pompes à chaleur : de bonnes perspectives à l’horizon 2013 »
Au 1er janvier 2013, toutes les constructions de maisons individuelles neuves devront être aux normes BBC (bâtiment basse consommation). Cette obligation, créée par les lois du Grenelle de l'Environnement, s'appuie sur la mise en application d'une nouvelle réglementation thermique, la RT 2012.


Que fixe la RT 2012 ? En fait cette nouvelle réglementation a pour objectif de limiter la consommation (…) des bâtiments neufs à 50 kWhEP/(m².an) Pour y parvenir, le bâti doit démontrer d'une efficacité énergétique sur le plan de sa construction, mais aussi afficher une consommation énergétique maîtrisée et proposer un vrai confort d'été sans climatisation. Si pour le bâti, seules les compétences d'un bon maçon font la différence, en ce qui concerne le chauffage, la pompe à chaleur (PAC) rafle quasiment tous les suffrages depuis quelques années.
Pourquoi la pompe à chaleur ? Parce qu'elle permet de disposer d'un mode de chauffage naturellement économique et fiable en plus d'être écologique. Et de fait, une pompe à chaleur affiche une réelle indépendance face aux prix en explosion du fioul ou du gaz. Dans le cadre d'une construction neuve et de plus en plus aussi dans le cadre d'une rénovation, la pompe à chaleur conquiert à chaque nouvelle année qui passe de nouvelles parts de marché face aux chaudières classiques. Tous ces éléments font que la pompe à chaleur fonctionnant en aérothermie ou en géothermie a actuellement le vent en poupe.


Une situation qui devrait perdurer encore dans les prochaines années comme l'atteste l'étude « Géothermie et aérothermie » (…)
Source : http://toute-la-franchise.com, 11 juin 2011

b.Questions

À partir du document et de vos connaissances, quels sont les avantages économiques et écologiques de l’utilisation d’une pompe à chaleur ?
La PAC puise de l’énergie du milieu naturel et nécessite un apport énergétique moins onéreux que les énergies fossiles. De plus, la PAC limite la quantité de CO2 rejetée dans l’atmosphère.
Quelle est la signification de la valeur 50 kWhEP/(m².an) ?
Unité d’énergie primaire consommée par m² et par an. Une énergie primaire est une énergie prise dans la nature avant transformation en énergie finale pour usage domestique ou industriel.

L’installation d’une pompe à chaleur ne suffit pas à elle seule à répondre à la RT 2012. Quel autre paramètre implicitement cité dans le document intervient dans l’efficacité énergétique ?
L’isolation thermique est un autre facteur influençant l’efficacité énergétique des habitations.

5.Fonctionnement d’une pompe à chaleur

a.Une machine ditherme

Remarque : si votre établissement dispose d’une pompe à chaleur, les élèves peuvent alors répondre aux questions avec le système réel sous les yeux.
Sinon, l’animation permet de visualiser le fonctionnement d’une pompe à chaleur (aérothermie, aquathermie ou géothermie) : http://www.qualit-enr.org/img/upload/schema-pompe-chaleur-pro.swf
Regarder l’animation puis répondre aux questions suivantes :
Identifier la source de température chaude et la source de température froide.
La source chaude est la pièce qui va être chauffée tandis que la source froide est le milieu d’où est puisée l’énergie thermique.
Quel est le rôle du fluide frigorigène ?
Le fluide frigorigène permet le transport l’énergie thermique d’une source vers une autre.
Sous quelle forme l’énergie des sources de températures chaude et froide est-elle transférée au fluide frigorigène ?
Les énergies échangées entre les sources et le fluide sont sous forme d’énergie thermique.
Expliquer pourquoi les pompes à chaleur sont des machines dithermes.
Les PAC sont des machines dithermes car elles nécessitent deux sources de température différente.

b.Rôle du compresseur

En vous aidant du document 2, justifier la haute pression en vapeur à la sortie du compresseur.
Une diminution du volume provoque une augmentation de la pression car ces deux grandeurs sont inversement proportionnelles dans la loi des gaz parfaits.
Document 2 : Le modèle du gaz parfait

Le gaz parfait est un modèle dans lequel les molécules du gaz sont sans interaction : cela est vrai lorsque la pression devient faible. Ainsi, le gaz parfait est la limite de tout gaz réel lorsque la pression tend vers 0.
L’équation du gaz parfait qui relie les grandeurs d’état (pression P, volume V, température T et quantité de matière n) s’écrit :



P : Pression en Pascal (Pa)

V : Volume en m3

T : Température en Kelvin (K) (passage des degrés Celsius en Kelvin :)

 : Constante du gaz parfait

6.Bilan énergétique sur une pompe à chaleur

a.Transferts énergétiques

Compléter le schéma suivant en précisant le sens et le signe des énergies échangées par la source de température chaude, la source de température froide et le compresseur avec le fluide caloporteur.
Fluide caloporteur

Source froide

Air extérieur

Source chaude

Pièce

Compresseur

QF > 0

QC < 0
Travail W > 0

Identifier sur le schéma ci-dessous la source chaude, la source froide et le fluide caloporteur.

http://sti.ac-orleans-tours.fr/spip2/img/jpg/pompe_a_chaleur_principe.jpg

http://sti.ac-orleans-tours.fr

b.Conservation de l’énergie : Premier principe de la thermodynamique

Le fluide caloporteur constitue un système fermé car il n’échange pas de matière avec l’extérieur.
Comme le fluide caloporteur ne peut échanger que de l’énergie sous forme de travail ou thermique avec le milieu extérieur, proposer une relation entre.


Il s’agit du premier principe de la thermodynamique appliqué à un système fermé décrivant un cycle de transformations.
Le premier principe est une loi de conservation de l’énergie qui traduit le fait que l’énergie ne se créée pas mais qu’elle se transforme : il ne peut y avoir ni création, ni destruction de l’énergie.

c.Performances énergétiques des pompes à chaleur

  • Coefficient de performance

Le marché des pompes à chaleur propose des technologies très diversifiées selon les besoins. Un critère de différenciation entre les pompes à chaleur est le coefficient de performance « COP » fourni par le fabricant.


Document 3 : Description du COP
Le COP est le rapport "énergie thermique restituée/énergie électrique dépensée par le compresseur". Soit





La détermination du COP est standardisée car elle se réalise en laboratoire : les conditions sont loin de la réalité (conditions d’utilisation normales).
Avec un COP de 3,6, une PAC qui consomme 1 kWh d'électricité produit 3,6 kWh de chauffage. 
Un COP d'une pompe à chaleur n'a de sens que s'il est accompagné de deux températures de référence :


  • La température du milieu dans lequel on puise l’énergie thermique. Elle est indiquée +7°C, sauf pour les pompes à chaleur sol/sol et sol/eau (-5°C).

  • La température de l'eau à la sortie de la pompe à chaleur (voir document 4).


Quand on parle d'un COP de 3,6 (+7°C ; 35°C) pour une pompe à chaleur Air - Eau par exemple, cela signifie que lorsqu'il fait 7°C dehors, la pompe à chaleur consomme 1 kWh d'électricité pour générer 3,6 kWh de chauffage en chauffant l'eau à 35 °C dans un plancher chauffant.





Document 4 : Evolution du COP d’une PAC Air – Eau en fonction de la température de l’air extérieur pour différentes températures de sortie



Source : http://www.ageden.org


En vous appuyant des documents 3 et 4, comment varie le COP d’une PAC en fonction de l’écart de températures entre la source chaude et la source froide ?
Le COP augmente lorsque la différence de températures entre les deux sources diminue.


  • Rendement ou efficacité

En régime stationnaire (toutes les variables décrivant le système sont constantes dans le temps), on appelle rendement ou l’efficacité thermique le rapport :


T exprimées en Kelvin

Remarque : si votre établissement dispose d’une pompe à chaleur, les élèves peuvent alors répondre aux questions grâce à des mesures de températures effectuées sur le système réel (.
Une pompe à chaleur transfère de l’énergie thermique de l’air extérieur à 10 °C vers un réservoir d’eau à 35 °C servant au chauffage local.
Calculer l’efficacité thermique de la pompe à chaleur.

Comment évolue l’efficacité thermique si la température de l’air extérieur est à 5 °C ?

L’efficacité thermique diminue.
Conclure sur l’évolution de l’efficacité thermique d’une pompe à chaleur en fonction de la différence de températures entre la source chaude et la source froide.
Tout comme le COP, l’efficacité e d’une pompe à chaleur est d’autant plus grande que l’écart de températures entre les sources chaude et froide est faible.

7.Pompes à chaleur réversibles

a.Introduction

Pompe à chaleur réversible : le chauffage écologique qui fait aussi climatisation

La pompe à chaleur réversible est, avec la climatisation réversible l'un des 2 systèmes réversibles permettant de produire du chaud et du froid.

En pratique, les climatiseurs réversibles sont en fait des pompes à chaleur air-air réversibles. Mais d'autres types de pompe à chaleur peuvent être aussi réversibles : les pompes air-eau et les pompes géothermiques (eau-eau).

La fonction première de la pompe à chaleur est de chauffer, elle n'est donc pas aussi efficace qu'une climatisation : on parlera plutôt de rafraîchissement (diminution de 3 ou 4 degrés la température ambiante).
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