Il est interdit aux candidats de signer leur composition ou d’y mettre un signe quelconque pouvant indiquer sa provenance. Epreuve de Physique B - Thermodynamique Durée 2 h Si, au cours de l’épreuve, un candidat repère ce qui lui semble être une erreur d’énoncé, d’une part il le signale au chef de salle, d’autre part il le signale sur sa copie et poursuit sa composition en indiquant les raisons des initiatives qu’il est amené à prendre. L’usage de calculatrices est interdit. L’usage de tout ouvrage de référence et de tout document est interdit. AVERTISSEMENT Les trois parties du sujet sont indépendantes. Il est conseillé aux candidats de lire soigneusement le texte du sujet pour éviter des calculs ou des conversions inutiles. Les candidats doivent respecter les notations de l’énoncé et préciser, dans chaque cas, la numérotation de la question posée. Le diagramme des frigoristes est issu de la revue cool pack, et publié sur le net. Les autres documents sont issus de données publiées sur le net. À rendre en fin d’épreuve avec la copie un document réponse. La présentation, la lisibilité, l’orthographe, la qualité de la rédaction, la clarté et la précision des raisonnements entreront pour une part importante dans l’appréciation des copies. En particulier, les résultats non justifiés ne seront pas pris en compte. Les candidats sont invités à encadrer les résultats de leurs calculs. 127 A Tournez la page S.V.P.
14
Embed
Epreuve de Physique B - Thermodynamique · Il est interdit aux candidats de signer leur composition ou d’y mettre un signe quelconque pouvant indiquer sa provenance. Epreuve de
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Il est interdit aux candidats de signer leur composition ou d’y mettre un signe quelconque pouvant indiquer sa provenance.
Epreuve de Physique B - Thermodynamique
Durée 2 h
Si, au cours de l’épreuve, un candidat repère ce qui lui semble être une erreur d’énoncé, d’une part il le signale au chef de salle, d’autre part il le signale sur sa copie et poursuit sa composition en indiquant les raisons des initiatives qu’il est amené à prendre.
L’usage de calculatrices est interdit.
L’usage de tout ouvrage de référence et de tout document est interdit.
AVERTISSEMENT
Les trois parties du sujet sont indépendantes. Il est conseillé aux candidats de lire soigneusement le texte du sujet pour éviter des calculs ou des conversions inutiles. Les candidats doivent respecter les notations de l’énoncé et préciser, dans chaque cas, la numérotation de la question posée. Le diagramme des frigoristes est issu de la revue cool pack, et publié sur le net. Les autres documents sont issus de données publiées sur le net.
À rendre en fin d’épreuve avec la copie un document réponse. La présentation, la lisibilité, l’orthographe, la qualité de la rédaction, la clarté et la précision des raisonnements entreront pour une part importante dans l’appréciation des copies. En particulier, les résultats non justifiés ne seront pas pris en compte. Les candidats sont invités à encadrer les résultats de leurs calculs.
Tournez la page S.V.P
127
A
Tournez la page S.V.P.
2
Documentsetdonnéesnumériques.DOCUMENT1:LeplanHomeStaretleséconomiesd’énergie.Lacrisepétrolièrede1973aamenélespouvoirspublicsàdespolitiquesvolontaristesenmatièred’énergie.Laconstructiondeslogementsobéitdepuislorsàdesrèglesd’isolationthermiques. Ces règles sont de plus en plus contraignantes au fil des décennies maisréalisablesgrâceàdesavancéestechnologiquesmajeuresetontpermisdelimiterlafactureénergétiquefrançaise.Celle-cireprésentetoutefoisencoreen2017de2,5et3%duPIBet40%decettechargeestdueauchauffagedesbâtiments.LaFranceimporteeneffetlaquasi-totalitédel’énergiefossiledontelleabesoin.La rénovation des bâtiments anciens est donc un enjeu fondamental des prochainesdécennies.Laconsommationd'énergiepourlechauffageetlaproductiond'eauchaudesanitairedeslogementsestenmoyennede:• 100𝑘𝑘𝑘𝑘ℎ.𝑚𝑚-2. 𝑎𝑎𝑎𝑎-5pourceuxconstruitsaprès2000.• 200𝑘𝑘𝑘𝑘ℎ.𝑚𝑚-2. 𝑎𝑎𝑎𝑎-5pour ceux construits entre 1975 et 2000, soit le quart du parcimmobilier.• 375𝑘𝑘𝑘𝑘ℎ.𝑚𝑚-2. 𝑎𝑎𝑎𝑎-5pourlesbâtimentsd'avant1975,quireprésententlesdeuxtiersduparcimmobilier.Ces dernières années, la problématique du réchauffement climatique a amené lesgouvernementsàaccélérerlatransitionénergétiqueafind’améliorerlebilancarbonedelaFranceetdiversifiersessourcesd‘énergie.LaFrancedéveloppeenparticulierlapartdesénergiesditesrenouvelablesdanssonbouqueténergétique.Demême,lesEtatsUnis,premierconsommateuraumonded’énergiefossile,ontlancéen2010leplanHomestar,pland’isolationthermiquedesbâtiments,défenduparleprésidentObamaenpersonne.DOCUMENT2:Isolationthermiquedebâtiments.
Elémentsdubâtiment Conductancethermiquepourun𝐦𝐦𝟐𝟐𝐝𝐝𝐝𝐝𝐬𝐬𝐬𝐬𝐬𝐬𝐬𝐬𝐬𝐬𝐬𝐬𝐝𝐝𝐝𝐝𝐞𝐞𝐔𝐔𝐔𝐔𝐔𝐔N.B : Il est appelé coefficientUdeperformance. Il incluttouteslesdéperditions(conductifetconducto-convectif)
Leproblèmecomportetroispartieslargementindépendantes.Dansunepremièrepartie,ons’intéresse à l’isolation thermique et au concept de bâtiments dits à énergie positive. Lasecondepartieaborderalechauffaged’unappartement.Enfin, latroisièmepartieétudieraunePACair/eausoituneénergierenouvelableetavecunbonbilancarbone.
Question6:Quelleest,enutilisantuneéquationauxdimensionsdel’équationauxdérivéespartielles,l’unitéde𝐷𝐷?Question7 : Onadmetque le tempscaractéristiquepouratteindre le régimepermanents’écrit:
𝜏𝜏 =𝐿𝐿{
𝐷𝐷|
a) Déterminerlavaleurducoefficientaetducoefficient𝑏𝑏paranalysedimensionnelle.b) Commenterphysiquement lapertinencedurésultatet l’expressionde𝐷𝐷enfonctionde𝜆𝜆, 𝜚𝜚𝑒𝑒𝑡𝑡𝐶𝐶g.c) Calculercetempspourunebarredecuivreoù𝐿𝐿 = 1𝑚𝑚.Commenterlerésultat.
Question8:Etablirlasolutiondel’équationdelachaleurenrégimepermanentstationnairec’estàdireleprofildetempérature𝑇𝑇 𝑥𝑥 etenfairelegraphe.Question9:Onnote𝜙𝜙lecourantoufluxthermique.Ilreprésentelapuissancequitraverseunesectiondroitedelabarre.a) Montrerqu’enconventionrécepteurpourladifférencedetempérature,ona:𝑇𝑇5 − 𝑇𝑇2 = 𝑅𝑅sÅ𝜙𝜙b) Donnerl’expressionde𝑅𝑅sÅenfonctionde𝜆𝜆, 𝐴𝐴𝑒𝑒𝑡𝑡𝐿𝐿.𝑅𝑅sÅ est appelée résistance thermique et son inverse𝐺𝐺sÅ = 5
ÉÑÖest appelée conductance
thermique.c) Donner en français la signification physique de la conductance thermique après avoirprécisésonunité.
a) Calculer le courantou flux thermique traversantdans lesmêmesconditionsunmètrecarrédemurpleinde30𝑐𝑐𝑚𝑚d’épaisseurb) Endéduirel’énergieconsomméeenkWhetlecoûtannuelparmètrecarrédemur.c) CalculerlittéralementpuisnumériquementenEurol’économieréaliséesil’onisoletotalementlemètrecarrédemurd’unseulcôtéavecunecouchedepolystyrènede2cm.Commenter.Question14 : Dans le cadred’appartements dits « à énergiepositive », onpositionnedegrandesfenêtresausud,depetitesfenêtresauNord.Enfin,onplantedesarbresàfeuillescaduquesauniveaudelafaceSud.OnseplacetoujoursenAlsace.a) Proposeruneexplication.b) A-t-onintérêtàavoirdesvoletsenmétalouenbois?Justifiervotreréponse.
a) Calculerlaconductancethermiqued’unefenêtreaveclesdonnéesprécédentespourunsimpleetundoublevitrage.b) Entantquerésistancesthermiques,lesquatrefenêtressont-ellesensérieouenparallèle?Justifiervotreréponse.c) En déduire la conductance thermique des 4 fenêtres puis la puissance ou courantthermiquequilestraversepourunsimplepuispourundoublevitragedanslesconditionsdelaquestion12.d) En supposant que cette puissance correspond à 20%de la puissance transférée del’appartement vers l’extérieur, déterminer en régime permanent la puissance totale𝑃𝑃cnécessairedesconvecteursélectriquesenhiverpourundifférentieldetempératurede10°𝐶𝐶avecsimplepuisavecdoublevitrage.Est-ceenaccordaveclesdonnéesdudocument1?
EnFrance,Lecoûtdel’électricitéestpeuélevédufaitdelaproductionnucléaire.75%del’électricitéestproduiteenFrancepardescentralesnucléaires.LaFrancealedeuxièmeparcdecentralesaprèslesEtatsUnis.Toutefois, les investissements importants dans le nucléaire (sécurité etmaintenancedescentrales) et l’épuisement du « combustible » à l’échelle de quelques dizaines d’annéesamènentàdévelopperdes sourcesd’énergie renouvelable. La Franceadéveloppéà sonmaximuml’énergiehydroélectriqueetlesbarragesaufildel’eau.L’énergiegéothermiqueestencoresousexploitée.
la profondeur minimum d’utilisation dans ce sol afin que les fluctuations annuelles detempératuredel’airàsasurfaceysoientimperceptibles.Question20:GéothermiebasseénergieDans les profondeurs de la Terre en deçà de quelques centaines de mètres, des rochesporeusescontiennentsouventdel’eauchaudeàenviron𝟕𝟕𝟕𝟕°𝑪𝑪.Laporositédesrochesestdel’ordrede𝟏𝟏𝟏𝟏%c’estàdirequ’ilyaun15𝑚𝑚bd’eauchaudepour100𝑚𝑚bderoches.L’épaisseurde lanappederocheporeusecontenant l’eauchaudesupposéeconstanteestd’environ𝑯𝑯 = 𝟏𝟏𝟕𝟕𝟕𝟕𝟏𝟏.Onrappellequ’unlitred’eauaunemassede1kgetunechaleurmassique:
𝑃𝑃•g,U{Q = 𝟒𝟒, 𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏. 𝟏𝟏𝒌𝒌V𝟏𝟏. 𝑲𝑲V𝟏𝟏 = 𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏. 𝟏𝟏𝒌𝒌V𝟏𝟏. 𝑲𝑲V𝟏𝟏L’eauà𝟕𝟕𝟕𝟕°𝑪𝑪estpompéevers la surface, et aprèsutilisation elle estréinjectéepourmaintenirla pression en amont(schéma simpliste ci-contre) Elle a alors unetempératurede𝟏𝟏𝟕𝟕°𝑪𝑪.Ladistanceentrelespuitsd’injection et deréinjection est d’environ𝑯𝑯’ = 𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏.
L’eau est réinjectée avec un débit volumique 𝑫𝑫𝑽𝑽 = 𝟏𝟏𝟕𝟕𝟕𝟕𝟏𝟏𝟑𝟑. 𝒉𝒉V𝟏𝟏 constant et avec unesymétriecylindriquedehauteur𝑯𝑯autourdupuitsderéinjection.
Rocheporeuse
H=100mH’=1km
injectionextraction
r(t)
‒ 7 ‒Tournez la page S.V.P.
8
Onnote𝑟𝑟 𝑡𝑡 ladistanceparcouruepar l’eau froidedepuis lepuitsàunedate t.𝑟𝑟 𝑡𝑡 estappelée distance du front froid par rapport au puits de réinjection. On a évidemment𝑟𝑟 𝑡𝑡 = 0 = 0a) Calculerlevolumed’eaufroideréinjectéeentre𝑡𝑡𝑒𝑒𝑡𝑡𝑡𝑡 + 𝑑𝑑𝑡𝑡enfonctionde𝑟𝑟, 𝑑𝑑𝑟𝑟𝑒𝑒𝑡𝑡𝐻𝐻.b) Endéduire𝑟𝑟 𝑡𝑡 enfonctionde𝑡𝑡, 𝐻𝐻et𝐷𝐷Ø.c) Auboutdecombiend’annéeslefrontfroidatteintlepuitsd’extractionsituéà1𝑘𝑘𝑘𝑘(Cf.schéma).Donneruneexpressionlittéralepuisuneestimationgrossièreenannées.Concluresurlapérennitédel’installation.d) Déterminer en𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌(𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌) l’énergie récupérablepar unité de surface de lanappe puis l’énergie en𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌(𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌) récupérable par𝑘𝑘b d’eau de la roche. Lacompareràcelled’unmètrecubedepétrole:𝐸𝐸•étTü†UµüQTQ∂gètTU∏Q|U = 60𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀.e) Commenterlerésultat.Leprocédéestilrentable?Justifiervotreréponse.