Piscine, une baignade? Notions et contenus : Variation de température et transformation physique d un système par transfert thermique.

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1 Physique-Chimie Programme de première S Piscine, une baignade? Thème : Lois et modèle Cohésion et transformation de la matière Type de ressources : activité documentaire : résolution de problème Notions et contenus : Variation de température et transformation physique d un système par transfert thermique. Compétences travaillées ou évaluées : - Appropriation de la problématique - Elaboration d une stratégie de résolution - Mobilisation des connaissances - Extraire l information utile - Autonomie Nature de l activité : résolution d un problème Résumé (en 5 lignes au plus) : résolution de problème pour une classe de 1S, 1STi2D, 1STL Déterminer le temps de chauffe d une piscine à l aide d une bâche puis d une pompe à chaleur. Conclure et faire preuve d esprit critique quant aux résultats obtenus. Mots clefs : capacité thermique, énergie Académie où a été produite la ressource : REIMS

2 Physique-Chimie Programme de première S Piscine, une baignade? Table des matières Contextualisation... 3 Les documents supports... 3 Prolongement possible... 5 Remarques et conseils pour les enseignants... 5 Proposition de réponses... 9

3 Physique-Chimie Programme de première S Piscine, une baignade? 1. Contextualisation Tamara dispose dans son jardin d un bassin de natation. L été et le soleil étant de retour, elle souhaiterait s y baigner. Néanmoins, elle trouve l eau encore trop fraîche : 15 C. Afin de la chauffer, elle hésite entre bâcher la piscine ou mettre en route la pompe à chaleur afin d obtenir une eau à 20 C le plus rapidement possible. Aidez Tamara à choisir la méthode la plus rapide. Elle doit également savoir quand prévenir ses amis pour qu ils profitent eux aussi de la piscine. Commentez. 2. Les documents supports Document 1 : Renseignement sur le bassin de natation Les dimensions de la piscine sont : - longueur : L = 12,0 m - largeur : l = 6,0 m - profondeur : h = 2,0 m Pour optimiser le confort des futurs baignades, les parois ont été isolées afin d éviter les échanges thermiques avec le sol. Document 2 : Caractéristiques techniques de la bâche : Principe : «Le choix de la couleur correspond à l envers de la couverture (non visible). Dans la majorité des cas, la couverture est bleue sur sa face visible. Lorsque les rayons solaires frappent la couverture, les infrarouges sont piégés. L énergie thermique se transmet aux bulles d air, qui à leur tour la restituent à l eau de la piscine. (A savoir : la surface de l eau réfléchit la quasi-totalité des rayons solaires : c est pourquoi elle chauffe si lentement sans couverture). Plus la couverture est opaque, plus elle piège les rayons infrarouges et mieux la couverture chauffera.» D après piscine-clic Par temps ensoleillé, la bâche opaque dont dispose Tamara, reçoit une puissance par unité de surface de 700 W.m -2. On suppose que toute l'énergie du rayonnement solaire est transmise à l'eau.

4 Document 3 : Caractéristiques techniques de la pompe à chaleur : Principe général : «La pompe à chaleur (PAC) capte les calories (énergie thermique) présentes naturellement dans l environnement (air, eau, sol), les convertit et les restitue à une température supérieure qu elle diffuse ensuite dans la maison ou qu elle transmet à l eau de la piscine. Pour exemple, le réfrigérateur et le climatiseur utilisent le principe de pompe à chaleur pour fonctionner. Une pompe à chaleur de piscine est généralement de type air-eau. La PAC piscine fonctionne comme un frigo à l envers, elle permet de chauffer l eau de la piscine...» D'après piscine-clic La pompe à chaleur utilisée par Tamara a : - une puissance de 12 kw - un COP (= coefficient de performance) de 10 Le COP d'une pompe à chaleur pour piscine est le rapport entre l'énergie fournie et l'énergie consommée soit : énergie transférée par la pompeà chaleur =10 énergie électrique consommée - un niveau sonore : 68 db Pompe à chaleur Photo : irrijardin Document 4 : Données : - capacité thermique massique de l'eau : c eau = 4,18 kj. C -1.kg -1 - masse volumique de l'eau : = 1, kg.m énergie transférée : Q = m c eau ( f i ) (avec : la température exprimée en C) - un joule correspond à 1 Watt multiplié par 1 seconde donc 1 J = 1 W.s - tarif électricité : coût du kwh = 0,138 euros

5 3. Document 5 : Prolongement possible: Sur le site : piscine clic.com on peut lire : Il existe une formule pour calculer approximativement le temps de montée en température d une pompe à chaleur piscine : Temps de montéeentempérature (heures)= Volume(m3 ) Différencrede température 1,163 Puissance restituée de la pompe à chaleur( kw) D'où provient le coefficient de 1,163? ou Cette formule vous parait-elle correcte? Justifier Que pensez-vous de ces 2 possibilités de chauffage en terme de coût sur une période de 15 ans? Données : - pompe à chaleur de 12 kw : achat : 1600 euros ; durée de vie : estimée à 18 ans - frais moyen de maintenance estimé à 150 euros annuel on estime annuellement, que l'énergie moyenne fournie à l'eau de la piscine est de J par m 3 chauffé. - quelques caractéristiques d'une bâche à bulles «très performante» : bulles par m 2-23,40 euros le m² - durée de vie estimée : 6 à 7 ans - prix d'un enrouleur pour la bâche : 170 euros Une piscine non protégée par une bâche à bulles perd entre 4 et 5 C par nuit, alors qu une piscine protégée, en perd entre 1 et 2 C. 4. Remarques et conseils pour les enseignants La classe : 1S mais aussi 1STi2D, 1STL Durée : 1h30 min Dans le programme : Thème : Comprendre : lois et modèles Notion et contenus : Cohésion et transformation de la matière : Variation de température et transformation physique d un système par transfert thermique Étapes de resolution : 1. Après 5 min (10 min maximum), l'élève doit avoir reformulé clairement la problématique 2. Déterminer l'énergie nécessaire pour chauffer toute l'eau de la piscine 3. Trouver la puissance de la bâche puis le temps de chauffage 4. A partir de la puissance de la PAC, déterminer le temps de chauffe 5. Comparer en ayant un regard critique. Les étapes 2, 3 et 4 sont interchangeables.

6 Cette activité est proposée en cours de formation (et non pour une évaluation). Il est nécessaire que les élèves aient déjà traités ce genre d'activité afin qu'ils se mettent au travail rapidement. Inciter les élèves à rédiger et expliquer leur démarche ainsi que leur calcul. Elle peut être donnée en application du cours ou en amont (dans ce cas, prévoir une aide définissant une capacité thermique massique) Il est important que chaque élève ait dégagé clairement la problématique (ici calcul de durées) après lecture de l'activité. Afin de guider les élèves, il est possible de leur donner le tableau ci-dessous en début d'activité Compétences (*) S approprier Analyser Réaliser Valider Critères de réussite permettant d attribuer le niveau Reformuler la problématique de maîtrise «A» Identifier la grandeur à calculer Extraire l'information utile (surligner...) Établir une stratégie de résolution (schémas de résolution) pour répondre à la problématique en précisant quels documents sont utilisés à chaque étape Mettre en œuvre la stratégie Effectuer des calculs littéraux et / ou numériques Analyse dimensionnelle Estimer la valeur des grandeurs manquantes Faire preuve d'esprit critique par rapport au résultat obtenu Proposer une amélioration du modèle proposé Niveaux de maîtrise Communiquer Autonomie Rédiger une réponse argumentée avec un langage scientifique adapté, des résultats respectant le bon nombre de chiffres significatifs et les unités adaptés Savoir travailler seul ou savoir être actif au sein d'un groupe Savoir demander une aide pertinente (identifier ses propres difficultés) (*) Dans tous les cas, même si la réponse n'est pas aboutie, rédiger votre démarche. Grille d autoévaluation : Significations des critères A,B,C et D. A = Acquis, ou bien accompli B = Bon niveau d acquisition, ou tâche pratiquement accomplie. C = à travailler, ou peu accompli D = suivre une formation, ou non abordé Si on souhaite utiliser cette résolution de problème en évaluation sommative, il faudra faire apparaître clairement le questionnement dans l'énoncé ; par exemple : «Déterminer les temps nécessaires pour chauffer l'eau de la piscine en utilisant comme moyen de chauffage : - une bâche ou - une pompe à chaleur. Conclure et porter un jugement critique sur vos résultats.»

7 Auto-évaluation formative : à ne donner qu'en fin d'activité. S approprier Comprendre le problème Extraire l'information : Quelles sont les données utiles dans les documents? Analyser Établir une stratégie de résolution pour répondre à la problématique Réaliser Reformuler la problématique principale - texte introductif : élévation de température de l'eau de la piscine - doc 1 : dimensions de la piscine permet de trouver la surface + volume - doc 2 : puissance délivrée par la bâche - doc 3 : puissance délivrée par la PAC - doc 4 : qq données utiles - énergie nécessaire pour chauffer l'eau de la piscine : - élévation de température - masse de l'eau contenue dans la piscine - puissance fournie par la bâche - surface de la piscine - puissance fournie par la pompe à chaleur - déterminer le temps de chauffage pour : - la bâche - la PAC Mettre en œuvre la stratégie Effectuer les calculs nécessaires Énergie nécessaire pour chauffer l'eau de la piscine : - élévation de température - volume d'eau dans la piscine - utilisation de la masse volumique pour déterminer la masse d'eau - utilisation de la capacité thermique massique de l'eau ou de la relation Q =m c Puissance fournie par la bâche - surface de la piscine - puissance délivrée par la bâche Puissance fournie par la pompe à chaleur... ; valeur extraite du document Estimer le temps de chauffage : - lien entre les unités :W et J - calcul du temps de chauffe pour la bâche et/ou PAC

8 Valider Communiquer Autonomie Discuter du résultat obtenu Porter un jugement critique Rédiger une réponse argumentée en relation avec la problématique énoncé Savoir travailler seul ou en équipe Demander une aide pertinente et ne pas rester bloqué... Activité testée : quelques remarques Les élèves ont travaillé par groupe de 2 (parfois 3). C'était la 1 ère fois qu'ils traitaient une résolution de problème. mise en activité assez longue (10 min environ) car ne connaissent pas ce genre d'activité (comment s'y prendre?) utilité du tableau «pour guider les élèves» résolution un peu longue en une heure si on doit leur expliquer la «démarche à suivre» pour résoudre ce genre d'activité. les élèves veulent effectuer tout de suite des calculs, sans comprendre ou rechercher la problématique. ils ont peur de se tromper. Souhaitent utiliser un brouillon et recopier après validation par l'enseignant les encourager à écrire leurs raisonnements. obligation de se mettre au travail... ne peuvent pas attendre la correction ou dire «je ne comprends pas...» l'heure passe très vite pour les élèves il se prennent «au jeu» confrontation des idées au sein des binômes ou trinômes. 2 groupes d'élèves ont comparé la puissance de la PAC à celle de la bâche et ont conclu en terme de rapidité.

9 5. Proposition de réponses 1. Temps de chauffe Energie thermique Q à fournir à l'eau pour élever sa température de = = 5 C Q = m c = 3, J Pompe à chaleur volume de l'eau de la piscine : V eau = L l h = 144 m 3 temps de fonctionnement de la pompe : t = Q / P = 70 heures soit un peu moins de 3 jours! Bâche surface de la bâche = surface de la piscine : S = L l = 72 m 2 puissance du rayonnement solaire absorbée par la paroi : P' = puissance par unité de surface Surface de la bâche P' = 5, W temps nécessaire t' = Q / P' = 16 heures soit moins de 1 jour! Conclusion Discuter des résultats obtenus 2. Coût sur 15 ans. Pour la bâche période de 15 ans : prévoir l'achat de 2 ou 3 bâches et un enrouleur prix de revient : entre et 3, et 5, Pour la pompe à chaleur - énergie annuelle moyenne à fournir à l'eau de la piscine : 7, J - prix de l'électricité : énergie transférée par la pompe à chaleur =10 énergie électrique consommée - énergie électrique consommée annuellement: = 7, J / 10 = 7, J = kwh soit un coût moyen annuel de 280 donc sur 15 ans : prix moyen de revient sur 15 ans : 7, Conclusion Discuter des résultats obtenus