SCIENCES PHYSIQUES ET PHYSIQUE APPLIQUÉE. STI Génie Civil STI Génie Énergétique

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1 9PYCEAGl SESSION 2009 BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE SCIENCES PHYSIQUES ET PHYSIQUE APPLIQUÉE STI Génie Civil STI Génie Énergétique Temps alloué: 2 heures Coefficient: 5 La calculatrice (conforme à la circulaire N du ) est autorisée. Ce sujet comporte 4 pages. La page 4 est à rendre avec la copie

2 9PYCEAGl FOSSE DE PLONGÉE On s'intéresse à une fosse de plongée artificielle conçue pour la pratique de la plongée en scaphandre. la fosse présente une section carrée de 6,0 mètres de côté et permet de plonger à 34 mètres, soit 34 mètres de hauteur d'eau. la température de l'eau est maintenue à 33 C et sa qualité est régulièrement contrôlée. Le public peut assister aux évolutions des plongeurs grâce à des hublots disposés autour de la fosse. la fosse est ouverte quotidiennement de 8 heures à 19 heures. PARTIE A. QUALITÉ DE l'eau. (4 points) 1. Mesure du ph de l'eau 1.1 En mesurant le ph de l'eau, on trouve ph:; 7,5. En déduire la concentration en ion hydronium [H30+]de l'eau de la fosse. 1.2 Montrer que le volume Va de l'eau de la fosse a pour valeur Ve :; m Calculer la quantité de matière n, exprimée en nombre de moles, en ion hydronium H30+correspondante. Correction du ph Pour améliorer le ph on ajoute, par l'intermédiaire d'un système de pompage, un volume V:; 10 ml de solution d'acide chlorhydrique (H 3 0+; CI") de concentration C:; 12 mol.l", : 1.4 Comment va évoluer le ph? Justifier. 1.5 Calculer la quantité de matière n'en ions hydronium H 3 0+, exprimée en nombre de moles, ajoutée à l'eau de la fosse. 1.6 En négligeant la variation de volume, calculer la nouvelle concentration en ion hydronium de l'eau de la fosse. 1.7 Vérifier que le ph final vaut 6,9. PARTIE B. CHAUFFAGEDE l'eau. (4 points) Volume d'eau Masse volumique de l'eau Capacité thermique Quantité de chaleur massique de l'eau (formule) Ve:; m 3 p :; kq.m? c :; 4 200J.kg-' Q:; m c(e ) 1. Pour maintenir l'eau à température, on considère que l'énergie moyenne à apporter par jour d'ouverture est équivalente à une élévation de 4 C de l'intégralité de la masse de l'eau de la fosse. 1.1 Calculer la masse d'eau m contenue dans la fosse. 1

3 PYCEAGI 1.2 Calculer la quantité de chaleur Q transférée à l'eau pour une journée de fonctionnement. 1.3 La fosse est ouverte de 8 h 00 à 19 h 00.; le chauffage ne fonctionne que pendant les heures d'ouverture. Quelle est la puissance P nécessaire au chauffage de cette quantité d'eau? 1.4 En réalité le dispositif présente quelques pertes énergétiques. Le rendement vaut" = 80%. Calculer la puissance électrique Pe consommée. 2. Pour chauffer et filtrer cette masse d'eau un système de pompage doit assurer deux passages quotidiens, pendant les heures d'ouvertures, de l'intégralité du volume d'eau. Calculer le débit nominal volumique D, exprimé en m 3.h- 1, que doit assurer le système de pompage. PARTIE C. LE MOTEURDE LA POMPE.(2 points) Pour actionner cette pompe, on choisit un moteur asynchrone triphasé de puissance nominale 37 kw. Celui-ci présente un rendement moyen de 0,92 et un facteur de puissance de 0,86. L'installation électrique de la piscine utilise un réseau triphasé 230VI 400 V ; 50 Hz. 1. Calculer la puissance électrique Paabsorbée par le moteur. 2. En déduire l'intensité 1 du courant absorbé par le moteur. PARTIE D. LE COMPRESSEUR.(3 points) Le site utilise un compresseur pour le remplissage des bouteilles de plongée, il est doté d'un moteur asynchrone dont la plaque signalétique est donnée cidessous. 18,5 kw cos cp = 0,9 Y 230 V 1400 tr.min" 50 Hz A 400V On rappelle que le réseau est triphasé 230VI 400 V ; 50 Hz. 1. Quel mode de couplage est adopté pour brancher ce moteur sur le réseau? Justifier. 2. Sur le document réponse n01,à rendre avec la copie, représenter les connexions à établir pour réaliser le couplage du compresseur sur le réseau. 3. Préciser la vitesse de synchronisme ns. En déduire le nombre de pôles. 2

4 9PYCEAGI PARTIE E. ET MAINTENANTON PLONGE! (4 points) Formulaire: Surpression due à une hauteur Equation d'état des gaz Volume d'une sphère d'eau h parfaits Ps= P g h PV= nrt V = 4/3 (TT r 3 ) avec R = 8,31J.mor 1.oC 1 Données: Champ de pesanteur Pression atmosphérique Masse volumique de l'eau terrestre 9 = 10 m.s" Po = 1x10~Pa p = kq.m? 1. À 33 mètres de profondeur. 1.1 Calculer la surpression Ps de l'eau au fond de la fosse à 33 mètres de profondeur. 1.2 En déduire la pression totale PT à cette profondeur. 2. À 33 mètres, les micro bulles lâchées par le détendeur du plongeur ont la taille d'une sphère de rayon r1= 1 mm. Elles remontent alors à la surface à température constante. 2.1 La pression à 33 mètres de profondeur est de 4, Pa. Calculer le volume V1 d'une micro bulle. 2.2 L'air de la micro bulle se comporte comme un gaz parfait. Calculer le volume V2 de cette bulle lorsqu'elle arrive à la surface. En déduire son rayon r2 PARTIE F. DERRIÈRELE HUBLOT (3 points) Les hublots pour le public sont situés à 20 mètres de profondeur. Chaque hublot a une surface S = 0,5 m 2 A cette profondeur, la pression totale dans la fosse vaut trois fois la pression atmosphérique. Valeur de la pression atmosphérique: Po = Pa 1. Calculer la valeur de la force pressante F exercée par la pression totale sur le hublot à l'intérieur de la fosse. Tracer le vecteur force correspondant sur la figure n02du document réponse. On prendra comme échelle: 1 cm pour 25 kn. 2. De même, calculer la force pressante Fo due à la pression atmosphérique Po de l'air sur un hublot, à l'extérieur de la fosse, côté public. Tracer le vecteur force correspondant sur la figure n02 du document réponse avec la même échelle que celle utilisée dans la première question. 3. En déduire, soit par une méthode graphique, soit par le calcul, la valeur de la résultante FR de ces deux forces. 3

5 oiiiqueii iellt"s li s agit 0 un exaj1jen 9PYCEAGl DOCUMENT RÉPONSE À RENDRE AVEC LA COPIE - Phase 3 R E Phase 2 S Phase 1 E A U Neutre Compresseur Côté public Côté fosse -. hublot ::::::::::::-:::::::::::::::-:::.:::::::::EAU _ _. : =- =-=-::::::: =-:::::::: ::==-=-=-=-=- =- =-=- =-=-=-:::::::: =-::::=-=-::::=-::::::::: =-==-=-:: =-: :=-=- =-:::=:=-=-~ ~~~~lrir~ii~~i~~~ii~ :-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:- :-:-:-:-:-: :-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-: -:-:-:-:-:-:-:. : =-=-:::=-::::--- ==-=:=----=-: =-: =-:= =-=-:=- =..=-=..=-=-=-=..:: =----=-: ==..=- =-=----=-=-=-=-=-=-=-:=-: =-:=- ---= ---=----=----=-: =-:=-=-=-:=----=-:=----:: :-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:. 4