Comment fonctionne une pompe à chaleur (1)?

Transcription

1 Thème 1 : Confort dans l habitat Activité Le chauffage dans l habitat Comment fonctionne une pompe à chaleur (1)? Une pompe à chaleur PAC) est un appareil qui puise la chaleur à l'extérieur de la maison (dans l'air ou dans la terre) pour la transférer ensuite, à l intérieur du logement. La PAC permet donc de chauffer l air de la maison et produire de l'eau chaude sanitaire. La PAC utilise une énergie propre, inépuisable et gratuite ; elle permet une importante économie sur la facture de chauffage. L installation d une PAC bénéficie d un crédit d impôt (selon la loi de finances en vigueur) Mais comment la pompe à chaleur peut-elle capter de la chaleur d un milieu froid (air extérieur, eau, terre) pour ensuite la donner à un milieu chaud (intérieur de la maison)?? Pour comprendre le fonctionnement d une PAC, il faut d abord comprendre les propriétés des différents états de la matière DOC1 : Les états de la matière Dans la matière les molécules sont liées entre elles par des liaisons intramoléculaires (appelées «liaisons hydrogène» ou «liaisons de Van Der Waals»). Suivant le nombre de ces molécules, la matière est soit à l état solide, soit à l état liquide, soit à l état gazeux. Si au niveau macroscopique la matière semble immobile, au niveau microscopique elle ne l est jamais totalement : L état solide est caractérisé par des molécules ou des ions en contact les uns avec les autres, dans un empilement compact, ordonné, en vibration constante autour d une position d équilibre. L état liquide est caractérisé par des molécules ou des ions en contact les uns avec les autres, dans un arrangement irrégulier, désordonné, et en mouvement constant. L état gazeux est caractérisé par des molécules ou des ions éloignés les uns des autres (la distance les séparant étant supérieure à la taille des molécules ou des ions), en mouvement constant.

2 DOC2 : Les changements d états (1) condensation solide (2) sublimation (3) solidification (4) fusion (5) vaporisation (6) liquéfaction ou condensation liquide Le diagramme d état d un corps pur permet de déterminer la phase (solide, liquide ou gazeuse) dans laquelle se trouve le corps DOC3 : Du liquide au gaz : évaporation ou ébullition? La vaporisation d un liquide (passage des molécules de l état liquide à l état solide) peut se faire de deux façons : par évaporation ou par ébullition. Lorsqu'un liquide est en contact avec un gaz, les molécules présentes à la surface de séparation sont liées à un plus petit nombre de particules. Sous l'agitation naturelle des particules, les molécules de surface se détachent donc relativement facilement de leurs voisines et sont ainsi libérées dans le gaz situé au dessus de la surface du liquide. C'est un processus lent que l'on appelle évaporation. L évaporation a lieu à toute température ; elle est favorisée par : - une grande surface de contact avec l air - la ventilation de la surface libre - la température élevée du liquide Si maintenant on chauffe le liquide, les particules le composant vont s'agiter de plus en plus jusqu'à ce que les liaisons qui les maintiennent ensemble se brisent. Le liquide a alors atteint son point d'ébullition : les molécules sont brusquement libérées dans le gaz sous forme de bulles. L évaporation est donc un passage progressif de l'état liquide à l'état gazeux, contrairement à l ébullition qui est une transition rapide. L évaporation est un phénomène spontané se produisant à toute température même si une élévation de température la favorise. Il n est donc pas nécessaire de chauffer, contrairement à l ébullition Contrairement à l'ébullition qui est un phénomène volumique (les bulles naissent dans le liquide), l'évaporation est un phénomène surfacique (les molécules à la surface passent d'un état à l'autre).

3 DOC4 : Energie et changements d états Que se passe t-il lorsque l on chauffe de la glace? L énergie thermique apportée par le chauffage augmente l agitation des molécules ; la température du solide s élève. Quand cette agitation est suffisante (à 0 C), certaines liaisons hydrogène «lâchent» et l édifice cristallin se disloque : c est la fusion Au cours de la fusion, toute l énergie thermique fournie au cristal est utilisée pour rompre des liaisons hydrogène donc l agitation des molécules n augmente pas : la température reste constante à 0 C sous la pression atmosphérique. Une fois, la «glace» entièrement liquide, l agitation thermique croit à nouveau et la température augmente. Les liaisons hydrogène existant entre les molécules d eau sont de moins en moins nombreuses et disparaissent entièrement, lorsque à 100 C, se produit la vaporisation, à température constante. Une fois l eau entièrement vapeur, l agitation thermique croit à nouveau. DOC5 : Energie transférée par chauffage Lors d un chauffage, l énergie thermique apportée à un corps pur moléculaire peut : (1) conduire à une élévation de température (accroissement de l agitation moléculaire) La quantité Q de chaleur transférée (en J), lorsque la température d un solide ou liquide varie d une valeur initiale θi à une valeur θf, est donnée par la relation : Q = m C ( θ f θ ) m : masse en kg (ou en g) C : capacité calorifique massique en J.kg -1. C -1 (ou en J.g -1. C -1 ) θ : température en C i (2) provoquer un changement d état au cours duquel la température reste constante (rupture de liaisons moléculaires) La quantité Q de chaleur transférée (en J) lors d un changement d état physique d un corps pur est proportionnelle à la masse du corps : Q = m L m : masse en kg (ou en g) L : chaleur latente (ou enthalpie) massique du changement d état en J.kg -1 Les molécules de gaz n interagissant plus, l énergie thermique reçue est entièrement transformée en énergie cinétique et leur vitesse augmente. Pour faire fondre un glaçon, il faut donc briser des liaisons hydrogène : il faut apporter de l énergie. Il en est de même pour la vaporisation. A contrario, quand des liaisons hydrogène se forment, il y a libération d énergie. Certains changements d états nécessitent un apport d énergie (la fusion et la vaporisation) Certains changements d états libèrent de l énergie (la liquéfaction et la solidification)

4 Expériences sur les changements d états Influence de la pression sur les changements d états - Faire bouillir de l eau dans une bouilloire. - Aspirer de l eau chaude à l aide d une seringue. - Fermer la seringue à l aide d une pince, puis tirer sur le piston de la seringue. Qu observe-t-on lorsque l on tire sur le piston? Que peut-on en conclure sur l influence de la pression sur l ébullition de l eau? Des changements d états cryogéniques La fusion et la vaporisation nécessitent un apport d énergie. La chaleur nécessaire pour ces changements d états peut être apportée par un chauffage Cette chaleur peut également être fournie par le milieu extérieur directement en contact : il y a alors abaissement de la température de ce milieu et la transformation est dite cryogénique («cryogénique» : produisant du froid) Fusion cryogénique - Dans 3 béchers identiques, placer une même quantité de glace pilée. Bécher 1 : glace pilée Bécher 2 : glace pilée + un peu de sel Bécher 3 : glace pilée + beaucoup de sel - Mélanger ; Placer un thermomètre dans chaque bécher. Qu observe-t-on dans les béchers et sur les parois externes des béchers? Comment peut-on interpréter les observations précédentes? Remarque Le mélange réfrigérant était utilisé pour la réalisation de sorbet. Les anciens qui ne possédaient pas de congélateur fabriquaient des sorbets en entourant le récipient contenant du jus de fruit sucré du mélange réfrigérant (un tiers de sel pour deux tiers de glace pilée) pouvant atteindre une température de - 15 C Vaporisation cryogénique - Entourer un thermomètre de coton imbibé d alcool à température de la salle. Qu observe-t-on? Comment peut-on interpréter les observations précédentes? Remarque A la plage, on peut avoir une sensation de fraicheur à la sortie du bain, car en s évaporant à la surface du corps, l eau absorbe de la chaleur fournie en partie par la peau qui se refroidit

5 Vaporisation de l eau La chaleur latente (ou enthalpie) massique de vaporisation de l eau est : L vap = 2, J.kg -1 Que signifie cette valeur? - Allumer la plaque chauffante (thermostat au maximum) - Faire chauffer de l eau à l aide d une bouilloire. - Poser un bécher vide sur une balance et noter sa masse : m bécher - Tarer la balance. - Verser dans le bécher environ 100 à 200 g d eau provenant de la bouilloire ; noter m 1 la masse d eau versée dans le bécher. - Chauffer l eau et surveiller sa température. - Quand l eau commence à bouillir déclencher le chronomètre, observer régulièrement la température. Arrêter le chauffage au bout de 10 minutes et poser le bêcher avec précaution sur la table. - Le laisser un peu refroidir et le peser à nouveau ; noter m 2 cette masse. Que peut-on conclure sur l observation de la température lors du chauffage. Noter la puissance de la plaque chauffante. Reproduire, et compléter le tableau suivant, récapitulant les différentes mesures effectuées m bécher m 1 m 2 Masse d eau vaporisée: m (kg) Durée de l ébullition : t (s) Puissance de la plaque : P (W) Calculer E elec (J), l énergie électrique fournie par la plaque de puissance P(W), durant l ébullition de durée t(s). Calculer E therm (J), l énergie thermique consommée par l eau lors de sa vaporisation. Comparer les 2 valeurs trouvées précédemment ; expliquer la différence de ces 2 valeurs. Calculer le rendement du dispositif de vaporisation

6 Fusion de la glace La chaleur latente (ou enthalpie) massique de fusion de la glace est : L fusion = 330 J.g -1 Que signifie cette valeur? - Mettre plusieurs glaçons, dans un gros bécher contenant de l eau froide. - Poser le vase interne du calorimètre sur une balance et noter sa masse: m calo - Tarer la balance. - Préparer de l eau tiède dans un bécher ; noter θ1 la température de l eau tiède - Verser dans le vase environ 100 à 200 g d eau tiède ; noter m 1 la masse d eau versée dans le vase. - Replacer le vase dans le calorimètre et le fermer. - Essuyer rapidement 2 glaçons et les mettre dans le calorimètre. La température des glaçons est θ2 = 0 C - Agiter et noter la température finale θf stabilisée de l eau lorsque les glaçons ont complètement fondu - Peser le vase intérieur du calorimètre et en déduire la masse m 2 des glaçons introduits Reproduire, et compléter le tableau suivant, récapitulant les différentes mesures effectuées m calo m 1 θ 1 m 2 θ 2 θ f 0 C Donner la formule permettant de calculer E Th1, l énergie thermique perdue par l eau tiède au cours du mélange en fonction de m 1, C eau, θ 1 et θ f ; Calculer E Th1 Donnée : C eau = 4,18 J.g -1. C -1 A quoi à pu servir cette énergie thermique perdue par l eau tiède? Donner la formule permettant de calculer E Th2, l énergie thermique gagnée par les glaçons au cours de la fonte des glaçons en fonction de m 2, et L fusion ; Calculer E Th2 Donnée : L fusion = 330 J.g -1 Donner la formule permettant de calculer E Th2, l énergie thermique gagnée par l eau froide provenant de la fonte des glaçons en fonction de m 2, C eau, θ 2 et θ f ; Calculer E Th2 Donnée : C eau = 4,18 J.g -1. C -1 Quelle relation devrait-on avoir entre E th1, E th2 et E Th2? La relation est-elle vérifiée? Comment peut-on expliquer les résultats obtenus?