Document : Différentes classes de feu Les feux se différencient par la nature du combustible

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1 CONFORT DS LA MAISON ET DS L'ENTPRISE Lycée des Métiers LEONARD DE VINCI /2016 COMMENT CHAUFFER AVEC LES SSOURCES NOM : _ 1. Les ressources combustibles ACTIVITE «Comment faire du feu?» Document : Le triangle du feu Les trois éléments nécessaires à la combustion Document : Procédés d extinction d un feu Document : Différentes classes de feu Les feux se différencient par la nature du combustible Les solides formant des braises (bois, papier, tissus...) Les liquides (essence, pétrole, alcool...) Les gaz (butane, propane, gaz naturel...) Les métaux (aluminium, magnésium...) En supprimant l énergie d activation par refroidissement En supprimant le comburant par étouffement En supprimant le combustible 1.a. Quel est le nom du phénomène chimique qui se produit lorsqu il se forme du feu?... b. Cette réaction est-elle (cocher la bonne réponse) : Endothermique Athermique Exothermique c. Quel autre phénomène physique cette réaction dégage-t-elle? Relier les bonnes définitions : Combustible Corps qui, par combinaison avec un autre corps, conduit à la combustion de ce dernier Comburant Corps susceptible de subir une combustion 3. Proposer quatre exemples de dispositifs domestiques permettant de chauffer ou de se chauffer, utilisant des combustibles différents. Préciser pour chaque exemple alors la classe du feu. Dispositif Combustible Classe du feu 4.a. Quel est précisément le nom du comburant utilisé dans ces quatre dispositifs?... b. Parmi les modèles moléculaires suivants, lequel lui correspond? TTP S.P.C. / ACTIVITES 1/8

2 COMMENT CHAUFFER AVEC LES SSOURCES TP 1 «À quelle famille chimique appartiennent les combustibles usuels?» Aborder Analyser/Raisonner Document : Combustibles courants Propane Gaz naturel Réaliser Fioul (principalement de l hexadécane) Gazole (mélange de Essence (mélange Butane plusieurs constituants, d heptane et d octane) dont le dodécane) Document : Modèle moléculaires des combustibles du document Modèle moléculaire (En noir : C, en blanc : H) Combustible le contenant Valider Communiquer Document : Préfixes utilisés en nomenclature en chimie Nombre de carbone de la chaine linéaire Préfixe 1 méth- 2 éth- 3 prop- 4 but- 5 pent- 6 hex- 7 hept- 8 oct- 9 non- 10 déc- 12 dodéc- 15 pentadéc- 16 hexadéc 30 eicos- Nom chimique Formule brute Masse molaire 1.a. Quel sont les noms des deux atomes qui composent ces combustibles?... b. Justifier le nom «d hydrocarbure» donné à ces constituants..... c. Compléter les colonnes 2 et 3 du tableau du document (à partir des documents et ). 2.a. Réaliser le modèle moléculaire du butane. Appel n 1 : Faire vérifier le modèle moléculaire b. De combien d atomes d hydrogène est-il composé?... c. Quelle est alors sa formule chimique?... d. Compléter la 4 e colonne du tableau du document (attention aux atomes «cachés» sur les dessins). e. Tous ces constituants appartiennent à une même famille chimique : les alcanes. Proposer une formule chimique générale pour un alcane dont la molécule contient n atomes de carbone :... Appel n 2 : Faire vérifier la proposition 3.a. Rechercher dans le document ressources les masses moléculaires atomiques suivantes : M(C) =... g/mol ; M(H) =... g/mol b. Calculer les masses molaires de chacun de ces composés chimiques (5 e colonne du document ). TTP S.P.C. / ACTIVITES 2/8

3 COMMENT CHAUFFER AVEC LES SSOURCES 2. La combustion : une réaction chimique TP 2 «Quelle réaction chimique se produit dans une chaudière?» Aborder Document : Bruleur gaz Analyser/Raisonner Document : Fonctionnement de la Chaudière «à condensation» Réaliser Valider Surface de combustion Turbine Communiquer Document : Aménagement d une chaudière au gaz Moteur Elles permettent de réaliser jusqu'à 30% d'économies de combustible. 1.a. Quel est le combustible utilisé dans la chaudière présenté?... b. Sur le schéma du document, légender l endroit où ce combustible arrive (puis tracer une flèche). c. Quel est le comburant nécessaire à la réaction?... d. Sur le schéma du document, légender l endroit où ce comburant arrive. e. Pour une chaudière dite «à condensation», quel est le composé chimique qui permet d augmenter le rendement de la chaudière en utilisant son énergie de condensation?... f. Quel est le rôle du tuyau de longueur L du document? «Quelle réaction chimique se produit dans une chaudière?» Proposer une hypothèse, en explicitant celle-ci (on détaillera les réactifs et les produits) a. Préparer le montage ci-contre. b. Quel est la couleur initiale du sulfate de cuivre anhydre?... c. Mettre en fonctionnement la trompe à vide. Quel ici sa fonction?... d. Allumer le bec bunsen, et noter les observations faites : au niveau de l entonnoir : au niveau du sulfate anhydre : au niveau de l eau de chaux : e. Que prouvent les observations faites, quant aux produits qui se dégagent de cette réaction chimique? Appel : Faire vérifier les conclusions expérimentales Flamme bleue Sulfate de cuivre anhydre Trompe à vide Eau de chaux TTP S.P.C. / ACTIVITES 3/8

4 COMMENT CHAUFFER AVEC LES SSOURCES NOM : _ f. Compléter alors les équations suivantes, en les équilibrant : Méthane + Dioxygène CH Cette équation est l équation de la combustion complète du méthane. 4. Il arrive parfois que la chaudière soit mal réglée. a. Réaliser le montage ci-contre avec deux bougies et deux bouteilles en plastiques munies d orifices d aération. b. Une seule des deux bouteilles permet une bonne combustion de la bougie. Laquelle et pourquoi? c. Que faut-il faire avec un bec bunsen pour régler la couleur de la flamme?... d. Régler le bec bunsen pour obtenir une flamme jaune. Comment est alors la quantité de dioxygène servant à la combustion? en excès en défaut (=manque) e. Tenir par-dessus la flamme une coupelle renversée que l on a précédemment fixée solidement à une pince en bois. f. Réaliser ci-contre le schéma de l expérience, puis noter les observations faites : La combustion est alors dite incomplète. Schéma de l expérience : 5.a. Télécharger sur la plaquette «Risque d intoxication au monoxyde de carbone». b. Quels sont les caractéristiques du monoxyde de carbone (CO)? c. Quelles sont les causes de sa formation?... d. Si on soupçonne la présence de monoxyde de carbone, quel est le premier geste à effectuer? e. Dans quel type de combustion le monoxyde de carbone se forme-t-il? complète incomplète 6. Confirmer ou infirmer l hypothèse formulée à la question initiale, en l explicitant.... Document : Chaudière fioul Écrire et équilibrer l équation de la réaction que se produit dans une chaudière au fioul (C16H34).... Une rangée d orifices d aération Deux rangées d orifices d aération Exercice 1 : Prévention des dangers de la combustion L installation d au moins un détecteur de fumée dans chaque foyer permettrait de préserver 400 à 500 vies et réduirait le nombre de victimes brulées fortement! C est pourquoi une loi a été voté en France, rendant obligatoire les détecteurs de fumée dans tous les lieux d habitation en mars Proposer pour chacun des schémas le tracé des rayons lumineux issus de par la DEL émettrice 2. Quel est l élément qui déclenche l alarme? TTP S.P.C. / ACTIVITES 4/8

5 COMMENT CHAUFFER AVEC LES SSOURCES TP 3 «Quel volume de dioxyde de carbone dégage un engin de chantier?» Aborder Analyser/Raisonner Réaliser Un engin de travaux publics fonctionne avec un moteur à essence. Celle-ci est principalement constituée d octane (C8H18), et elle subit une combustion complète. La masse volumique de l octane est C 8 H 18 = 0,69 kg/l. On brule 3,3 L d octane lors d un chantier, et on souhaite déterminer le volume de dioxyde de carbone alors dégagé. Valider 1.a. Écrire et équilibrer l équation de combustion complète de l octane : Communiquer b. Déterminer la masse en gramme, d octane utilisée : m(c8h18) =... c. Calculer la masse molaire de l octane : M(C8H18) =... d. En déduire la quantité de matière, en mol, d octane utilisé (arrondir à l unité) : n(c8h18) = m(c8h18) M(C8H18) =... Appel n 1 : Faire vérifier les calculs 2. Les nombres qui ont permis d équilibrer l équation de la réaction (appelés coefficients stœchiométriques) donnent une indication sur les quantités qui réagissent. a. D après l écriture de la réaction, pour 2 moles de C8H18 ayant réagies, combien de moles de CO2 sont produites?... b. Il y a proportionnalité entre les coefficients stœchiométriques et les nombres de moles. Pour 20 moles de C8H18 ayant réagies, combien de moles de CO2 sont produites? n(co2) =... Appel n 2 : Faire vérifier la quantité de matière de CO 2 dégagée 3. À même conditions de température et de pression, tous les gaz ont le même volume. On cherche donc ici à déterminer expérimentalement le volume d une mole de gaz, appelé volume molaire V. a. Découper précisément 2 cm de ruban de magnésium dont on donne la masse : m(mg) = 0,021 g b. Préparer le montage ci-contre (sans boucher le ballon). Attention, il ne doit pas y avoir de bulle d air dans l éprouvette! c. À l aide d une pipette, introduire 5 ml d acide chlorhydrique dans le ballon. Appel n 3 : Faire vérifier le montage d. Introduire dans le ballon le ruban de magnésium, et boucher immédiatement après le ballon avec le dispositif expérimental. e. Équilibrer l équation de réaction qui se produit : HCl + Mg MgCl2 + H2 f. Déterminer le nombre de moles de magnésium introduit dans le ballon : n(mg) = m(mg) M(Mg) =... g. Déduire des coefficients stœchiométriques de l équation le nombre de moles de gaz dihydrogène H2 qui a alors été produit par la réaction de tout le magnésium : n(h2) =... h. Relever sur l éprouvette graduée le volume de dihydrogène produit : v(h2) =... L i. En déduire la valeur du volume molaire V : V = v(h2) =... =... L/mol n(h2) Appel n 4 : Faire vérifier les résultats j. Comparer cette valeur à la valeur théorique de 24 L/mol (à 20 C). éprouvette remplie d eau 4. Déduire (à partir de la valeur théorique du volume molaire), le volume de dioxyde de carbone CO2 dégagé par l engin de travaux publics : TTP S.P.C. / ACTIVITES 5/8

6 COMMENT CHAUFFER AVEC LES SSOURCES Exercice 2 : Déjeuner sur un chantier Lors d un déjeuner sur un chantier, des ouvriers utilisent des réchauds au gaz butane. 1. Le butane a pour formule C 4H 10. Préciser le nom et le nombre d atomes constituants la molécule. 2. Écrire et équilibrer la réaction de combustion complète du butane. 3. Une cartouche de gaz de ce réchaud contient 190 g de gaz butane, soit l équivalent de 3,3 moles de gaz. Calculer, en litre, le volume de dioxygène nécessaire à la combustion complète du gaz contenu dans la bouteille. Le volume molaire dans les conditions d utilisation est de 22,4 L/mol. 3. Énergie libérée par la combustion TP 4 «Comment estimer la quantité de chaleur que dégage une cheminée à l éthanol?» Aborder Analyser/Raisonner Réaliser TTP S.P.C. / ACTIVITES 6/8 Valider Communiquer Document : Cheminées à éthanol Document : Combustible Éthanol L éthanol (C2H5OH) est issu de l'hydrolyse puis de la fermentation des sucres contenus dans des végétaux tels que la betterave, la canne à sucre, le topinambour. Ce carburant est donc une source d'énergie renouvelable sans risque de pénurie à plus ou moins long terme. Sa combustion ne dégage pas de fumée. C'est pour cela qu'il est utilisé pour alimenter des systèmes de chauffage sans conduit de cheminée. Chaleur produite : Le pouvoir calorifique de l'éthanol est de kj/l, (50% de plus que le bois). Document : Avis du CSC (Commission de la Sécurité des Consommateurs) sur les Foyers à éthanol (Déc. 2008) Ils sont à la mode mais pas sans risques. Les foyers à éthanol sont des produits actuellement commercialisés avec des arguments de vente ambigus. Souvent présentés comme des objets de décoration destinés à produire une flamme brève dans un habillage esthétique, ils peuvent également se présenter sous l apparence de cheminées encastrables. Or, du fait de l extrême inflammabilité du combustible* qu ils utilisent, ces appareils peuvent occasionner de graves brûlures et même rejeter du monoxyde de carbone [...]. Dans un avis adopté le 11 décembre dernier, la Commission réclame la suspension de la commercialisation des appareils les plus dangereux, en particulier ceux qui ne répondent pas à l'obligation générale de sécurité car non équipés des dispositifs permettant de prévenir les risques d'intoxication, de brûlures et d'incendie. [...] Aux consommateurs ayant déjà acquis ces appareils, elle recommande de ne pas les utiliser dès lors qu ils ne sont pas équipés des dispositifs de sécurité de nature à prévenir les risques de brûlure et d intoxication, en particulier d un détecteur de monoxyde de carbone. On souhaite déterminer la quantité de chaleur dégagée par la combustion de 5 ml d éthanol 1.a. Écrire et équilibrer l équation de combustion complète de l éthanol. b. Convertir 5 ml d éthanol en litres. v éthanol =... L c. Quels sont les dangers d une cheminée à l éthanol?.. d. Quelles précautions doit-on alors prendre pour expérimenter sa combustion en laboratoire? 2. Proposer un protocole expérimental permettant Schéma de l expérience : de mesurer la quantité d énergie libérée par 5 ml d éthanol Appel n 1 : Faire vérifier la proposition et la justifier oralement

7 COMMENT CHAUFFER AVEC LES SSOURCES NOM : _ 3.a. Mettre en application les consignes de sécurité symbolisées ci-contre : b. Peser une canette en aluminium : m canette =... kg c. Introduire dans la canette 150 ml d eau à l aide d une éprouvette graduée d. Introduire 5 ml d éthanol dans un creuset, à l aide d une pipette jaugée. e. Fixer, avec une potence, la canette au-dessus du creuset. entourer le dispositif d un cylindre en carton recouvert de papier aluminium f. Mesurer la température initiale de l eau : initial =... Appel n 2 : Faire vérifier le montage expérimental et enflammer en présence du professeur l éthanol présent dans le creuset g. En regardant la couleur de la flamme préciser la nature de la combustion : complète incomplète h. À quoi sert l énergie libérée par la combustion de l éthanol?... i. À la fin de la combustion, noter la température maximale atteinte de l eau : final =... j. Compléter le schéma suivant en indiquant les formes d énergies : ÉNERGIE... ÉNERGIE... 4.a. Calculer la quantité de chaleur Q eau reçue par l eau pendant tout le temps de chauffage. On donne : Q = m c ( final initial) ; Les données nécessaires sont dans le document ressource. Q eau =... b. Calculer la quantité de chaleur Q canette reçue par la canette en aluminium pendant le chauffage. Q canette =... c. En supposant que toute la chaleur dégagée par la combustion de l éthanol a été reçue par l eau et la canette, donner la valeur de la quantité de chaleur Q éthanol cédée par l éthanol. Q éthanol =... d. Les combustibles sont caractérisés par leur pouvoir calorifique en kj/l. Calculer le pouvoir calorifique de l éthanol. Appel n 3 : Faire vérifier le pouvoir calorifique déterminé expérimentalement e. Comparer cette valeur à la valeur théorique donnée dans le document. f. Justifier l écart.... Exercice 3 : Chauffage à l aide des déchets L usine ASTRIA traite annuellement tonnes de déchets de l agglomération bordelaise par incinération. Un circuit d eau récupère les calories de la combustion en circulant dans les chaudières. La vapeur d eau portée à haute température et à haute pression, restitue son énergie mécanique à un turboalternateur qui la transforme en énergie électrique. Celui-ci produit kwh par an. La consommation annuelle moyenne d électricité d un ménage de 3 personnes est d environ kwh par an. 1. Proposer un schéma de l installation. 2. Combien d habitants pourrait-on ainsi alimenter pendant une année? Exercice 4 : Chaleur dégagée par la combustion de l alcool à brûler On chauffe une boîte à boisson en aluminium de masse m Al = 100 g. Elle contient une masse m eau = 400 g d eau qui est portée de la température 1 = 20 C à la température 2 = 80 C. La capacité thermique massique de l aluminium est c AL = 0,897 kj/kg. C. La capacité thermique massique de l eau est c eau = 4,18 kj/kg. C. 1. Déterminer la quantité de chaleur Q 1 nécessaire pour chauffer la boîte à boisson. 2. Déterminer la quantité de chaleur Q 2 nécessaire pour chauffer l eau contenue dans la boîte à boisson. 3. En déduire la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer l ensemble de la boîte et de l eau. 4. La masse d alcool qui a brûlé est m alcool = 3,5 g. En déduire le pouvoir calorifique de l alcool à bruler en J/g. TTP S.P.C. / ACTIVITES 7/8

8 COMMENT CHAUFFER AVEC LES SSOURCES Exercice 5 : Chaudière à plaquettes ou a granulés de bois 1. Quel est le combustible utilisé par ces chaudières? 2. Par quel système la chaudière est-elle alimentée en combustible? 3. Le tableau suivant compare les prix du kwh de différentes énergies : Énergie Prix du kwh en centimes d euros Granulés de bois 7,5 Gaz naturel 9,46 Électricité 15 Le chauffage représente en moyenne et annuellement une énergie de 250 kwh. Calculer l économie réalisée entre un chauffage aux granulés de bois et au gaz naturel. 1 Réservoir de stockage 2 Volet d aspiration 3 Séparateur 4 Système d aspiration 5 Entraînement de vis sans fin 6 Vis d alimentation Exercice 6 : Combustion du polystyrène expansé Le pouvoir calorifique du polystyrène expansé est de kj/kg. 1. Sachant que 1 kwh correspond à kj, calculer le nombre de kwh dégagé par la combustion de 1 kg de polystyrène. 2. Avec cette énergie, pendant combien d heures pourrait-on alimenter une lampe de puissance 100 W? 7 Sonde Lambda 8 Brûleur 9 Allumage automatique 10 Débitmètre d air massique 11 Échangeur de chaleur autonettoyant. Exercice 7 : Chauffage d une casserole d eau Pour faire chauffer une casserole d eau, on utilise un brûleur fonctionnant au gaz propane (C 3H 8). 1. Écrire et équilibrer l équation de combustion du propane. 2. On élève la température de l eau de 23 C à 43 C. Sachant que la quantité d eau chauffée est de 2 litres, calculer la quantité de chaleur Q reçue par l eau. (Masse volumique de l eau : eau = kg/m 3 c eau = J/(kg.K) 3. Sachant que l on chauffe l eau pendant 4 minutes et 40 secondes, calculer la puissance thermique reçue par l eau. Arrondir à l unité. 4. La courbe ci-contre représente la variation de température de l eau en fonction du temps. Dans la phase 1 le brûleur est alimenté par du gaz. a. Dans la phase 2 le brûleur n est plus alimenté, le système de chauffage est coupé. Que constatet-on? b. Que peut-on en déduire sur le sens des échanges de chaleur entre l air ambiant et l eau de la casserole? TTP S.P.C. / ACTIVITES 8/8