Sciences et Technologies de l Industrie et du Développement Durable ENERGIE THERMIQUE ENERGIE THERMIQUE

Transcription

1 Sciences et Technologies de l Industrie et du Développement Durable ENERGIE THERMIQUE 1 ère STI2D CI5 : Efficacité énergétique active TP1 EE ENERGIE THERMIQUE INSTRUCTIONS PERMANENTES DE SÉCURITÉ 1. Avant toute mise sous tension, le professeur vérifie le montage et contrôle le calibrage des appareils de mesure. 2. La mise sous tension et hors tension du poste (consignation, déconsignation) est effectuée en présence du professeur. 3. Toute intervention nécessitant l ouverture d un circuit électrique (installation d un appareil) est effectuée hors tension. 4. Pendant la phase ou le poste est sous tension, l élève travaille sans modifier le câblage du circuit (relevés de mesures ). 5. En cas de problèmes sur un poste de travail voisin, vous devez impérativement couper l alimentation du poste en activant le bouton d arrêt d urgence le plus proche. C EST LE PROFESSEUR QUI DONNE, APRÈS AVOIR PROCÉDÉ À LA CONSIGNATION DU POSTE, L AUTORISATION DE DÉMONTAGE TP1 CI5 Energie thermique.docx Lycée Jules Ferry Versailles 1/5

2 Mise en situation Dans cette étude nous allons comparer plusieurs systèmes électriques de chauffage de l eau. Elle concerne donc la transformation d énergie électrique en énergie calorifique : Energie électrique Energie calorifique L application choisie est la réalisation de 5 tasses de café quotidiennes au repas de midi. C est une application domestique mais les raisonnements développés sont identiques pour une application industrielle. On dispose d une cafetière électrique et d une bouilloire dont les caractéristiques électriques sont connues. Pour que les résultats soient comparables d un dispositif à l autre, on mesure la température de l eau après utilisation de la cafetière. Elle doit être la même en fin de chaque manipulation. AU COURS DES ESSAIS VOUS DEVEZ MANIPULER L EAU CHAUDE AVEC PRUDENCE Le thermomètre est un appareil de mesure fragile : le manipuler avec précaution. TP1 CI5 Energie thermique.docx Lycée Jules Ferry Versailles 2/5

3 1. Chauffage de 5 tasses de café avec la cafetière La cafetière est reliée au réseau par l intermédiaire d un compteur d énergie qui permet la mesure de sa tension d alimentation, du courant qu elle absorbe, de sa puissance et de l énergie consommée. La contenance permettant de faire cinq tasses de café est 500 ml Relever les caractéristiques disponibles sur la cafetière, données par le constructeur, et les reporter sur le document réponse Calculer les données manquantes si nécessaire et compléter le document réponse Réaliser le montage suivant sans connecter la cafetière au compteur d énergie : Prise secteur Compteur d énergie Cafetière Thermomètre Remplir la cafetière avec le volume d eau nécessaire (500 ml). Mesurer la température initiale de l eau θi et la reporter sur le document réponse. Remettre à zéro la mesure de l énergie du compteur (voir notice jointe). APPELER LE PROFESSEUR POUR VERIFICATION 1.4. Mettre sous tension comme pour réaliser la confection du café. Pendant que la cafetière fonctionne, relever sur le compteur : la tension, le courant, la puissance. Dès que toute l eau est passée, mettre hors tension la cafetière et relever : l énergie consommée. la température finale θf. Reporter vos mesures sur le document réponse Calculer la différence de température entre le début et la fin de l expérience Δθ = θf θi et compléter le document réponse. TP1 CI5 Energie thermique.docx Lycée Jules Ferry Versailles 3/5

4 2. Chauffage de 5 tasses de café avec la bouilloire La bouilloire est reliée au réseau par l intermédiaire d un compteur d énergie, comme dans l expérience précédente. La contenance de l eau chauffée est toujours de 500 ml Relever les caractéristiques disponibles sur la bouilloire, données par le constructeur, et les reporter sur le document réponse Calculer les données manquantes si nécessaire et compléter le document réponse Réaliser le montage suivant sans connecter la bouilloire au compteur d énergie : Prise secteur Compteur d énergie Bouilloire Thermomètre Remplir la bouilloire avec le volume d eau nécessaire. Vérifier la température initiale de l eau. Remettre à zéro la mesure de l énergie du compteur (voir notice jointe). APPELER LE PROFESSEUR POUR VERIFICATION 2.4. Mettre sous tension de manière à élever la température de l eau de la même valeur Δθ que précédemment. Mesurer : la tension, le courant, la puissance, l énergie consommée. Reporter vos mesures sur le document réponse. TP1 CI5 Energie thermique.docx Lycée Jules Ferry Versailles 4/5

5 3. Comparaison et exploitation des résultats On va compléter ces mesures par l évaluation du bilan énergétique de chaque moyen de chauffage. On sait que l énergie W nécessaire au chauffage d une masse m de produit de capacité thermique massique c pour faire passer sa température d une valeur θ 1 à une valeur θ 2 est : W = m. c. (θ 2 - θ 1 ) W : énergie calorifique en J m : masse en kg θ 1 : température initiale en C θ 2 : température finale en C c : capacité thermique massique en J/kg/ C (4186 J/Kg/ C pour l eau) 3.1. Calculer l énergie calorifique W en J nécessaire au chauffage des 500 ml d eau avec les températures initiale et finale mesurées Sachant que 1 Wh = 3600 J, calculer l énergie calorifique W en Wh Calculer les valeurs des rendements énergétiques dans chaque cas et reporter les valeurs sur le document réponse Le prix du kwh vendu par EDF étant de 0,1209, déterminer le coût en énergie pour faire 5 tasses de café pour chaque méthode Le mix énergétique de l électricité en France est de 83 g de CO 2 pour 1 kwh produit. Déterminer l impact carbone de chaque méthode Pourquoi, pour une même tâche remplie, l énergie nécessaire à la préparation de cinq tasses de café est- elle différente? Donner les avantages et les inconvénients de ces différents moyens de chauffage de l eau et conclure sur les améliorations possibles. TP1 CI5 Energie thermique.docx Lycée Jules Ferry Versailles 5/5