Baccalauréat technologique blanc

Épreuve de physique-chimie série STL spécialité sciences physiques et chimiques en laboratoire

et STI2D

sciences et technologies de l'industrie et du développement durable

Sujet de Physique-Chimie

Durée 3 heures A l’exclusion de tout autre matériel électronique,

l’usage de la calculatrice est autorisé

conformément à la circulaire n°99-186 du 16-11-1999 Le sujet comporte 9 pages numérotées de 1 à 9.

La maison intelligente

Le projet de Maison Intelligente (également appelée « maison communicante » ou « maison connectée ») doit permettre d’évaluer l’apport de la domotique dans la gestion d’énergie et l’optimisation du confort dans l’habitat. L’ensemble du sujet traite des solutions apportées à un particulier qui souhaite améliorer son habitat. Le sujet se compose de 3 parties qui peuvent être traitées dans n’importe quel ordre : - Partie A : La pompe à chaleur - Partie B : La piscine intelligente et économique - Partie C : Pilotage et sécurité de la maison intelligente Chaque sous-partie est indépendante des autres et peut être traitée dans un ordre différent de celui proposé. Il est rappelé aux candidats que la qualité de la rédaction, la clarté et la précision des explications entreront dans l’appréciation des copies.

Vous rendrez le sujet avec vos copies d’examen. Chaque exercice devra être traité sur des pages différentes.

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Partie A : La pompe à chaleur

Après avoir regardé un reportage sur le développement durable, un particulier pense pouvoir réduire sa facture d’électricité d’une manière plus écologique. Il décide donc d’installer une pompe à chaleur pour sa maison et sa piscine.

A.1. Le fonctionnement d’une pompe à chaleur

A.1.1 Qu’est-ce qu’un fluide caloporteur ? A.1.2 A partir de l’annexe A, quel changement d’état a lieu dans l’évaporateur ? Dans le condenseur ? A.1.3 A partir de l’annexe A, comment varient la pression et la température dans le compresseur ? Dans le détendeur ? A.1.4 La température d’ébullition du fluide caloporteur, sous sa pression dans l’évaporateur, doit-elle être supérieure ou inférieure à la température de la source froide ? Justifier ?

A.2. Chauffage d’une piscine

Le particulier possède une piscine de 20m 3 qu’il souhaite chauffer grâce à la pompe à chaleur. Généralement, il remplit sa piscine d’eau à 10°C et la chauffe à 25°C. A.2.1 Sachant que la capacité thermique de l’eau est c eau = 4180 J.kg

-1 .K

-1 , calculer la quantité de chaleur nécessaire au chauffage de l’eau de piscine. A.2.2 Convertir ce résultat en kWh. A.2.3 Sachant qu’EDF facture 0.12 euro le kWh, en déduire le montant de la facture pour le chauffage de la piscine si l’installation est entièrement électrique. A.2.4 A partir de l’annexe A, quel serait le coût énergétique du chauffage de la piscine si le particulier avait installé une pompe à chaleur de COP de 3 ? A.2.5 En déduire le montant la nouvelle facture pour le chauffage de la piscine. Lycée Marie Curie – Sujet de Physique Chimie Bac Blanc STL/STI2D Page 2/9

ANNEXE A –

La pompe à chaleur

Document 1 : Document 2 : Une pompe à Document 3: chaleur (PAC) permet de puiser la chaleur dans un milieu froid, et d’en fournir au milieu chaud, alors Une pompe à chaleur est utilisée aussi bien pour refroidir (réfrigérateur, climatiseur) que pour chauffer un bâtiment, l’eau d’une piscine … Document4 : de chaleur entre la source froide et la source chaude sont assurés par un fluide caloporteur (ou frigorigène) qui va subir des transformations cours d’un cycle. au Le coefficient de performance (ou COP) est égal au rapport de la chaleur utile (fournie à la source chaude pour une PAC, oui puisée à la source froide pour une machine frigorifique) par l’énergie électrique consommées pour le fonctionnement du compresseur. La valeur du COP d’une PAC dépend de la température extérieure et de la température intérieure ; elle est souvent comprise entre 2.5 et 3.5. Concrètement un COP de 3 veut dire que pour une consommation électrique de 1kWh, une PAC fournira une quantité de chaleur à la source chaude de 3kWh.

D ’après Hachette Physique-Chimie TSTI2D collection durandeau Lycée Marie Curie – Sujet de Physique Chimie Bac Blanc STL/STI2D Page 3/9

Partie B : La piscine intelligente et économique

Du traitement automatique de l'eau à la piscine intelligente et économique, aujourd’hui on propose de rendre votre piscine autonome: - Plus d'obligation de se déplacer au bord du bassin pour contrôler la qualité de l'eau, connaitre les valeurs pour savoir comment intervenir. - Plus d'intervention dans le local technique, une fois les valeurs de consignes paramétrées, il suffit de profiter de sa piscine sans se soucier de la qualité de l'eau ou du lavage.

B.1. Régulation automatique du pH

Le potentiel hydrogène ou pH de l'eau est un élément important dans l'entretien d'une piscine. Dans une piscine, le pH idéal se situant à 7,2 ; ce pH neutre permet d'améliorer la qualité de l'eau qui devient plus lipide et douce. Les risques d'irritations et de démangeaisons sont nuls et les heures de baignades deviennent des moments de purs plaisirs. Or, l'eau est un élément instable, son pH varie constamment, d'où la nécessité d'une rectification régulière de son pH. Le particulier dont la piscine fait 20 m 3 , fait le raisonnement suivant : « je veux ramener le pH de ma piscine de la valeur 9,2 à la valeur idéale ». B.1.1 De manière générale en chimie, comment évolue la valeur du pH lorsqu’on ajoute une solution acide ? B.1.2 Quel est le caractère (acide ou basique) du produit permettant de ramener le pH de ma piscine de la valeur 9,2 à la valeur idéale de 7,2? B.1.3 A partir de l’annexe B, et en utilisant les informations du document 2, le particuliers doit ajouter 500 g de produit (pH Minus). Au bout de combien de temps peut-il espérer se baigner à nouveau ? B.1.4. En quoi le régulateur automatique pourrait-il être une solution pour lui ?

B.2. Etude d’un produit

Le particulier opte pour le régulateur automatique et se met à l’achat de bidons de produits pH minus et pH plus. B.2.1 A partir de l’annexe B, et en utilisant les informations du document 3, quel est le caractère (acide ou basique) de pH minus ? B.2.2 En expliquant la signification des pictogrammes de sécurité figurant sur l'étiquette, déterminer les précautions à prendre pour manipuler ce produit. Le principal composant du produit indiqué sur l'étiquette est l'acide sulfurique (H 2 SO 4 (aq)). Il fait partie du couple acide-base H 2 SO 4 (l) / SO 4 2 (aq). B.2.3 Écrire la demi-équation acide-base associées au couples H 2 SO 4 (l) / SO 4 2 (aq). La piscine à pH 9,2 contient trop d’ions hydoxyde HO (aq) associées aux couples H 2 O(l) / HO (aq). B.2.4 Écrire la demi-équation acide-base associées au couples H 2 O(l) / HO (aq). B.2.5 En déduire l’équation de la réaction acido-basique entre l’acide sulfurique H 2 SO 4 (l) et les ions HO . Cette équation est-elle cohérente avec le rôle du produit utilisé ? Justifier. Lycée Marie Curie – Sujet de Physique Chimie Bac Blanc STL/STI2D Page 4/9

ANNEXE B –

La piscine intelligente et économique

Document 2:

Réguler le pH de l'eau par le dosage en granulés

est surtout adapté à une eau basique, d'un pH supérieur à 7,4. La dose maximale, de granulés, injectable étant de 9.2 à 8.2 par exemple, il faut verser exactement 12,5 g/m³ de produit. Malgré des divers désavantages, ce procédé reste efficace et le dosage des granulés permet de corriger tout déséquilibre de pH. Néanmoins, face à de telles difficultés, les propriétaires de piscine peuvent opter pour le régulateur automatique.

Mesure et régulation automatique du pH

L‘eau a une influence déterminante sur la valeur du pH. En fonction de la dureté et de la température de l‘eau, la valeur du pH peut fortement fluctuer et doit régulièrement être contrôlée et, le cas échéant, corrigée. pH Minus permet de diminuer un pH trop faible. Lorsque l’analyse détermine que le pH doit être adéquate opportun . dans le circuit d’eau de la piscine. De cette l’équilibre de l’eau de la piscine est maintenu à la valeur désirée, sans aucune intervention. L’appareil apporte le strict nécessaire, au moment Le régulateur automatique automatise cette étape capitale pour un entretien optimal de piscine. L‘appareil mesure en continu la valeur actuelle du pH dans la piscine. En cas de besoin, il dose et délivre la quantité exacte (ce qui permet de réaliser de fortes économies) de pH Minus ou de pH Plus nécessaire pour atteindre la valeur optimale du pH de 7,2. Selon le réglage effectué, le système peut assurer une augmentation ou une diminution de la valeur du pH. La mesure est effectuée grâce à une sonde électrode placée sur le circuit de circulation de l’eau ou grâce à une chambre d’analyse située dans le corps de l’appareil. Dans ce cas, l’eau est apportée jusque dans l’appareil grâce à une dérivation. Le régulateur de pH est relié à 1 bidon de produit chimique : ph+ ou ph- en fonction du besoin de votre eau.

D’après http://www.acheter-piscine.com/actualites/212/ph-fun-pour-une-regulation-de-ph-simple-et-efficace.html

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Document 3 :

Étiquette du pH minus

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Partie C : Pilotage et sécurité de la maison intelligente

C.1. La télécommande « universelle » du salon

La télécommande est un dispositif, généralement de taille réduite, servant à en manipuler un autre à distance, par câble, infrarouge ou ondes radio. Les télécommandes servent à interagir avec des jouets, des appareils audiovisuels comme une télévision ou une chaîne Hi-fi, etc... C.1.1. À l’aide du document 4 de l’annexe C, justifier quelle technique « radio » ou « infrarouges » utilise la télécommande universelle étudiée pour le salon. C.1.2. À l’aide du document 5 de l’annexe C, donner la valeur de la durée « t » d’un bit de codage en seconde, et en déduire la fréquence d’un bit. C.1.3. On donne un exemple de codage : À l’aide du document 5 de l’annexe C, donner les valeurs C5 | C4 | C3 | C2 | C1| C0 du code ci-dessus. C.1.4. Convertir la valeur binaire de la question précédente en valeur décimale.

C.2. La télécommande d’activation de l’alarme.

C.2.1. À l’aide du document 6 de l’annexe C, déterminer la période du signal de la télécommande d’alarme. C.2.2. Rappeler la valeur de la célérité d’une onde électromagnétique dans l’air. C.2.3. Pour la réception, la centrale utilise une antenne rectiligne demi-onde de taille L = λ / 2 (avec λ la longueur d’onde). Calculer la longueur de l’antenne de la centrale puis donner sa valeur en centimètres.

C.3. Envoi de données domotiques vers l’extérieur.

Des éléments de mesures de la maison (température pour le chauffage, position des stores des volets) sont reliés à une centrale wifi qui communique avec la box internet de la maison. Ceci permet d’obtenir depuis l’extérieur des informations sur la maison. C.3.1. Décrire et dessiner la structure d'une onde électromagnétique wifi. C.3.2. La norme wifi 802.11n a été conçue pour pouvoir utiliser les fréquences 2,4 GHz ou 5 GHz. Donner les longueurs d’ondes minimale et maximale de ces signaux. C.3.3. Calculer l’énergie E en Joules associée à chaque onde wifi. On donne : h = 6,62.10

-34 J.s. En déduire quelle fréquence (2,4 GHz ou 5 GHz) est la plus énergétique. Lycée Marie Curie – Sujet de Physique Chimie Bac Blanc STL/STI2D Page 7/9

ANNEXE C–

Document 4 :

Pilotage et sécurité de la maison intelligente

Sensibilité relative en longueurs d’onde de la télécommande du salon

Document 5 :

Principe de codage de la télécommande

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Document 6 :

Alimentation: 6 V DC Piles: 4 piles micro, alcalines (LR 03) Fréquence d'émission: 433,42 MHz Portée d'émission: env. 100 m (terrain libre) Plage de température: 0 °C à +55 °C Dimensions: L 192 x l 53 x H 23 mm

Caractéristiques techniques de la télécomman de d’alarme

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