PROJET N°1

APPRENDRE A REDUIRE SES FACTURES

BTS ESF 2ème année

Nadia LAVOIGNAT Centre de Formation Ozanam Mâcon

EXPERTISE ET CONSEIL PEDAGOGIQUESPROJET 1 : APPRENDRE A REDUIRE SES FACTURESPHYSIQUE - CHIMIE HABITAT - LOGEMENT

Chimie de la vie quotidienne - La réaction chimique - Eau et solutions aqueuses : Eaux naturelles

Oxydoréduction - Piles et accumulateurs

Sciences et technologies - Aménagement du logement : Confort thermique / Confort lumineux

DEROULEMENT DU PROJET DOSSIER

I. PRESENTATION II. PHYSIQUE - CHIMIE

Fiche 1 : La réaction chimique (rappel) Fiche 2 : Eaux naturelles (rappel) Fiche 3 : Piles et accumulateurs

III.HABITAT - LOGEMENT Fiche 1 : Confort lumineux Fiche 2 : Confort thermique

IV.FICHE D’ACCOMPAGNEMENT (Sites, rapports, documents…) V. MISE EN LIGNE DU PROJET

SITE DU PROF

https://lc.cx/cWCa

p.1

p.4 p.5 p.8

p.22 p.29 p.35

PHYSIQUE-CHIMIE HABITAT-LOGEMENT

MODULE 1

PLAN DE TRAVAIL

ESF 2ème année PROJET 1 / APPRENDRE A REDUIRE SES FACTURES

Présentation du projet

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Technicienne supérieure en Économie Sociale et Familiale, vous êtes employée par Pays Sud Bourgogne (reconnu par l’Agence de l’Environnement et de la Maitrise de l’Energie (ADEME)).

M et Mme Martin ont deux enfants de 8 et 10 ans. Ils prévoient de rénover leur habitation construite en 1980. Souhaitant réaliser des économies d’énergie, ils vous sollicitent pour différents conseils techniques concernant cette rénovation. Ils désirent avoir également des conseils pour pouvoir réduire d’autres factures, notamment celle de l’eau.

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Vous indiquerez au couple les gestes éco-citoyens à adopter pour réduire la consommation d’eaudu robinet au quotidien à travers les dispositifs hydro-économes qui peuvent être installés dans la sallede bain et les toilettes

Pour appuyer votre explication, vous leur proposerez une mise en situation concrète en mettant à leur disposition des informations sur les équipements et les habitudes de 2 familles de 4 personnes, la famille « Gaspi » et la famille« Éco ».

Réalisez les calculs permettant d’évaluer la dépense annuelle liée aux usages de l’eau des deux familles « Gaspi » et « Eco » si le prix du m3 d’eau est à 3,5 euros (moyenne en Bourgogne)

Vous souhaitez aussi leur signaler l’avantage financier de la consommation de l’eau du robinet par rapport à la consommation d’eaux minérales

Pour appuyer votre explication, vous calculerez le coût annuel de la consommation des trois types d’eaux de boisson pour une famille de quatre personnes

Consommation moyenne d’eau de boisson par personne et par jour : 1,3 litres.

Afin de préparer ce rendez-vous durant lequel vous devrez conseiller cette famille, vous devez réunir différents renseignements : (1) Quels sont les gestes à adopter pour réduire la facture liée à la consommation d’eau du robinet et eaux de boisson ?

Ce dossier composé :- de différentes fiches de cours, de TD, de TP à compléter,- de sites d'animations ou de Quizz,- de sites d'informations,

vous aidera à réaliser votre projet.

Le projet se fera en petits groupes de 3 au maximum. p.3

(2) Quels sont les gestes à adopter pour réduire la facture d’électricité ?

Vous estimez nécessaire d’informer le couple de l’importance de l’isolation thermique.Vous produisez à leur intention un document de synthèse, indiquant les différentes solutions techniquespermettant d’améliorer l’isolation thermique de leur maison (notamment l’isolation des murs, le doublevitrage…)

Pour mieux argumenter, vous comparerez le flux de chaleur perdue en hiver à travers le plafond de l’habitation : - Dans la situation actuelle (parpaing de 20 cm d’épaisseur + plaque de plâtre de 12,5 mm)- Dans l’hypothèse d’une isolation des combles par le sol (rouleaux de laine de roche de 200 mm d’épaisseur)

Vous déterminez en kW.h l’économie d’énergie ainsi réalisée pendant 1 mois d’hiver

Température dans l’habitation θ1= 20°C Température moyenne en hiver dans les combles θ2 = 5°C Conductivité thermique :

λλaine de roche = 0,041 W.m-1.K-1 ; λplaque de plâtre = 0,25 W.m-1.K-1 ; λparpaing = 0,95 W.m-1.K-1 Surface des combles S = 75 m2

Vous indiquerez au couple la nécessité d’utiliser des lampes « basse consommation »

Préparez un document qui vous servira de support pour argumenter la discussion avec le couple. Sur ce document, vous présentez le principe de fonctionnement des 4 types de lampes disponibles dans le commerce (lampe à incandescence, lampe halogène, lampe fluocompacte, LED) et vous comparez leurs caractéristiques. Afin de mettre en évidence les économies réalisables, vous comparez le cout de fonctionnement annuel de ces 4 types de lampes pour l’éclairage d’une pièce

Le couple ayant été démarché par un vendeur d’adoucisseurs, s’interroge sur l’intérêt d’une telle installation. Pour les aider dans leur réflexion, vous souhaitez les informer des conséquences de l’utilisation d’une eau dure, les sensibiliser à la surconsommation des résistances entartrées, et leur donner des conseils sur les différents adoucisseurs (à résine, à CO2…)

Vous sensibiliserez le couple aux économies qu’il peut également faire :

- en utilisant des piles rechargeables plutôt que des piles classiquesVous recherchez les avantages et les inconvénients de ces deux types de piles

- en évitant au maximum la veille des appareils électriques- en choisissant des appareils électriques à basse consommation énergétique- en utilisant certains appareils lors des heures creuses- ………….

Vous présenterez vos informations sous formes de fiches techniques, de dossier, d’affiches, de flyers, de diaporama..., que vous mettrez en ligne.Vous étaierez vos informations d’exemples concrets.

Physique Chimie ESF 2ème année

PROJET 1 / Fiche 1

La réaction chimique - Rappels

Décrire un système, c'est indiquer :

- Les espèces en présence et la quantité de matière de chacune.- Leur état physique : solide (s), liquide (l) ou gazeux (g). Si une espèce est en

solution aqueuse, on notera (aq). Ex : C(s) ; H2O(l) ; O2(g) ; Na+(aq)

- La pression P (On n’oubliera pas que ces données fixent la valeur de Vm)- La température T

La réaction chimique : Elle permet de modéliser la transformation en traduisant le passage des réactifs aux

produits. Elle indique également dans quelles proportions les réactifs sont consommés et les

produits sont formés. Elle indique l’état physique des réactifs et produits. Son écriture symbolique s’appelle l’équation chimique :

Réactif 1 + réactif 2 + … Produit 1 + produit 2 + ....

Le sens de la flèche donne le sens de l’évolution.

� Exemple : C(s) + O2(g) CO2(g) CH4(g) + 2O2(g) CO2(g) + 2 H2O(l)

Les nombres qui précèdent les molécules sont appelés coefficients stoechiométriques. (Le 1 n’est jamais écrit) Ces nombres ne sont pas aléatoires, on les choisit en respectant deux lois :

• Conservation des éléments chimiques• Conservation de la charge globale : charge des réactifs = charge des produits.

L'avancement :L’avancement d’une réaction est une grandeur notée x qui s’exprime en mole.

Il correspond à la quantité de produit qui se formerait avec un coefficient stœchiométrique de 1.

Liste de sites pour s'entraîner :

Animations :

https://lc.cx/JwjR https://lc.cx/ciPw

Exercices, Quizz, QCM... : https://lc.cx/JqWa https://lc.cx/wbvn https://lc.cx/wbve

p.4

Physique Chimie ESF 2ème année

PROJET 1 / Fiche 2

Eau et solutions aqueuses : Eaux naturelles - Rappels

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Une couche de calcaire de 5 mm d’épaisseur, sur une résistance chauffante (ballon d’eau chaude,bouilloire…), augmente de 35% la consommation énergétique pour chauffer l’eau ;

Alors comment éviter de dépot de tartre pour éviter la surconsommation d’électricité?

DOC1 : Origine de la dureté d’une eau ► La dureté totale d’une eau ou titre hydrotimétrique TH est liée à la quantité d’ions calcium Ca2+ et d’ions magnésium Mg2+ qu’elle contient. ► La lègère acidité de l’eau de pluie due à la dissoultion du dioxyde de carbone dans l’atmosphère entraine la lente érosion de certaines roches carbonatées. La calcite CaCO3 et la dolomite CaMg(CO3)2, par exemple, se dissolvent dans l’eau en participant aux r éactions suivantes : CaCO3 (s) + H2O,CO2 → Ca2+ (aq) + 2 HCO3

- (aq)

CaMg(CO3)2 (s) + 2 H2O,CO2 → Ca2+ (aq) + Mg2+ (aq) + 4 HCO3-

(aq) Ainsi la dureté d’une eau dépend de la nature géologique des terrains qu’elle a traversés : un sol c rayeux ou calcaire donnera « une eau dure » (Nord, Bassin Parisien), alors qu’un sol granitique donnera plutôt une « eau douce » (Bretagne, Vosges).

DOC2 : Inconvénients d’une eau trop dure ► L’eau dure n’a pas d’effets nocifs sur la santé. Cependant, une eau trop dure peut présenter desi nconvénients d’utilisation. Notamment, une eau trop dure provoque l’entartrage des circuits d’eau chaude. Dans une eau chaude, les ions hydrogénocarbonate de l’eau se transforment en ions carbonate 2 HCO3

- → CO32-+CO2+H2O

Les ions carbonate CO32- s’unissent aux ions calcium Ca2+ de l’eau dure pour donner le carbonate de

calcium CaCO3 : Ca2+ + CO3

2- —> CaCO3 Le carbonate de calcium, dénommé également tartre ou calcaire, se dépose dans les chaudières et l es tuyauteries. I l adhère aux parois lorsque la température est supérieure à 70°C, et empêche ensuite une bonne t ransmission de la chaleur. Un dépôt de calcaire de 1 mm sur les résistances ou les échangeurs (machine à laver, chauffe-eau, c hauffage) provoque une surconsommation d’énergie d’environ 15%.

DOC5 : Les résines échangeuses d’ions ►Les adoucisseurs utilisent des résines échangeusesd’ions permettant de remplacer les ions calcium Ca2+ etmagnésium Mg2+ par des ions sodium Na+.Le but de ces adoucisseurs est d’abaisser le titrehydrotimétrique afin qu’il se rapproche des valeurs de 15à 20 °f.

► Les ions sodium, contrairement aux ions calcium etmagnésium, ne provoquent pas l’entartrage des canalisations. Il est conseillé de brancher l'adoucisseuruniquement pour protéger les conduites destinées à alimenter la production d'eau chaude (lave-linge,lave-vaisselle, chauffe-eau). Ce n'est en effet qu'aux températures supérieures à 60°C que l'entartrageest problématique.Un adoucisseur domestique contient un compartiment contenant une résine échangeuse d’ions, un bacà sel ainsi qu’un système de vannes régulant la circulation de l’eau.

► La résine est un ensemble de petites billes sur lesquelles vient se fixer le sodium du sel régénérant,les ions calcium sont absorbés en lieu et place des ions de sodium qui sont libérés dans l'eau. Lorsquetous les ions sodium ont été échangés (saturation), la résine ne peut reprendre son rôle qu'après avoirété régénérée par une solution saline concentrée et rincée.Ces appareils, en éliminant totalement les quantités de calcium et de magnésium présentes dans l'eaude distribution, modifient son équilibre chimique. L'eau devient de la sorte agressive tant vis-à-vis desdépôts préexistants que du métal des canalisations. L'absence ou la destruction d'un fin film protecteurde calcaire sur les parois intérieures de ces dernières peut être source de problèmes de corrosion.

DOC3 : Inconvénients d’une eau trop douce Une eau trop douce présente aussi des inconvénients : contrairement à ce que l'expression "eau

douce" peut suggérer, elle devient agressive et peut entraîner des phénomènes de corrosion sur les métaux favorisant la formation de fuites. Or les bactéries se développent préférentiellement aux points de fuite et de corrosion. En outre, la corrosion augmente la concentration en cuivre, étain ou plomb de l’eau, (suivant le matériau dont sont faites les conduites), toutes substances nocives à la consommation. Une eau trop douce est donc une eau qui contribue à la dégradation de la qualité de l’eau dans les canalisations.

Ainsi, l'utilisation permanente d'eau distillée ou déminéralisée (débarrassée du calcaire et du magnésium) dans des fers à repasser, des centres de repassage ou des nettoyeurs vapeur permet certes d'éviter l'entartrage, mais pas la corrosion des éléments en contact avec l'eau (semelle du fer, chaudière p.ex.).

DOC4 : La distillation de l’eau ► Lors d’une distillation, l’eau est chauffée dans unballon ; lorsqu’elle arrive à ébullition, elle s’évapore. Lesmicro-organismes et les éléments minéraux restent dansle ballon. Les vapeurs sont condensées dans unréfrigérant parcouru par un courant d’eau froide.L’eau distillée est récupérée dans un erlenmeyer.

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Liste de sites pour mieux comprendre :

Animations :

https://lc.cx/cMXF (Dureté de l'eau) https://lc.cx/cMBe (Résine échangeuse) https://lc.cx/cMBv (Résine échangeuse) https://lc.cx/cM2u (Hydrodistillation)

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DOC1: Piles ou « accus » ? D’après www.quechoisir.org

▪ Nous avons régulièrement besoin de piles. Pendules, télécommandes, lampes :beaucoup d’objets utilisent des piles. Les piles apparaissent comme coûteuses pourune durée de vie courte. Se pose alors la question des accumulateurs (appeléscouramment “piles rechargeables”): plus chers à l’achat, sont-ils pour autant rentables à l’usage ?

A première vue, le prix des accumulateurs est beaucoup plus élevé. A l’unité, une pile alcaline coûte entre 0,84 et 1,61 euros en moyenne. Un accumulateur coûte en moyenne entre 2,48 et 4,44 euros pièce. Le chargeur, lui, coûte entre 12 et 76 euros. Si l’investissement de départ est plus élevé pour un accumula-teur, c’est sur le long terme qu’il est intéressant.

Les accumulateurs se déchargent plus rapidement que les piles classiques, mais ils peuvent être char-gés plusieurs centaines de fois. Utiliser des accus devrait être un réflexe pour tous les appareils qui con-somment beaucoup ou qui sont très utilisés, car « la pile rechargeable » peut faire économiser des centaines d’euros par an par rapport à l’utilisation de piles jetables. Les calculs effectués dans le cadre des essais en laboratoire sont parlants. Pour une manette de console de jeu utilisée en moyenne 2 heures par jour, on dépense entre 20 et 30 € sur un an si on utilise des accus, mais entre 200 et 700 € si on achète des piles jetables.

Le gain de pouvoir d’achat dépend évidemment de l’usage et du type d’équipement ; il est toujours au rendez-vous pour les appareils photo, les GPS, les jouets qui fonctionnent sur piles (voitures radiocom-mandées, trains électriques….).Par contre, si les piles rechargeables s’imposent dès qu’un appareil est très sol-licité ou énergivore, elles ne conviennent pas aux équipements qui consomment très peu, typiquement les réveils, les horloges, les télécommandes, les détec-teurs de fumée. Les piles jetables alcalines y fonctionnent pendant plusieurs années sans avoir à être changées, les remplacer par des accus ne présente donc aucun intérêt, ce n’est pas rentable.

Mais pensons à l’environnement ! Pour limiter l'impact des piles jetables sur l'environnement, la solution passe par les accus rechargeables.

Comment fonctionnent les piles électrochimiques?De quoi sont-elles constituées ?

Comment peut-on expliquer que des piles usagées « cou-lent » ?

Et quelle est la différence entre une pile et un accumula-teur ? Que de questions….

Avant de répondre à toutes ces questions, parlons chimie…

Physique Chimie ESF 2ème année

PROJET 1 / Fiche 3

Oxydoreduction : Piles et accumulateurs

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1. Pour commencer....

DOC2 : Quelques définitions… ▪ Toute réaction chimique mettant en jeu un transfert d’électrons est appelée réactiond’oxydoréduction

▪ Au cours d’une réaction d’oxydoréduction:

- le réactif qui perd des électrons est appelé réducteur: on dit qu’il s’oxyde au cours d’une réactiond’oxydation

- le réactif qui gagne des électrons est appelé oxydant : on dit qu’il se réduit au cours d’une réactionde réduction

▪ Un couple oxydant/réducteur (Ox/Red) est l’association d’un oxydant et d’un réducteur du mêmeélément chimique

DOC3 : Classement des couples ▪ Une réaction d’oxydoréduction s'effectue avec deux couples Ox/Red, entre l'oxydant le plus fort et leréducteur le plus fort

Au cours d’une réaction d’oxydoréduction, 2 couples OX/RED interviennent Ox1/Red1 et Ox2/Red2 :

Ox1 + Red2 → Ox2 + Red1

On dit que le pouvoir oxydant de Ox1 est supérieur à celui deOx2

On dit que le pouvoir réducteur de Red 2 est supérieur àcelui Red1

On peut alors classer les deux couples Ox1/Red1 et Ox2/Red2

Quelques expériences

EXP1 - Dans un tube à essai, introduire un peu de solution contenant les ions Fe2+

- Ajouter quelques gouttes d’une solution d’hydroxyde de sodium ou soude (Na+ ; HO-)

→ Qu’observe-t-on ?

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EXP2 - Dans un tube à essais contenant une solutionpeu concentrée de sulfate de cuivre (Cu2+ ;SO4

2-), introduire de la poudre de fer puis agiterjusqu'à ce que la couleur bleue de la solutiondisparaisse

- Refaire la même expérience dans un autre tube à essai avec une solution concentrée de sulfate de cuivre.- Verser quelques gouttes de soude (Na+ ; HO-) dans la solution du 1er tube.

→ Qu’observe-t-on ?

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→ Ecrire l’équation de la réaction entre les ionscuivre Cu2+ et la poudre de fer Fe

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→ Montrer que cette réaction peut se décompo-ser en 2 demi-équations, montrant un échanged’électrons entre les réactifs

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→ Quelle est l’espèce qui donne les électrons ?Quelle est l’espèce qui reçoit les électrons ?

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→ Qui est le réducteur de la réaction ? Qui estl’oxydant de la réaction ?

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→ Quels sont les 2 couples Ox/Red qui inter-viennent dans la réaction ?

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EXP3 - Plonger un fil de cuivre dans un tube à essaicontenant une solution concentrée de nitrated'argent (Ag+, NO3

-)

→ Qu’observe-t-on ?

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→ Ecrire l’équation de la réaction entre les ionscuivre Ag+ et le fil de cuivre Cu

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→ Montrer que cette réaction peut se décompo-ser en 2 demi-équations, montrant un échanged’électrons entre les réactifs

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→ Quelle est l’espèce qui donne les électrons ?Quelle est l’espèce qui reçoit les électrons ?

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→ Qui est le réducteur de la réaction ? Qui estl’oxydant de la réaction ?

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→ Quels sont les 2 couples Ox/Red qui inter-viennent dans la réaction ?

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EXP4 - Dans un tube à essai, introduire un peu depoudre de fer et ajouter un peu d’acide chlorhy-drique (H3O+, Cl-)- Poser un bouchon sur le tube pendantquelques secondes puis approcher une allu-mette près de l’ouverture du tube. - Après quelques minutes, introduire quelquesgouttes de soude dans le tube.

→ Qu’observe-t-on ?

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→ Ecrire l’équation de la réaction entre les ionsH3O+ et la poudre de fer Fe

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→ Montrer que cette réaction peut se décompo-ser en 2 demi-équations, montrant un échanged’électrons entre les réactifs

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→ Quelle est l’espèce qui donne les électrons ?Quelle est l’espèce qui reçoit les électrons ?

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→ Qui est le réducteur de la réaction ? Qui estl’oxydant de la réaction ?

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→ Quels sont les 2 couples Ox/Red qui inter-viennent dans la réaction ?

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EXP5 - Dans un tube à essai, introduire des copeauxde cuivre et ajouter un peu d’acide chlorhy-drique.

→ Qu’observe-t-on ?

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Classement des couples

→ Classer les 2 couples qui interviennent dansl’EXP2 suivant leur pouvoir oxydant ou réducteur

→ Classer les 2 couples qui interviennent dansl’EXP3 suivant leur pouvoir oxydant ou réducteur

→ Classer les 2 couples qui interviennent dansl’EXP4 suivant leur pouvoir oxydant ou réducteur

→ A l’aide des résultats précédents, classer surun même axe, les 4 couples Ox/Red qui inter-viennent au cours de l’activité

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Liste de sites pour mieux comprendre et s’entraîner :

https://lc.cx/cW2u https://lc.cx/cW2y (Résine échangeuse)

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EX3) On plonge une bague en argent dans une solution de chlorure d'or contenant des ions or Au3+. Que se passe-t-il ?

EX4) Écrire la réaction d'oxydo-réduction entre les couples Fe2+/Fe et Cu2+/ Cu

EX5) L’eau circulant dans une tuyauterie est acide. Une partie des raccords de tuyauterie est en fer.

Une réaction chimique mettant en jeu les couples Fe2+/ Fe et H+/ H2 peut alors se pro-duire. Écrire cette réaction.

- Y a-t-il réaction entre la solution de sulfate decuivre et le clou en fer ?

- Y a-t-il réaction entre la solution de sulfate dezinc et le clou en fer ?

Dans le cas où la réaction a eu lieu :

- Écrire les deux demi-équations électroniquescorrespondantes.

- Écrire l’équation bilan de la réactiond’oxydoréduction. Des deux réactifs, préciserquel est l’oxydant et quel est le réducteur.

EX7) Les deux métaux présents en majorité dans le bronze sont le cuivre Cu et l’étain Sn. On verse de l’acide chlorhydrique (contenant des ions H+) dans un bécher contenant un mor-ceau de bronze.

- Que se passe-t-il ?

- Ecrire l’équation de la réaction chimique

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EX6) On dispose d’une solution de sulfate de cuivre (Cu2+ ; SO4

2-) et d’une solution de sulfate de zinc (Zn2+ ; SO4

2-) On place un clou en fer dans chacune des deux solutions.

EX1)

On plonge une barre d'un métal M dans une solution contenant des ions d'un autre métal M'

Dans les expériences suivantes, indiquer s'il y a ou non réaction (donc dépôt) ; écrire l’équation de la réaction.

a. une barre de zinc Zn dans une solution con-tenant des ions Cu2+

b. une barre de cuivre Cu dans une solutioncontenant des ions Zn2+

c. une barre de fer Fe dans une solution conte-nant des ions Ag+

d. une barre de zinc Zn dans une solution con-tenant des ions Fe2+

e. une barre de fer Fe dans une solution conte-nant des ions Al3+

EX2) Prévoir si les réactions suivantes sont possibles. Si c'est le cas, écrire l'équation bilan de la réaction:

a. réaction entre les ions aluminium Al3+ etl’argent Ag

b. réaction entre les ions plomb Pb2+ etl’aluminium Al

c. réaction entre les ions zinc Zn2+ et le plombPb

Applications (1)

DOC2: La pile Daniell En 1836, le physicien et chimiste anglais Daniell (1790-1845) améliore la pile Volta en utilisant des plaques de cuivre et de zinc, une solution de sulfate de cuivre (II), une solution de sulfate de zinc « Oui, l'appareil dont je vous parle, et qui vous étonnera

sans doute, n'est qu'un assemblage de bons conducteurs de différentes espèces, arrangés d'une certaine manière. Vingt, quarante, soixante pièces de cuivre, ou mieux d'argent, appliquées chacune à une pièce d'étain, ou, ce qui est beaucoup mieux, de zinc et un nombre égal de couches d'eau, ou de quelque autre humeur qui soit meilleure conductrice que l'eau, simple, comme l'eau salée, la lessive…. Ou des morceaux de carton imbibés de ces humeurs ; de telles couches interposées à chaque couple ou combinaison des deux métaux différents ; une telle suite alternative, et toujours dans le même ordre, de ces trois espèces de conducteurs, voilà tout ce que constitue mon nouvel instrument… il est capable de donner la commotion toutes les fois qu'on le touche convenablement, quelque fréquents que soient ces attouchements. »

DOC1: La pile Volta Lettre adressée au président de la Société Royale de Physique à Londres, le 20 mars 1800, par l’italien Alessandro Volta (1745 – 1827),

DOC3: Polarité d’une pile

Pour déterminer la polarité d’une pile, on place à ses bornes un voltmètre :

DOC4: Constitution de la pile électrochimique Une pile est constituée de deux compartiments (les demi-piles).chaque demi-pile comporte une électrode en métal, plongeant dans une substance conductrice qui contient des ions (un électrolyte). Les deux compartiments sont reliés par une jonction

La jonction entre demi-piles peut être réalisée par l’intermédiaire d’un pont salin, constitué d’un tube rempli d’une solution gélifiée contenant des ions susceptibles de se déplacer, ou par une paroi poreuse permettant le passage des ions de l’électrolyte.

- si la valeur indiquée par le voltmètre estpositive, la borne (V) du voltmètre est reliéeau pôle + de la pile et la borne (COM) aupôle -- si la valeur indiquée par le voltmètre est négative, la borne (V) du voltmètre est reliée au pôle - de la pile

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2. Comment fonctionne une pile ?

DOC5: La pile électrochimique, siège d’une réaction d’oxydoréduction

Une pile permet de convertir de l’énergie chimique en énergie é lectrique ; l’énergie chimique provient d’une transformation chimique mettant en jeu un transfert d’électrons La surface des électrodes est le siège de la transformation chimique:

- Au pole négatif (= anode) : des électrons sont produits au cours d’une réactionoxydation ; les électrons circulent ensuite dans le circuit extérieur puis arrivent à l’électrodepositive- Au pole positif (= cathode) : les électrons sont consommés au cours d’une réaction deréduction

La pile Daniell

Pour comprendre le fonctionnement d’une pile Daniell (ou pile cuivre-zinc), réaliser le dispositif suivant :

Un bécher contient une plaque de cuivre plongée dans une solution de sulfate de cuivre, et un second, une plaque de zinc plongée dans une solution de sulfate de zinc.

Les deux béchers (appelés « demi-piles ») sont reliées par un pont salin rempli d’une solution de chlorure de potassium (K+, Cl-)

→ Réaliser la pile cuivre-zinc

→ Déterminer la polarité de la pile

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▪ La tension aux bornes de la pile lorsqu’elle nedébite pas de courant est appelée « tension àvide » ou f.e.m (force électromotrice)

→ Mesurer la valeur de la f.e.m de la pile

…………………………………………………….. → Légender le schéma de la pile en indiquant :

- la polarité de la pile- le sens du courant- le sens de déplacement des électrons- le sens de déplacement des ions

→ Indiquer :

- les deux couples oxydant/réducteur quiinterviennent lors du fonctionnement de la pile

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- les réactions aux électrodes et la réactiond’oxydoréduction globale

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- Comment varient l’état des électrodes et lesconcentrations des ions des électrolytes

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Liste de sites pour mieux comprendre :

https://lc.cx/cW6j (Pile Daniell) https://lc.cx/cWuU (Pile Daniell) https://lc.cx/cWud (Piles)

D’autres piles électrochimiques

→ Réaliser 3 autres piles à l’aide du matériel etdes solutions disponibles.

→ Légender les schémas des piles en indiquantla polarité de la pile et sa f.e.m

→ Indiquer les réactions aux électrodes puis laréaction d’oxydoréduction globale

Applications (2)

EX1) Pour les piles schématisées, indiquer : - Les polarités de la pile- le sens du courantélectrique- Le sens de déplacement des porteurs de charge - Les réactions auxélectrodes et la réaction globale

EX2) On veut réaliser une pile constituée des couples Fe2+/Fe et Ag+/Ag. - Indiquer, parmi les schémas proposés ci-dessous, celui qui est correct. Pourquoi les troisautres schémas des piles sont-ils incorrects ?

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DOC1 : Un seul mot, recyclons… ▪ Les piles et les accumulateurs contiennentdes métaux (mercure, zinc, plomb, cadmium…)en grandes quantités. Ces métaux sont connuspour être dangereux pour la santé et pourl’environnement : une pile au mercure jetéedans la nature suffit pour contaminer 1m3 deterre et 1000 m3 d’eau pendant 50 ans !En raison de la dangerosité de ces métaux, la santé publique est également concernée par ces pollutions. Les intoxications au mercure sont possibles par inhalation ou ingestion. Manger des animaux contaminés par le mercure est donc un vecteur d’intoxication. Ce métal est connu depuis l’antiquité pour provoquer des troubles neurolo-giques : tremblements, difficultés d’élocution… Les autres métaux ont des effets tout aussi effrayants sur le système nerveux, le sang et les reins. En France, seule une pile sur trois est recyclée. Donc deux tiers des piles et accumulateurs sont soit jetés dans la nature, avec les effets désastreux sur l’environnement décrits ci-dessus, soit jetés à la poubelle. Dans ce cas, les piles sont incinérées, et les métaux lourds qu’elles contiennent polluent

l’atmosphère et les déchets d’incinération. L’Europe s’est penchée sur le problème en 2006 et a imposé de nouvelles normes pour interdire les piles contenant dont la concentration en métaux est trop importante et pour imposer des normes de recyclage. Car les piles sont facilement recyclables : à partir d’une tonne de pile, on extrait jusqu’à 600 kg de matériaux réutilisables (du ferromanganèse pour la fabrication de

l’acier, du zinc, des scories pour le B.T.P. et du mercure

DOC2 : Pile ou accumulateur ?

▪ Les piles et les accumulateurs servent à stocker de l’énergie sous forme chimique. Ce sont des géné-rateurs électrochimiques : ils sont le siège de transformations chimiques qui fournissent de l’énergieélectrique à un circuit extérieur.Une partie de l’énergie libérée est dissipée sous forme d’énergie thermique → Dans une pile, les réactifs chimiques sont introduits à la fabrication. Quand ils sont épuisés, on doitremplacer la pile par une neuve. Une pile ne peut être rechargée. Le terme « pile rechargeable » estuniquement commercial.→ Un accumulateur est un dispositif destiné à stocker l’énergie électrique et à la restituer ultérieure-ment. Il peut être rechargé.Lors de la charge, on régénère les espèces chimiques consommées lors de la décharge ; les réactionschimiques se déroulant lors de la charge et la décharge sont des réactions réversibles.

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3. Le recyclage des piles et accumulateurs

DOC3 : Les piles sèches ▪ Les piles que l’on réalise en classe ne peuvent délivrer qu’un courant de très faible intensité (quelquesdizaines de milliampères). C’est insuffisant dans la pratique. De plus une pile doit être facilement trans-portable et peu encombrante.

Pour faciliter le transport des piles et permettre leur utilisation, les réactifs sont à l’état solide et l’électrolyte est gélifié ; d’où l’appellation de pile sèche (elle ne comporte pas de liquide)

Au pole négatif de la pile, il se produit une perte d’électrons, c'est-à-dire une oxydation ; le métal ré-ducteur qui constitue ce pole, est en général le zinc Zn.

Au pole positif, il se produit une réaction de réduction ; l’oxydant utilisé est, en général, un oxyde mé-tallique

DOC4 : La pile saline ou pile Leclanché

Pôle + Cathode: bâton central en graphite qui plonge dans un électrolyte constitué Électrolyte : poudres de dioxyde de manganèse et de graphite (noir de carbone) Le dioxyde de manganèse MnO2 est réduit en manganiteMnO(OH) : MnO2 + H+ + e- → MnO(OH)

▪ Le dioxyde de manganèse, solide, est utilisé sous la forme d’unepoudre très fine; cette poudre n’étant pas conductrice, on la mé-lange avec de la poudre de graphite. Celle-ci permet le déplace-ment des électrons (venant du circuit extérieur) vers l’électrode.

Pôle - Anode: plaque de zinc (boitier de la pile) Electrolyte : gel de chlorure de zinc (Zn2+ ; 2 Cl-) et de chlorure d’ammonium (NH4

+, Cl-) ▪ L’électrolyte est constitué d’un mélange de composée ioniques, appelés sels, d’où le nom de piles« salines » Le zinc est oxydé en ions Zn2+ Zn → Zn2+ + 2 e- ▪ Sur le dessus de la pile, une capsule métallique en acier permet le contact électrique entre le boitier enzinc et l’électrode en graphite

DOC5 : La pile alcaline Pôle +

Cathode: poudre de graphite reliée à un boitier en acier

Électrolyte : poudres de dioxyde de manganèse et de gra-phite (noir de carbone)

Le dioxyde de manganèse MnO2 est réduit en manganiteMnO(OH) : MnO2 + H+ + e- → MnO(OH)

Pôle - Anode: poudre de zinc répartie autour d’un clou en acier

Electrolyte : gel d’hydroxyde de potassium (K+ ; OH-)

▪ Le potassium K appartient la famille des alcalins, éléments de la 1ère colonne de la classification pério-dique, d’où le nom de piles « alcalines »

Le zinc est oxydé en oxyde de zinc: Zn + 2 OH- → ZnO + 2 e- + H2O

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DOC6 : La pile bouton

▪ Ces piles miniatures, grâce auxquelles fonction-nent montres, calculatrices...sont des piles alca-lines, mais le dioxyde de manganèse est remplacépar un autre oxyde métallique : l’oxyde de mercureHgO ou l’oxyde d’argent Ag2O mêlé à de la poudrede graphite

Pôle + Cathode: poudre de graphite

Électrolyte : gel d’oxyde d’argent (2 Ag+, O2-) ou oxyde de mercure (Hg2+, O2-)

HgO + H2O + 2 e- → Hg + 2 OH-

Ag2O + H2O + 2e- → 2 Ag + 2 OH-

▪ Les piles à oxyde de mercure ne doivent pas être jetées après usage ; elles contiennent du mercurequi est un agent polluant

Pôle - Anode: poudre de zinc

Electrolyte : gel d’hydroxyde de potassium (K+ ; OH-)

▪ La pile bouton est une pile « alcaline »

Le zinc est oxydé en oxyde de zinc : Zn + 2 OH- → ZnO + 2 e- + H2O

DOC7 : L’accumulateur cadmium-nickel Les électrons y sont produits par l'oxydation du cadmium en hydroxyde de cadmium insoluble tandis que

le nickel est réduit, en restant sous forme d'hydroxydes insolubles :

Anode:

Cd + 2 OH- → Cd(OH)2 + 2e-

Cathode:

Ni(OH) + H2O + e- → Ni(OH)2 + OH-

Les hydroxydes insolubles adhèrent aux supports des électrodes et sont donc disponibles pour être reconvertis en les produits initiaux durant la recharge où les réactions seront inversées.

- Donner les couples Ox/Red des piles et accumulateur vus dans les documents précédents

- Donner l’équation de la réaction globale lors du fonctionnement des générateurs électrochimiques

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BILAN OXYDOREDUCTION

Piles et accumulateurs

Un peu de vocabulaire…

Une réaction d’oxydoréduction est une réaction au cours de laquelle on observe untransfert d’électrons entre deux composés.

L’espèce qui donne les électrons, au cours d’une réaction d’oxydation, est appelée ré-ducteur.

L’espèce qui reçoit les électrons, au cours d’une réaction de réduction, est appeléeoxydant.

Un couple oxydant/réducteur (Ox/Red) est l’association d’un oxydant et d’un réduc-teur du même élément chimique

Classement des couples

Au cours d’une réaction d’oxydoréduction, 2 couples OX/RED interviennent (Ox1/Red1 etOx2/Red2), l’oxydant du 1er couple réagissant avec le réducteur du 2nd :

Ox1 + Red2 → Ox2 + Red1

On dit que le pouvoir oxydant d’Ox1 est supérieur à celui d’Ox2

On dit que le pouvoir réducteur de Red 2 est supérieur à celui Red1

On peut alors classer les deux couples Ox1/Red1 et Ox2/Red2 selon leur pouvoir oxydantou réducteur :

Au cours d’une réaction d’oxydoréduction,L’oxydant le plus fort réagit toujours avec leréducteur le plus fort.

Le sens de la réaction suit la règle du gamma (γ).

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Constitution d’une pile électrochimique

• Les piles présentent toutes :

- deux électrodes constituées de matériaux con-ducteurs (en général des métaux ou du car-bone).

- une ou plusieurs solutions électrolytiques (lesions nécessaires au fonctionnement peuventêtre présents dans un gel).

- Un pont salin ou une paroi poreuse.Le pont salin est constitué d'un tube en U creux rempli d'une solution gélifiée conductriceconcentrée. Les ions présents dans le pont salin (en général K+ et Cl- ou NO3

-) n'intervien-nent pas dans la réaction d'oxydoréduction qui est la source de l'énergie électrique. On ditqu'ils sont chimiquement inertes. Leur rôle est d'une part de permettre le passage du cou-rant dans la pile et d'autre part d'assurer la neutralité électrique des solutions.

Fonctionnement de la pile électrochimique

• Une pile électrochimique est un généra-teur qui transforme une partie de l'énergiechimique venant d'une réaction d'oxydoré-duction spontanée en énergie électrique.

Lors du fonctionnement de la pile :

- l’anode (pôle négatif) est le siège d’une oxydation

- la cathode (pôle positif) est le siège d’une réduction

• La consommation des réactifs entraîne l’« usure » de la pile.

Ex de la pile Daniell :

A l’anode (borne -), on observe une oxydation du zinc de l’électrode :

Zn → Zn2+ + 2 e-

- La lame de zinc est rongée

- des ions Zn2+ apparaissent en solution

A la cathode (pôle +), on observe une réduction des ions Cu2+ de l’électrolyte :

Cu2+ + 2 e- → C

- l’électrode de cuivre se recouvre d’un dépôt de cuivre

- les ions cuivre Cu2+ de l’électrolyte sont consommés

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La f.e.m de la pile

La tension aux bornes de la pile lorsqu’elle ne débite pas de courant est appelée« tension à vide » ou f.e.m (force électromotrice)

La f.e.m de la pile dépend de la nature des métaux des électrodes et de la con-centration des électrolytes

Lorsque la concentration des électrolytes est de 1,0 mol.L-1, la f.e.m. des piles peut être calculée en utilisant les potentiels standards d’oxydoréduction (noté E°):

La fem d’une pile sera : E = E°(cathode) – E°(anode)

Ex de la pile Daniell :

E = E°(cathode) – E°(anode) = E°(Cu2+/Cu) – E°(Zn2+/Zn)

E = 0,34 – (- 0,76) = 1,1 V

Pile ou accumulateur ?

→ Dans une pile, les réactifs chimiques sont introduits à la fabrication. Quand ils sontépuisés, on doit remplacer la pile par une neuve. Une pile ne peut être rechargée. Leterme « pile rechargeable » est uniquement commercial.

→ Un accumulateur est un dispositif destiné à stocker l’énergie électrique et à la resti-tuer ultérieurement. Il peut être rechargé.

Lors de la charge, on régénère les espèces chimiques consommées lors de la décharge : ces deux réactions sont réversibles.

A recycler absolument !!

→ Les piles et les accumulateurs sont des déchets dangereux à traiter avec précaution etne doivent ainsi pas être jetés à la poubelle. Ils contiennent des métaux (nickel, cadmium,mercure, plomb, lithium, …) dont certains sont toxiques et dangereux pourl’environnement. Ils ne sont pas biodégradables.

→ Après utilisation, il faut les déposer dans des containers (présents dans toutes lesgrandes surfaces) afin de les recycler.

Les piles sont en effet composées de métaux qui se recyclent très bien. Entre 50 et 80% des métaux qu’elles contiennent peuvent être recyclés et avoir ainsi une seconde vie dans l'industrie. Il faut, par exemple, 10 piles pour fabriquer une nouvelle fourchette en inox. Leur recyclage permet donc d’éviter de gaspiller des ressources natu-relles rares ou présentes en quantités limitées dans la nature, tels que le fer, le zinc ou le nickel dont l’extraction est polluante. Leur recyclage permet également de limiter les risques de pollution. En effet, les métaux constituant les piles doivent être traités de manière spécifique. Il est donc indispensable de collecter ces métaux séparément des ordures ménagères afin d'éviter d'introduire des traces de mercure, de plomb (ou autre…) dans l’environnement.

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Habitat-Logement ESF 2ème année

PROJET 1 / Fiche 1

Aménagement du logement : Confort lumineux

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▪ Diverses lampes sont utilisées dans la vie courante : lampe à incandes-cence (lampes de chevet), lampe fluorescente (lampes à « économied’énergie » des plafonniers des maisons, « néons » des salles de classes),lampe halogène, lampe à vapeur de sodium (éclairage public)…

Qu’est-ce qui différencient ces lampes ?

DOC1 : La lampe à incandescence

▪ Porté à l'incandescence, un corps émet d'abord des rayons infrarouges puis rouges, orangés, jaunes...jusqu'à ce que, par mélange des diverses radiations du spectre, il en résulte une lumière blanche. Plussa température est élevée, plus il émet de lumière. Aussi, pour éclairer, les filaments incandescentsd'une ampoule électrique doivent-ils être chauffés à 2000 °C, sans bruler...

▪ Pour empêcher la combustion du filament amené à incandescence, on pensa à éliminer le dioxygèneen faisant le vide dans l'ampoule. Mais le vide imparfait et les filaments fragiles donnaient des lampesencore trop éphémères : les premières lampes à filament de carbone avaient des durées de vie limitéesà une centaine d'heures et leur efficacité d’éclairage était relativement faible.

▪ En 1910 William David Coolidge réalisa des filaments en tungstène ; le tungstène, avec sa températurede fusion de 3600 °C, apparut alors comme le matériau idéal pour réaliser des ampoules plus puis-santes et plus durables (longévité de 1000 heures).

Aujourd’hui encore, le tungstène demeure la star des filaments incandes-cents.

Avec le tungstène, le problème reste d'élever la température pour obtenir plus de lumière tout en diminuant la sublimation (à partir d'une certaine température, les filaments se subliment, passant de l’état solide à l’état gazeux) du filament pour accroître la durée de vie. A hautes tempéra-tures, des atomes de tungstène se séparent de la masse du filament, ils se retrouvent sous forme gazeuse dans le volume de l’ampoule et vont obscurcir l'ampoule pour finalement provoquer ce que l'on appelle « la

feux. perte mortelle », autrement dit l'extinction des

Le diamètre du filament diminue donc pro-gressivement. Il apparaît des zones fragili-sées qui s’amincissent de plus en plus jus-qu'à la rupture. La rupture du filament a sou-vent lieu lors de l'allumage de la lampe.

▪ Pour diminuer le processus de sublimation et afin d’assurer l’équilibre des pressions, on utilise desatomes de gaz inertes (argon, krypton, xénon) introduits sous pression dans l'ampoule. Le gaz le plusefficace est le Xénon, c'est aussi le plus cher, on emploie couramment de l'Argon bon marché ou leKrypton pour les lampes de gammes supérieures. Le gaz de remplissage s’oppose aux mouvementsdes atomes de tungstène et limite dans une certaine mesure la sublimation du tungstène ; il permet ainside porter le filament à des températures plus élevées sans diminuer son espérance de vie.

1. Les différents types de lampes

▪ Au vu de ces quelques données, il semble donc qu'un filament puisse durer indéfiniment, en réalité letungstène a une fâcheuse tendance à se redéposer en un point différent de celui d'où il vient. Il apparaîtdonc une série de points fragiles sur le filament, ces points sont autant de zones de rupture potentielles.La durée de vie de la lampe passe de 1000 h (lampes à incandescence classique) à 2000 heures(lampes halogène).

▪ L’ampoule de la lampe halogène au tungstène est construite en quartz (ou verres spéciaux) afin derésister aux hautes températures de fonctionnement de la lampe.

A cause de leur température élevée, les lampes halogènes émettent plus de rayonnements ultraviolets, qui ne sont pas absorbés par le quartz de l'ampoule ; pour cette raison, on place généralement devant la lampe une fenêtre en matière plastique transparente ou en verre dont la fonction est d'absorber ces radiations nocives.

▪ L'utilisation d'une ampoule halogène comporte généralement des contraintes : on doit éviter de toucherl'enveloppe de quartz qui remplace le verre et elle doit être maintenue en position horizontale. En tou-chant le quartz, relativement poreux, on risque en effet d'introduire dans l'ampoule de l'humidité et desimpuretés susceptibles d'altérer la régénération du filament.

DOC2 : La lampe halogène ▪ La lampe halogène fonctionne comme unel ampe à incandescence, mais pour dépasser les 1000 heures d'éclairage, il faut faire intervenir unnouveau type de gaz qui va donner son nom àla lampe: le gaz halogène.

▪ Sa vertu n'est pas de limiter la sublimation duf ilament de tungstène mais de permettre sa ré-g énération. Grâce au « carrousel gazeux » deshalogènes, le filament de tungstène se recom- pose au fur et à mesure qu'il se consume. Lesv apeurs halogènes se combinent avec les va-

peurs de tungstène pour former de l'halogénurede tungstène qui, entrant en contact avec lef ilament chaud, se décompose et redépose des molécules de tungstène. Les atomes quis'échappaient sont raccompagnés à demeure etretrouvent leur matériau d'origine.

DOC3 : Les lampes à décharge

▪ Ce sont des lampes qui n'ont pas de filament,elles contiennent un gaz sous haute ou bassepression. Lorsqu'une tension suffisante est ap-pliquée, un arc électrique se crée ; les atomesexcités par une décharge électrique émettentde la lumière.

▪ La couleur de la lumière émise par ceslampes dépend du gaz utilisé :- le néon donne une couleur rouge,- le mercure s'approche du bleu tout en produi-sant une quantité d'ultraviolet importante,- le sodium rayonne dans le jaune. Souvent, onle mélange avec du néon pour rendre la lumièreorangée,- le xénon (récemment employé pour l'éclairagedes automobiles) est le gaz qui permet de s'ap-

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DOC4 : Les lampes fluorescentes ▪ Si les lampes halogènes apportent un progrèsdécisif à la bonne vieille ampoule d'Edison, leslampes cylindriques à fluorescence, ou tubes« néon », fonctionnent selon un tout autre prin-cipe.

▪ Une décharge électrique entre deux électrodes provoque unarc qui excite des atomes de mercure et produit des UV. Lesrayons ultraviolets émis par les atomes de mercure sont ab-sorbés par une poudre fluorescente recouvrant la paroi in-terne du tube ; la poudre émet alors un rayonnement dans ledomaine visible.

▪ Ces lampes sont une source de lumière plus puissante etplus économique que leurs sœurs à incandescence. Mais laqualité de la lumière n'est pas la même.

▪ Les ampoules fluocompactes ou « lampes à économied’énergie », reprennent ce principe de fonctionnement sous forme d’ampoules ; ce sont en fait des tubes fluorescents repliés sur lui-même

DOC5 : Les LEDs

▪ Une diode électroluminescente, abrégée DEL ou LED (de l'anglaislight-emitting diode), est un composant électronique capabled'émettre de la lumière lorsqu' il est parcouru par un courant élec-trique. L'éclairage par diodes comporte de nombreux avantagescomparé aux autres technologies :- une DEL n'émet pas d'ultraviolets,- étant composée de matériaux semi-conducteurs, son émission dechaleur est très faible (l’énergie électrique est transformée quasiment intégralement en énergie lumi-neuse).- sa durée de vie est très longue jusqu'à 100 000 heures,- sa taille est réduite ce qui permet la création de très petits luminaires,- son flux lumineux dans l'axe est très intense.

Un site pour mieux comprendre :

https://lc.cx/cWjZ

1) Les lampes à incandescence

1.1. Expliquer rapidement le fonctionnement d’une lampe à incandescence. 1.2. Pourquoi le filament ne brule-t-il pas lors du fonctionnement des lampes ? 1.3. Que se passe-t-il lors de la sublimation du filament ? 1.4. Quel est l’intérêt du gaz inerte introduit dans les ampoules ?

2) Les halogènes

2.1. Quel est l’avantage du gaz halogène introduit dans ce type de lampe ? 2.2. En quoi sont faites les ampoules des lampes à halogènes ? Pourquoi n’utilise-t-on pas du simple verre ? 2.3. Pourquoi les ampoules sont-elles placées derrière une fenêtre en verre ou en plastique ? 2.4. Quelle précaution doit-on prendre lorsque l’on manipule une ampoule halogène ?

3) Les lampes à décharge

3.1. Expliquer rapidement le fonctionnement d’une lampe à décharge. 3.2. De quoi dépend la couleur de la lumière émise par ce type de lampe

4) Les lampes fluorescentes

4.1. Quelle différence y-a-t-il entre une lampe à décharge et une lampe fluorescente 4.3. Quels sont les inconvénients des lampes fluorescentes ou « lampes à économie d’énergie »?

Ai-je compris les documents ?

2. Quel éclairage pour l'habitat ?

▪ Diverses lampes sont utilisées dans la vie courante : lampe à incandescence(lampes de chevet), lampe fluorescente (lampes à « économie d’énergie » desplafonniers des maisons, « néons » des salles de classes), lampe halogène,lampe à vapeur de sodium (éclairage public)

Comment choisir la bonne lampe ?

DOC1 : Que d’informations !! ▪ Lorsque l’on voulait acheter une lampe, lors du règnedes lampes à incandescence, il suffisait de regarder sapuissance pour avoir une idée de son futur éclairement.

▪ Mais maintenant, on dispose de plusieurs technologiesd’éclairage, et pour pouvoir les comparer, oublions leWATT et parlons LUMEN !! En effet chaque technologiene consomme pas la même quantité d’énergie pour unemême « dose » de lumière. Et les couleurs des lumièressont variables !! Alors comment s’y retrouver !!

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DOC2 : Pourquoi remplacer les lampes incandescentes par les lampes fluocompactes ?

SUITE DOC1

DOC3 : Le flux lumineux ▪ Le flux lumineux, (en lumen, sym-bole : lm) indique la quantité totale delumière émise par une source lumi-neuse, dans toutes les directions enmême temps.

DOC4 : L’éclairement ▪ L'éclairement, (en lux, symbole : lx)d’une surface représente la quantité delumière reçue par une surface.

▪ L’éclairement d’une source de lu-mière se mesure avec un luxmètre

▪ Quelques exemples d’éclairement :- Nuit de pleine lune : 0,5 lx- Bougie : 10 lx- Rue de nuit bien éclairée : 20 à 70 lx- Appartement bien éclairé : 200 à 400 lx- Extérieur par ciel couvert : 25 000 lx- Extérieur en plein soleil : 50 000 à 100 000 lx

1 lx = 1 lm/m2

▪ Pour comparerdifférents éclairages,il est nécessaire deconnaître leur effi-cacité lumineuse,définie à partir deleur flux lumineux et

de leur puissance

DOC5 : L’efficacité lumineuse

puissance ( W)efficacité lumineuse (lm/W) = flux lumineux (lm)

surface éclairée (m2 )éclairement (lux) = flux lumineux (lm)

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DOC7 : L’IRC ou indice de rendu des couleurs

▪ L’indice de rendu des couleurs(l’IRC), caractérise la source à ne pas déformer les couleurs par rapport à la lumière solaire.

▪ Il est exprimé par un chiffre de 0 à100. La valeur maximale de 100 correspond à la lumière du jour.

▪ IRC > 90 : excellent rendu des couleurs

▪ 80 < IRC < 90 : bon rendu des couleurs

▪ IRC < 60 : mauvais rendu des couleurs

→ Une ampoule ordinaire à incandescence a un IRC de 97, et celui d’une ampoule halogène s’approche de 100. Les IRC des tubes lumineux et des ampoules fluocompactes vont de 50 à 98, suivant la composition de la poudre fluorescente qui tapisse leur verre. Quant aux lampes à LEDs blanches du marché, dont la qualité varie beaucoup, elles ont des IRC qui s’étalent de 60 à 90.

Applications

EX1) Boitier des lampes Expliquer tous les renseignements inscrits sur les boites des ampoules fluocompactes du DOC1.

EX2) Lampe fluocompacte contre lampe à incandescence

a. Calculer le rendement de la lampe à incandescence du DOC2 ainsi quede la lampe fluocompacte.

b. Pourquoi les lampes à incandescences ont-elles été retirées du com-merce ?

c. Pourquoi les lampes fluorescentes remplacent-elles dorénavant leslampes à incandescence ?

EX3) Eclairement et flux lumineux M et Mme Dupont souhaitent utiliser des lampes fluocompactes pour assurer l’éclairage de la chambre de leurs enfants. Ils désirent choisir la lampe pour l’éclairage du bureau.

Le bureau a une surface de 1 m2 et grâce au déflecteur de la lampe, il reçoit 80% du flux lumineux. L’éclairement recommandé pour un bureau est de 500 lux.

a. Calculer le flux lumineux que doit recevoir le bureau, puis en déduire le flux lumineux que doit émettrela lampe

b. L’efficacité lumineuse des lampes fluocompactes est en moyenne de 50 lm/W. Préciser à M et MmeDupont la puissance de lampe la mieux adaptée parmi celles disponibles dans le commerce (7,5W ;10W ; 13W ; 15W ; 18W).

EX4) Efficacité lumineuse

On donne ci-dessous la puissance consommée par 4 différentes lampes pour environ le même flux lu-mineux : - calculer l’efficacité lumineuse (en lm/W) de chacune des lampes et conclure

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lampe à incandescence

ampoule halogène

ampoule fluocompacte LED

Puissance consommée 40 W 28W 8 W 6 W

Flux lumineux (lm) 400 lm 345 lm 432 lm 470 lm

EX5) Lampe halogène Lampe fluocompacte

Lampe à vapeur de sodium LED

Flux lumineux 2 800 lm 350 lm 7 000 lm 400 lm Puissance électrique con-sommée 140 W 9 W 70 W 5 W

Durée de vie 1 000 h 8 000 h 15 000 h 50 000 h Température de couleur 2 900 K 5 000 K 1 900 K 2 800 K Indice de rendu des couleurs 80 80 15 80

a. Quelle est la lampe dont la lumière se rapproche le plus du Soleil ? Justifier

b. Quelle lampe a la meilleure efficacité énergétique ? Justifier.

c. Calculer l’éclairement, supposé uniforme, produit par l’ampoule halogène sur une table de 3 m2 ; quelest le nom de l’appareil utilisé pour mesurer l’éclairement ?

EX6) Lampe à incandescence Lampe fluocompacte

Prix d’achat 0,70 euros 4,90 euros Puissance

(électrique consommée) 40 W 8 W

Durée de vie 1 000 h 10 000 h

On veut remplacer une lampe à incandescence par une lampe fluocompacte. Pour chacune des 2 lampes, pour 10 000h d’utilisation :

a. Calculer l’énergie électrique consomméeb. Calculer le prix de l’énergie électrique facturée par EDFc. Calculer la somme dépensée au total avec le prix d’achat des lampes

EX7)

Type de lampes halogène Tube fluorescent LEDs

Puissance d’une lampe 150 W 190 W 0,36 W

Nb de lampes à utiliser 3 1 100

Nb d’heures par jour 8 h 8 h 8 h

Nb de jours par an 200 jours 200 jours 200 jours

Prix moyen du kW.h 0,13 euros 0,13 euros 0,13 euros

On dispose de plusieurs types de lampes qui restituent le même flux lumineux dans une pièce. - Déterminer le prix de revient annuel du fonctionnement de chacun de ces trois types de lampes

Habitat-Logement ESF 2ème année

PROJET 1 / Fiche 2

Aménagement du logement : Confort thermique

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1. Transfert thermique

DOC1 : Les transferts thermiques

Un transfert d’énergie thermiqueentre deux corps s’effectue toujoursdu corps chaud vers le corps froid

En hiver, la maison cède de la chaleur au milieu extérieur

En été, la maison reçoit de la chaleur du milieu extérieur

Les transferts thermiques peuvents’effectuer sous trois formes : letransfert par conduction, le transfert par convection, et le transfert par rayonnement

DOC2 : Le transfert thermique par conduction

Le transfert thermique par conduction se produit essentiellement dans les solides.

Les entités chimiques constituant un solide (molécules ou atomes) s’agitent en permanence autour d’une position d’équilibre. Plus la température est élevée, plus les entités s’agitent et vibrent autour de leur position. Leurs vibrations entraînent la vibration des entités voisines. La chaleur se transmet ainsi de proche en proche, sans transport de matière.

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DOC3 : Le transfert thermique par convection

La convection résulte d’un transfert thermique par mise en mouvement de la matière. Cela concerne les fluides (liquides et gaz). La convection s’observe quand on fait bouillir de l’eau dans une casserole. L’eau, chauffée par le fond de l’ustensile, se dilate : les molécules ayant une agitation plus élevée, sont alors plus éloignées les unes des autres et l’eau a un volume qui augmente. L’eau chaude devenant plus légère que l’eau froide, remonte en surface où elle va progressivement céder sa chaleur. En parallèle, l’eau plus froide en surface va descendre en longeant les parois

latérales. Une fois au fond, elle est chauffée, et remonte…. Il en résulte un déplacement collectif des molécules d’eau, effectuant ces mouvements de convection. De même, dans une pièce, l’air chauffé au contact d’un radiateur s’élève (on sait qu’il fait plus chaud en haut d’une pièce qu’au niveau du sol !), et est remplacé par de l’air froid…

Au contraire de la conduction, il y a un déplacement macroscopique de la matière lors de la convection.

DOC4 : Le transfert thermique par rayonnement

Tous les corps chauds émettent des rayonnements électromagnétiques : lumière visible ou invisible (IR). Cette lumière transporte de l’énergie qui peut permettre de chauffer. Le soleil comme une table à induction cède de la chaleur par rayonnement. Lors d’un transfert thermique par rayonnement, l’absorption ou l’émission d’onde électromagnétique modifie l’agitation thermique. Ce mode de transfert s’effectue même dans le vide.

https://lc.cx/wHUc (Les transferts thermiques) https://lc.cx/cW9f (La conduction) https://lc.cx/cW9g (La convection) https://lc.cx/cW9M (Le rayonnement)

Quelques sites pour mieux comprendre :

Animations :

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▪ EXP2/ On dispose d’un ballon à fond rond contenant de l’eaudéposé sur un trépied

- Verser quelques grains de permanganate de potassium qui colorent partiellement l’eau en violet ; chauffer le ballon avec une lampe à alcool.

→ Qu’observe-ton ? Quel type de transfert thermique permet d’expliquer lephénomène observé ?

………………………………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………………………………………………..

▪ EXP4/ On dispose d’une maquette constituée de 2 petits disques paraboliques (l’un recouvert d’une substance réfléchissante, et l’autre peint en noir) de part et d’autre d’une lampe. Un thermomètre permet de relever la température de chacun des disques.

- Allumer la lampe et observer les variations de température de chacun des disques

→ Qu’observe-ton ? Quel type de transfert thermique permet d’expliquer le phénomène observé ?

………………………………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………………………………………………..

▪ EXP3/ On dispose une bougie allumée sur une feuille d'aluminium. Placer votre doigt à côté de la bougie puis au-dessus de la bougie.

→ Qu’observe-ton ? Quel type de transfert thermique permet d’expliquer le phénomène observé ?

…………………………………………………………………………………………………………………..

▪ EXP1/ On dispose d’une étoile à 4 branches métalliques reliéesentre-elles

- On place des petits morceaux de cire de bougie aux extrémités des branches et on chauffe le centre de l’étoile.

→ Qu’observe-ton ? Quel type de transfert thermique permet d’expliquer le phénomène observé ?

………………………………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………………………………………………..

Vidéo : https://lc.cx/cW99

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DOC6 : La résistance thermique R d’une paroi

La résistance thermique d’une paroi caractérise sa capacité à s’opposer aux transferts thermiques.- Plus la résistance thermique est grande, plus la paroi est isolante.

La résistance thermique d’une paroi dépend de la conductivité thermique du matériau constituant laparoi et de l’épaisseur de la paroi

- Plus l’épaisseur de la paroi e augmente, plus la résistance thermique R augmente.- Plus la conductivité thermique du matériau λ constituant la paroi diminue, plus la résistance

thermique R augmente.

λR = e

La résistance thermique d’une paroi composée de plusieurs matériaux est égale à la somme desrésistances thermiques de chacun des matériaux qui la compose

DOC7 : Le flux thermique

Dans un matériau, la conduction de chaleur s’effectue naturellement de laface la plus chaude (de température θ1) vers la face la plus froide (detempérature θ2). La quantité de chaleur Q transmise pendant une durée t dépend:

- De la résistance thermique R de la paroi- De la surface S de la paroi- De la différence de température ∆θ entre les deux faces (∆θ = θ1 - θ2)

tR

Q =S

×× ∆θ

Le flux thermique φ correspondant au débit d’énergie, permet de comparerdes situations indépendamment du temps

RS

tQ × ∆θ

φ = =

Avec : R (m2.K.W-1) , e (m ) et λ (W.m-1.K-1)

Avec : Q (J), S (m2), ∆θ (K ou °C), t (s) et R (m2.K.W-1)

Avec : φ (W), S (m2), ∆θ (K ou °C) et R (m2.K.W-1)

DOC5 : La conductivité thermique λ d’un matériau

La conductivité thermique λ d’un matériau caractérise sa capacité à conduire la chaleur.

Matériau Cuivre aluminium zinc fer λ (W.m-1.K-1) 390 237 116 80

Matériau Granite Verre Parpaing Brique Plâtre BA13 λ (W.m-1.K-1) 2,2 1,2 0,95 0,84 0,52 0,25

Matériau Bois liège Laine de verre Air sec argon λ (W.m-1.K-1) 0,17 0,043 0,039 0,024 0,017

Plus la conductivité thermique est grande, plus le matériau conduit l’énergie thermique ; le cuivre estdonc un très bon conducteur thermique.

Plus la conductivité thermique est petite, plus le matériau est isolant ; l’air sec est donc un très bonisolant thermique

2. L'isolation thermique

EX1) Améliorer l’isolation

Un plafond non isolé de 100 m2 a une résistance thermique de 0,59 m2.K.W-1. La température intérieure est de 20°C et la température au-dessus du plafond est de 5°C.

a. Calculer le flux thermique φ1 à travers le plafond non isolé

b. On souhaite améliorer l’isolation en installant 25 cm de ouate de cellulose sur le dessus du plafond ;la conductivité thermique de la ouate de cellulose est de 0,042 W.m-1.K-1. Calculer la résistancethermique du plafond isolé, puis en déduire le flux thermique φ2 à travers le plafond isolé.

c. De quel pourcentage le flux thermique a-t-il baissé ?

EX2) Choisir le bon isolant

Monsieur F. décide de réaliser des travaux d’isolation dans sa maison. Les murs de sa maison sont constitués de bloc de béton (parpaing de 20 cm d’épaisseur ; λbéton = 0,95 W.m-1.°K-1). Pour l’isolation, il envisageait de mettre de la laine de verre et des plaques de plâtre (BA13 ; λplâtre = 1,05 W.m-1.°K-1 ), de 12,5 mm d’épaisseur. Au magasin de bricolage, le vendeur lui a parlé d’un nouvel isolant très performant et écologique, la ouate de cellulose. Il vous demande de l’aider à faire son choix avant de commencer les travaux.

Monsieur F. vous fournit les notices des différents matériaux pour réaliser l’isolation (Voir ci-dessous).

a. Faire un tableau récapitulant, la conductivité thermique λ (W.m-1.K-1), l’épaisseur e (m) et la résistancethermique R (m2.K.W-1) du béton, du BA13, de la laine de verre et de la ouate de cellulose

b. Quel est le meilleur isolant entre la laine de verre et l’ouate de cellulose ?

c. Sachant que la surface à couvrir est de 20 m2, déterminer le coût des 2 isolants (laine de verre etouate de cellulose).

d. Que peut-on conseiller à Monsieur F ?

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Applications

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EX3) Une pièce est schématisée ci-contre. Les déperditions de chaleur d’une pièce sont essentiellement dues aux murs extérieurs et aux surfaces vitrées.

Deux radiateurs R1 et R2 de puissance respective 1500 W et 1000 W permettent de maintenir la température de la pièce à 18°C.

La fenêtre a pour dimensions : 1,25 m x 2 m

La porte fenêtre a pour dimensions : 2,10 m x 1,30 m

Les surfaces vitrées offrent une résistance thermique différente selon si les volets sont ouverts la journée ou fermés la nuit.

- Entre 8 h et 22 h, volets ouverts : R = 0,9 m2.K.W-1

- Entre 22 h et 8 h, volets fermés : R = 1,2 m2.K.W-1

Les murs extérieurs isolés offrent une résistance thermique : R = 2,5 m2.K.W-1 En hiver, sur 24 heures, on enregistre les températures moyennes suivantes :

- Entre 8 h et 22 h : + 4°C- Entre 22 h et 8 h : - 2°C

a. Déperditions de chaleur des surfaces vitrées- Calculer la surface vitrée totale de la pièce- Calculer les flux thermiques à travers la surface vitrée entre 8 h et 22h, puis entre 22h et 8 h.- Calculer les déperditions de chaleurs QSV au cours de ces 24 heures en J puis en W.h (1Wh = 3600J)

b. Déperditions de chaleur des murs extérieurs- Calculer la surface totale des murs extérieurs- Calculer les flux thermiques à travers les murs extérieurs entre 8 h et 22 h, puis entre 22 h et 8 h- Calculer les déperditions de chaleurs Qmurs au cours de ces 24 heures en J puis en W.h (1Wh = 3600J)

c. Le fonctionnement des radiateurs doit compenser ces déperditions pour maintenir la température dela pièce- Calculer la quantité de chaleur à fournir durant ces 24 heures- Quel est la dépense correspondante sachant que le prix du kW. H est de 0,106 €- Quelle doit être la durée de fonctionnement des radiateurs

EX4) Choisir le bon vitrage

Un constructeur propose 3 doubles vitrages de même épaisseur totale 24 mm ; quel vitrage assure la meilleure isolation thermique ? Justifier en faisant les calculs nécessaires

Matériau Air Argon Verre λ (W.m-1.K-1) 0,025 0,018 0,81

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ESF 2ème année PROJET 1 / APPRENDRE A REDUIRE SES FACTURES

Fiche d'accompagnement

Quelques sites parmi tant d'autres……….

- Avis relatif aux risques liés à l'utilisation des lampes fluocompactes en milieu domestique : https://lc.cx/cWVC- Lampe fluocompacte : https://lc.cx/cWVF- Lampe fluocompacte sous surveillance : https://lc.cx/cWVt

- ADEME : https://lc.cx/Z3EE

- Réduire la consommation d’eau https://lc.cx/cWjK https://lc.cx/cWjr https://lc.cx/cWjV

- Dureté de l’eau https://lc.cx/cWj9 https://lc.cx/cWjC https://lc.cx/cWjt

- Piles jetables ou piles rechargeables https://lc.cx/cW9U https://lc.cx/cW9w https://lc.cx/cW9w https://lc.cx/cW9i

https://lc.cx/cW9Z https://lc.cx/cW9o https://lc.cx/cW9J https://lc.cx/cW93

- Agence Pays Sud Bourgogne : https://lc.cx/cW9G

- Rénover pour faire des économies d'énergie https://lc.cx/cWC2