Exercices chauffe-eau solaire

DS sur le Chapitre 3 du thème Habitat

Exercice 1 : Echange par conduction

On dispose de deux blocs d’acier. Chacun est percé d’un trou dans lequel il est possible d’insérer une sonde thermométrique. Lors d’un TP, le premier bloc est porté à 79°C et le second à 26°C avant d’être mis en contact dans un dispositif évitant toute perte de chaleur vers l’extérieur.

1) Définir la conduction thermique

2) Comment va évoluer la température de chacun de ces deux blocs ?

3) Quand aura-t-on atteint l’état final ?

4) Comment nomme-t-on cet état final ?

Exercice 2 : Chauffe-eau solaire

Le schéma de principe d’un chauffe-eau solaire est donné ci-contre.

Indiquer les modes de transfert d’énergie intervenant :

1. a) au niveau du panneau solaire (1),
2. b) entre le fluide caloporteur (dans le serpentin) et l’eau chaude sanitaire (dans le ballon) (2),
3. c) au sein du ballon d’eau chaude sanitaire (3).

Exercice 3 : Au bureau

Simon souhaite réaliser le bilan thermique de son local de travail. Des pertes thermiques n’existent que sur une face, composée :

–         D’une baie vitrée de longueur 2,5 m et de hauteur 2,2 m ;

–         D’une surface totale de murs (sans fenêtres !) de 25 m2.

La température extérieure, en hiver est en moyenne de 3,0 °C et la température intérieure souhaitée est de 20,5 °C.

1) Calculer le flux thermique perdu à travers le mur ( Φmur ) si la résistance thermique de ce mur est Rmur = 2,0 m2.K.W-1.

2) Calculer le flux thermique perdu à travers le vitrage ( Φvitr ) si Rvitr = 0,80 m2.K.W-1.

3) La ventilation de ce bureau implique une perte supplémentaire de 125W. Déterminer la valeur de la puissance totale perdue, concernant ce bureau (avec questions 1, 2 et 3).

4) Si les appareils bureautiques (une imprimante et un ordinateur) apportent, par leur fonctionnement, une puissance thermique moyenne de 60W chacun, et Simon de 120W (« chaleur humaine »), quelle est la puissance totale gagnée par la pièce.

5) Déduire des questions 3 et 4 le bilan thermique global de cette pièce.

6) Si le bilan thermique global a une valeur de -230 W, est-il nécessaire de prévoir un système de chauffage, sachant que la nuit, les appareils ne fonctionnent pas ?

Exercice 4 : Influence de la température

Le graphique ci-contre donne la puissance M de rayonnement surfacique émis par un corps en fonction de la longueur d’onde et pour différentes températures.

1) Quelle est la longueur d’onde correspondant au maximum de puissance rayonnée par un objet dont la température est égale à 200 K ? (faites apparaître la méthode GRAPHIQUE !)

2) Même question pour un corps à 500 K puis à 2000 K.

3) En déduire l’évolution de la longueur d’onde majoritairement émise par un corps en fonction de sa température.

4) Rappeler la relation mathématique correspondante (λmax en fonction de T), puis vérifiez par ce calcul le résultat trouvé à la question 1.