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Corrigé Physique Chimie .pdf



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re STI2D

STL

Physique
Chimie
Jean-Pierre Durandeau
Jean-Marie Bélières
Jean-Louis Berducou
Paul Bramand
Marie-Jeanne Comte
Jean-Claude Larrieu-Lacoste
Cédric Mazeyrie

Table des matières
1 Comment s’habiller, naturel ou synthétique ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Comment fabriquer des molécules géantes ?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3 Comment se protéger du chaud et du froid ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4 Quelles énergies pour l’habitat ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
5 Comment accumuler de l’énergie ?  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
6 Comment limiter les pertes d’énergie dans une habitation ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
7 Comment chauffer avec des appareils électriques ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
8 Quel est le rendement des appareils électriques non chauffants ?  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
9 Comment est distribuée l’énergie électrique ?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
10 Quelle quantité d’énergie peut fournir un combustible ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
11 Comment s’éclairer efficacement ?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
12 Comment s’isoler des bruits de voisinage ?  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
13 Quel est le principe d’une échographie ?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
14 Antiseptiques et désinfectants. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
15 Qu’est-ce qu’une réaction d’oxydoréduction ?  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
16

Quel est le rôle des ondes électromagnétiques pour la santé ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

17

Comment mesurer une vitesse ?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

18 Qu’est-ce que l’énergie mécanique ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

Couverture : npeg.fr
Maquette et mise en page : Nicolas Balbo
Schémas : Domino

© HACHETTE LIVRE 2011, 43, quai de Grenelle, 75905 Paris Cedex 15 
ISBN 978-2-01-181502-6
www.hachette-education.com
Tous droits de traduction, de reproduction et d’adaptation réservés pour tous pays.
Le Code de la propriété intellectuelle n’autorisant, aux termes de l’article L. 122-4 et L. 122-5, d’une part, que les « copies ou 
reproductions strictement réservées à l’usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective », et, d’autre part, 
que « les analyses et courtes citations » dans un but d’exemple et d’illustration, « toute représentation ou reproduction intégrale 
ou partielle, faite sans le consentement de l’auteur ou de ses ayants cause, est illicite ».
Cette représentation ou reproduction, par quelque procédé que ce soit, sans autorisation de l’éditeur ou du centre français de 
l’exploitation du droit de copie (20, rue des Grands-Augustins, 75006 Paris), constituerait donc une contrefaçon sanctionnée 
par les Articles 425 et suivants du Code pénal.

Avant-propos
Le livre du professeur, qui accompagne le manuel de 
l’élève, comporte les corrigés des activités et des exercices proposés dans chaque chapitre.

Les activités dans le manuel
Nous n’avons pas choisi une méthode déductive fondée  sur  la  présentation  d’un  cours  préalable  suivi 
d’exercices d’application, car  le  dogmatisme qu’elle 
peut engendrer nous paraît inadapté dans les classes  
d’enseignement technologique.
La  démarche  adoptée  privilégie  la  construction  des 
connaissances et des capacités à partir de situations 
problèmes puisées dans l’environnement technique 
de l’élève  et formulées dans le langage courant.

Les exercices
Dans le livre du professeur, nous fournissons les solutions des exercices figurant dans les cinq rubriques 
du manuel de l’élève.

• Tester ses connaissances
Cette forme de présentation et d’évaluation (Q.C.M.) 
se répand de plus en plus et présente l’avantage de 
développer l’esprit critique. Cette rubrique permet à 
chaque élève de tester rapidement les connaissances 
fondamentales du chapitre.

• Apprendre à résoudre
Cette rubrique comporte deux exercices portant sur 
le même thème ; le premier est progressif, le second, 
plus  direct,  nécessite  une  plus  grande  initiative  de 
l’élève.

• Tester ses capacités
Ces exercices simples traitent des capacités énoncées 
dans le programme. Chaque exercice concernant une 
seule capacité, l’élève peut  en vérifier plus facilement 
l ’acquisition.

• Applications technologiques
Les exercices concernés relèvent d’un niveau de difficulté  supérieur :  il  s’agit  d’appliquer  ses  connaissances et ses savoir-faire dans des contextes différents 
de ceux des activités et de l’essentiel du cours, en particulier dans la vie professionnelle. Nous avons intégré dans cette rubrique des exercices dont le thème 
est le « développement durable ».

• Le coin du chercheur
Ces  exercices  demandent  une  plus  grande  autonomie et davantage de recherche : le travail en groupes 
se prête particulièrement à la résolution de ces exercices.
Le livre du professeur constitue un outil indissociable 
du manuel, au service des collègues pour le bénéfice 
de leurs élèves. Nous acceptons bien volontiers leurs 
suggestions et critiques.

Pour  aider  le  professeur  dans  sa  tâche,  le  Livre
numérique permet de projeter en permanence 
tous  les  documents  (vidéos,  animations..  )  nécessaires  à  la  mise  en    œuvre  et  à  l’exploitation  du 
manuel de l’élève.

 3

1

Comment s’habiller, naturel ou synthétique ?

DOCUMENTS
■ Activité 1 : Comment connaître le matériau constituant un vêtement ?
1.  Les étiquettes 1 et 3 correspondent à du lin et du coton, matières d’origine végétale.
2.  L’étiquette 2 : le tissu est constitué de polyamide et d’élastanne, matières synthétiques.

■ Activité 2 : Comment distinguer différentes molécules ?
Quels atomes les composent ?
1.  Ces molécules possèdent toutes des atomes de carbone et d’hydrogène.
2.  Les molécules de la première ligne ne comportent que des liaisons simples, celles de la seconde 
ligne possèdent une double liaison entre 2 atomes de carbone.

3.  Les molécules de la 3e et de la 4e ligne possèdent d’autres atomes : azote ou oxygène.
4.  Les molécules de la chimie organique contiennent essentiellement des atomes de carbone, 
d’hydrogène, d’azote et d’oxygène.

■ Activité 3 : Comment repérer quelques groupes fonctionnels ?
1.  Groupe « alcool » : le butan-2-ol et la thréonine ; groupe « acide carboxylique » : acide 
propanoïque et thréonine ; groupe « amine : éthanamine et thréonine ; groupe « ester » : méthanoate 
d’éthyle ; groupe « amide » : propanamide.

2.  La thréonine possède un groupe acide carboxylique, un groupe alcool et un groupe amine : c’est 
un acide aminé.

EXERCICES
Tester ses connaissances

H H H H
|
|
|
|
H—C—C—C—C—H
|
|
|
|
H H H H

Q.C.M. 
1 : A et C ; 2 : A ; 3 : B ; 4 : A ; 5 : A ; 6 : C ; 7 : A ; 8 : A et B ; 
9 : A et B ; 10 : B et C.

Apprendre à résoudre
Alcanes de même formule brute
Niveau l COMPRENDRE

a. Le seul isomère du butane est le 2-méthylpropane : 

Pentane
H
|

H H H H
|
|
|
|
H—C—C—C—C—H
|
|
|
H H
H
H—C—H

H—C—H
H
H
|
|
H—C—C—C—H
|
|
H
H
H—C—H

|

|

|

|

H

H
|

H—C—H
H
H
|
|
H—C—C—C—H
|
|
|
H H H

|

b. Le pentane ; le 2-méthylbutane et le 2,2-diméthylpropane, de formules développées :

|




2-méthylbutane  

H
2,2-diméthylpropane

Nommer les alcènes
Niveau l APPLIQUER
a. Le propène, seul alcène à 3 atomes de carbone. 
b. Le but-1-ène : CH3 — CH2 — CH = CH2 
et le but-2-ène : CH3 —CH = CH — CH3.

4 • CHAPITRE 1 - Comment s’habiller, naturel ou synthétique ?



Tester ses compétences

8. Du modèle à la formule

1. Tissus des vêtements
Sont  d’origine  naturelle :  la  laine  et  la  soie  (origine 
animale), le coton et le lin (origine végétale).

a.

2. Atome de carbone
a. Le  carbone  possède  4  électrons  sur  sa  couche 
externe, il emprunte donc 4 électrons aux atomes voisins pour compléter sa couche externe à 8 électrons.

b. La valence du carbone est 4 : on dit que le carbone 
est tétravalent.

3. Modèle moléculaire du propène
a. Valence du carbone : 4, valence de l’hydrogène : 1.
b. 4  liaisons  lient  chaque  atome  de  carbone  aux 
atomes  voisins,  donc  8  électrons  sont  mis  en  commun.

c. Les atomes d’hydrogène complètent leur couche 
externe  à  2  électrons :  cette  mise  en  commun  de  2 
électrons s’appelle la règle du duet.

H H H
H
|
|
|
U
H —C — C — C — N
U
|
|
|
H
H H H

H O
|
||
H —C — C — O — H
|
H
b.
O
H H
||
|
|
H—C—O—C—C—H
|
|
H H
c.

9. De la formule au modèle moléculaire
a.

4. L’ammoniac
a. 4  doublets  électroniques  (dont  1  doublet  non 
liant) entourent l’atome d’azote.

b. Les  4  doublets  d’électrons  se  repoussent et  les  3 
atomes d’hydrogène forment un triangle équilatéral, 
base de la pyramide dont le 4e sommet est occupé par 
le doublet non liant.

b.

c. Le  modèle  a  bien  la  forme  d’une  pyramide  à 
base triangulaire, dont le 4e sommet est occupé par 
l’atome d’azote.

5. Le dichlore
La molécule de dichlore est linéaire.

c.

6. Formules semi-développées
Alcool : b et f ; acide carboxylique : d ; amine : c ; ester : 
e ; amide :a.

7. Acide lactique
L’acide lactique contient
une fonction
« alcool » et une fonction
« acide carboxylique ».

d.

CHAPITRE 1 - Comment s’habiller, naturel ou synthétique ? • 5

Applications technologiques

13. Bois, coton

10. Solvants industriels
a.  dichlorométhane

a. Dans la molécule de glucose, 5 fonctions alcool :
CH2OH

Cl
|
H—C—H
|
Cl

C

O

C

H
OH

H

C

OH

C

C

OH

H

OH

H

b.  1,1,1-trichloroéthane
Cl H
|
|
Cl — C — C — H
|
|
Cl H

glucose
H



b. Formule brute du glucose : C6H12O6 ;
c. Formule brute du motif : C6H10O3.
d. M (motif ) = 6 × M(C) + 10 × M(H) + 3 × M(O) 

c.  trichloroéthène
H
Cl
U
U
C=C
U
U
Cl
Cl

= 130 g.mol–  1 ;
Encadrement : 
130 000 g.mol–  1 < M(cellulose) < 455 000 g.mol–  1.

d.  éthylènediamine

14. Acétate de cellulose
a et  b. Entourées en pointillé les fonctions ester, en 

H H
H
H
|
|
U
U
C

C

N—
N
U
U
|
|
H
H
H H

gris, les fonctions alcool :
O
C

11. Tissus d’ameublement

O

a. Acide  téréphtalique :  2  fonctions  acide  carboxylique ; éthylène glycol : 2 groupes alcool.
b. L’éthylène  glycol  est  un  dialcool,  car  il  possède 
2  fonctions alcool – OH.
c. A gauche la partie provenant de l’acide, à droite la 
partie provenant du glycol :

CH3
CH3

CH2
CH
CH
O
HO CH
O

C

O

O
O

CH

HO CH

CH

O
C

H3C
CH3

CH
C

C

O
CH
CH

CH
O
O

O

O

15. Carburants de moteurs
a. Heptane : 
CH3 —(CH2)5 — CH3

12. Les mousses de polyuréthane
a. Les atomes C, N et O ont leur couche externe à 8 
électrons.
b. C  établit  4  liaisons,  N  établit  3  liaisons  et  O, 
2 liaisons.
c. Les groupes « uréthane » –NH – COO – :
O
O

C

CH
N

C

H HC

N

C

b. Hexadécane : 
CH3 — (CH2)14 — CH3
et 2,2,4,4,6,8,8-heptaméthylnonane : 
CH3 — C(CH3)2 — CH2 — C(CH3)2 — CH2 — 
CH(CH3) — CH2 — C(CH3)2 — CH3

16. Le TFE

O
C

et 2,2,4-triméthylpentane : 
CH3 — C(CH3)2 — CH2 — CH(CH3) — CH3.

Formule développée du TFE : 
O

CH2 CH2

CH H
CH

6 • CHAPITRE 1 - Comment s’habiller, naturel ou synthétique ?

F
F
U
U
C=C
U
U
F
F



Le coin du chercheur

17. Industrie : le reformage catalytique
a. H3C – (CH2)5 – CH3 

→ H3C – CH(CH3) – CH2 – CH(CH3) – CH3
b. H3C – (CH2)4 – CH3 → C6H6 + 4H2
c. et d. Cet alcane est obtenu à partir de l’heptane ; la 
réaction est celle du a. :
H3C – (CH2)5 – CH3 
            Heptane

a.  but-1-ène
CH2 = CH — CH2 — CH3

b. but-2ène
CH3 — CH = CH — CH3

c.  2-méthylprop-1-ène

→ H3C– CH(CH3) – CH2 – CH(CH3) – CH3.
           

CH2 = CH — CH3
|
CH3

2,4-diméthylpentane

18. Industrie : le vapocraquage
a. H3C – CH3 → CH2 = CH2 +  H2 (déjà équilibrée) ;
b. H3C – CH2 – CH2 – CH3 → 2CH2 = CH2 +  H2
c. H3C – CH2 – CH2 – CH3 → CH3 – CH = CH2 +  CH4
19. Préparation industrielle des alcools
a. H2C = CH2 + H2O   → CH3 – CH2OH .
b. C’est le catalyseur ; il n’intervient pas dans la réaction.
c. 1  mole  d’éthanol  formée  pour  1  mole  d’éthène 
consommée.
d. M(éthène) =  28 g.mol–  1 ; M(éthanol) =  46 g.mol–  1 
donc la masse d’éthène nécessaire est : 
m(éthène) = 12 × 28 ⁄ 46 =  7,3 tonnes.

d. méthylcyclopropane
H3C

CH

H2C

CH2

H2C

CH2

H2C

CH2

e.  cyclobutane

CHAPITRE 1 - Comment s’habiller, naturel ou synthétique ? • 7

2

Comment fabriquer des molécules géantes ?

ACTIVITÉS
■ Activité 1 : Comment réaliser la polymérisation
et la dépolymérisation du plexiglas ?
1.  Un liquide transparent se dépose dans le tube : le monomère du plexiglas appelé méthacrylate 
de méthyle.

2.  Dans cette expérience, le plexiglas est fondu (dépolymérisé) puis synthétisé à nouveau.
Cette récupération de matière est réalisable avec la plupart des matières des thermoplastiques.

■ Activité 2 : Comment synthétiser un nylon ?
1.  Les deux liquides ne se mélangent pas : la phase la plus dense est la phase organique contenant 
le dichlorure de sébaçoyle.

2.  La réaction de polycondensation s’effectue à l’interface entre les deux liquides. On peut dérouler 
le fil de polyamide jusqu’à épuisement d’un des deux réactifs.

■ Activité 3 : Comment synthétiser un polymère à partir
de substances naturelles ?
Dans le cas des bioplastiques, il n’y a pas d’utilisation de matières fossiles, la matière première est 
renouvelable, les produits sont biodégradables (ils s’éliminent naturellement, assez rapidement). La 
production est peu onéreuse.
Inconvénient : ces polymères possèdent des propriétés mécaniques moins intéressantes et sont 
donc réservés aux emballages.

DOCUMENTS
■ La fabrication des composites
Répondre aux questions
1.  Articles de sport en composite : raquettes, skis, surfs, planches à roulettes, cadres de vélo, coques 
de chaussures de montagne, cannes à pêche…

2.  Lors de la pultrusion, le composite est mis en forme dans la filière de préformage. La 
polymérisation de la résine s’effectue dans la filière de durcissement. La cadence de la chaîne est 
réglée par l’appareil de traction.

3.  En 8 heures de fonctionnement soit 480 min, on forme 480 × 0,6 = 288 m de barres.
288 ÷ 0,75 = 384. On forme donc 384 barres.

8 • CHAPITRE 2 - Comment fabriquer des molécules géantes ?

EXERCICES
Tester ses connaissances

2. Interactions entre chaînes

Q.C.M.

Les  liaisons  hydrogène  relient  les  atomes  d’hydrogène  avec  les  atomes  d’oxygène  les  plus  proches  et 
qui leur font face dans la chaîne voisine.

1 : A, B et C ;  2 : A et C ; 3 : A et C ; 4 : B et C ; 
5 : A et C ; 6 : A.

Apprendre à résoudre
Le PVC

a

Niveau l COMPRENDRE
( CH2 — CHCl —
) 
a. Le motif du PVC :  —

1

( CH2 — CHCl —
)n
b. La formule du polymère est :  —
c.  Formule : CH2  = CHCl, le chlorure de vinyle ou 

c

b
2

d

3

f

e

4

5

6

7

chloroéthène.
g

Un polyamide, le nylon 4-6

m

o

n

p

q

Niveau l APPLIQUER

a. HOOC – (CH2)4 – COOH et H2N – (CH2)4 – NH2 ; 

8

9

10

11

12

13

14

O
H
||
|
HO — C — (CH2)4 — C — OH
H — N — (CH2)6 — N — H
||
|
+
O
H
acide 1,6-hexanedioïque

hexane-1,6-diamine

O
H
||
|
→ HO— C — (CH2)4 — C — N — (CH2)6 — N — H + H2O
||
|
O
H
groupe amide

eau

b. Motif du polymère :

3. Le polyéthène
a.  …CH2 = CH2 + CH2 = CH2 + … →  …. – CH2 – CH2 – 
CH2 – CH2 - ….
b.
n(CH2 = CH2) → —
( CH2 — CH2 —
)
n


( OC — (CH2)4 — CO — NH — (CH2)6 — NH —
)

c. Il y a expulsion de molécules d’eau.

4. Le rilsan
a. H2N – (CH2)10 – COOH + H2N – (CH2)10 – COOH 
→  H2N – (CH2)10 – CO  – NH – (CH2)10 – COOH + H20

b. La fonction « amide » s’est formée :

Tester ses compétences

O
||
—C—N—
|
H

1. Liaisons dans la chaîne
a.

O
||
1. — CH2 — CH2 — C — O —

c. Le polymère formé : 

2. — CH2 — CH2 —


( HN — (CH2)10 — CO —
)

n

5. Quel monomère ?

O
||
3. — C — N — CH2 — CH2 —
|
H

a. Le motif est:    –CH2 – CH(CH3) – ; 
b. Simple liaison carbone-carbone ; on a donc une 
polymérisation par addition ;

b. Les  liaisons  sont  assurées  par  les  groupes 
d’atomes :
O
||
1.  — C — O —

Liaisons  hydrogène  établies  entre  :  (b  ;  2),  (b  ;  3), 
(e ; 5), (e ; 6), (n ; 10), (n ; 11), (q ; 13), (q ; 14).

O
||
2.  — CH2 — 3.  — C — N —
|
H
    
    

c. Le monomère est le propène : 
CH2 = CH – CH3.
Le  polymère  est  donc  le  polypropène  appelé  aussi 
polypropylène dont le logo industriel est le n°5.

6. Types de polymérisation
Polyaddition : b ; polycondensation : a et c.

CHAPITRE 2 - Comment fabriquer des molécules géantes ? • 9

7. Le nylon 6-10
a. Les logos des flacons de produits chimiques indiquent des produits nocifs et corrosifs, donc on opère 
sous la hotte avec blouse, gants et lunettes.
b. La diamine, moins dense, se place au-dessus du 
diacide.  L’opérateur  pince  une  partie  de  l’interface 
des deux liquides et étire un fil de nylon (polyamide) 
autour d’un agitateur en verre. 
Dessin :

11. Préparation d’une fenêtre
a. Δl (PMMA) = l0. λ.Δt = 1 500 × 7 × 10–  5 × 50 
= 5,25 mm. 

b. Δl (aluminium) = 1 500 × 2,2 × 10–  5 × 50 = 1,65 mm.
c. Δl(PMMA) – Δl(aluminium) = 5,25 – 1,65 = 3,60 mm. 
Comme 3,6 mm < 5 mm, le jeu de 5 mm prévu par le 
constructeur est suffisant pour cet écart de température.

12. Le caoutchouc naturel
a. La molécule contient 2 doubles liaisons ; 
b. Le  nom  du  monomère  est  :  2-méthylbuta-1,3diène ; 
Fil de nylon

c. Le motif du polymère est :

( H2C — C = CH — CH2 —
)
|
CH3

Hexane, 1-6-diamine
Dichlorure de sébacoyle

Il comprend 5 atomes de carbone et 8 atomes d’hydrogène.

d. Les ponts soufrés s’installent au niveau d’un car-

8. Élimination des matières plastiques
a. Le  polyméthacrylate  de  méthyle,  le  polystyrène 
peuvent être dépolymérisés.

b. Les  thermoplastiques  en  général,  aux  additifs 
près, sont recyclables.

c.

( CH2 — CHCl —
)n + 5n⁄2 O2 (g)
→ 2n CO2 (g) + n HCl (g) + n H2O (g)
Le gaz polluant est le chlorure d’hydrogène. 

bone lié par une double liaison : celle-ci disparaît. Les 
fibres sont reliées par des atomes de soufre et constituent un réseau : le polymère améliore ses propriétés 
mécaniques (élasticité) et reprend aisément sa forme 
initiale après un étirement.

13. Le kevlar
a. La  molécule  A  contient  2  groupes  «  amine  »  ;  la 
molécule B, 2 groupes « acide carboxylique ».

b. La  fonction  «  amide  »  assure  la  liaison  entre  les 
deux molécules.

Applications technologiques

c. n(COOH – C6H4 – COOH) + n(H2N – C6H4 – NH2)  

9. Analyse d’un monomère

Le kevlar appartient à la famille des polyamides. 

a. Masse molaire moyenne : 97 g.mol–1. 
b. Masses des différents atomes : C : 24 g ; H : 2 g ; 
Cl : 71 g. 
La formule brute est : C2H2Cl2.
c. Les deux différentes formules développées :
H Cl
H Cl
|
|
|
|
C = C ou C = C
|
|
|
|
H Cl
Cl H

10. Tissu de paysage de jardin
a. À 25 °C, la limite d‘élasticité est de 36 kN.m–  2 ; 
à – 40 °C, de 54 kN.m–  2. Donc une bonne résistance 
à froid. 
b. À 25 °C : 200 % soit 60 cm d’allongement ; à – 40 °C : 
20 % soit 6 cm d’allongement, donc un allongement 
10 fois plus faible.

→ —
( CO – C6H4 – CO – NH – C6H4 – NH —
) + 2n (H2O). 
n

d. Dans la conformation n° 1, il y a répulsion entre 
les atomes d’hydrogène des deux cycles trop proches 
donc  la  conformation  linéaire  n°  2  est  la  plus  fréquente.

e. Les  nombreuses  interactions  entre  les  atomes 
d’oxygène et ceux d’hydrogène de deux chaînes voisines entraînent la forte solidité du polymère.

Le coin du chercheur
Les gouttes d’eau, de 1 à 4 mm de diamètre (20 000 
fois  plus  grosses)  ne  traversent  pas  les  pores  d’une 
membrane  Windstopper  ou  Goretex  qui  ont  euxmêmes un diamètre moyen de 0,2 mm.
À l’état gazeux, les molécules d’eau  provenant de la 
transpiration, de diamètre 0,4 nm, sont 500 fois plus 
petites  que  les  pores  ;  elles  traversent  aisément  la 
membrane. 

10 • CHAPITRE 2 - Comment fabriquer des molécules géantes ?

3

Comment se protéger du chaud et du froid ?

ACTIVITÉS
■ Activité 1 : Quelle est la caractéristique des revêtements ou vêtements
qui protègent du froid ?
Trois canettes sont recouvertes de 
revêtements différents, on verse 
simultanément, à l’aide d’entonnoirs, 
250 mL d’eau chaude à 40 °C environ 
dans chaque canette, on insère 
les capteurs, on remue et on lance 
l’acquisition.
On obtient :
–  courbe 1, avec un emballage de 
protection à bulles d’air (5 mm) ;
–  courbe 2, avec un emballage de 
protection en mousse (2 mm) ;
–  courbe 3, avec un tissu en coton.

température (°C)
40

38

1. On peut classer la résistance des 
revêtements à la perte de chaleur en 
fonction de la chute de température 
de l’eau des canettes. Plus la chute de 
36
température est importante sur la durée 
de l’expérience et moins le revêtement 
résiste à la perte de chaleur.
Ainsi dans cette expérience le 
classement des matériaux du plus 
0
résistant au moins résistant est :
–  l’emballage de protection à bulles d’air 
(5 mm) ;
–  l’emballage de protection en mousse (2 mm) ;
–  le tissu en coton.

1
2

3
10
temps (min)

2. Le revêtement qui emprisonne le plus d’air est l’emballage de protection à bulles d’air (5 mm), 
suivi de l’emballage de protection en mousse (2 mm) et celui qui en contient le moins est le tissu en 
coton.

3. On remarque que plus le revêtement emprisonne de l’air et mieux il permet de garder la chaleur 
de la canette. On en déduit que les vêtements qui protègent bien du froid emprisonnent de l’air.

CHAPITRE 3 - Comment se protéger du chaud et du froid ? • 11

■ Activité 2 : Quelle est la caractéristique des revêtements ou vêtements
qui protègent de la chaleur due aux rayonnements solaires ?
Trois lampes identiques sont placées devant 
trois écrans (papier blanc, papier noir, 
couverture de survie), à même distance. 
Derrière chaque écran une sonde de 
température est placée tout contre.  
On enregistre l’évolution de la température 
durant 15 minutes.

température (°C)
1

100

Carton noir

1. La couverture de survie est le 
revêtement qui limite le mieux l’élévation 
de température du capteur, avant le papier 
blanc, et le carton noir.

2. La couverture de survie possède une 
surface réfléchissante qui renvoie les 
rayonnements lumineux de la lampe. Elle 
protège ainsi le capteur de température de 
l’énergie lumineuse de la lampe.
De même le papier blanc diffuse la lumière 
de la lampe, alors que le carton noir 
absorbe les rayonnements de la lampe, ce 
qui provoque la forte augmentation de sa 
température.
Pour se protéger de la lumière du Soleil, 
il faut utiliser des revêtements qui la 
réfléchissent.

50
2

Papier blanc

3

Couverture
de survie

0

0

5

10

15
temps (min)

■ Activité 3 : Comment s’effectuent les transferts thermiques
d’un corps chaud vers un corps froid ?
Expérience 3
Une cuve de spectrophotomètre remplie d’encre noire, et placée dans une cloche à vide 
(p ≈ 100 à 200 hPa, car en dessous le liquide risque de bouillir), est éclairée par une lampe de bureau 
de 40 W, un condenseur concentre le faisceau sur la cuve. Une sonde de thermomètre électronique 
plonge dans le liquide, un pressiomètre électronique permet de surveiller la pression et de remettre 
en route, si nécessaire, la pompe à vide.
Pour atteindre l’équilibre thermique dans la cuve il faut attendre environ 45 minutes :
température (°C)
34
32
30
28
26
24
0

5

10

15

20

25

12 • CHAPITRE 3 - Comment se protéger du chaud et du froid ?

30

35

40
temps (min)

1. L’expérience 1 montre que la chaleur de l’eau, contenue dans le récipient métallique, est 
conduite à travers les tiges vers leurs extrémités, ce qui provoque la fusion de la paraffine.

2. Pour la conduction thermique des matériaux courants testés les tables donnent, à titre 
d’exemples :
Matériau
cuivre
aluminium
carbone
zinc
fer
plomb
verre

Conductivité thermique (W.m–  1.K–  1)
390
237
129
116
80
35
1,2

3. L’expérience n° 2 illustre la convection ; elle montre que des courants d’eau se déplacent dans le 
récipient chauffé. La chaleur se déplace avec la matière qui est chauffée.

4. L’eau chauffée se dilate, sa masse volumique diminue, et la poussée d’Archimède de l’eau 
environnante plus froide, lui donne un mouvement ascendant.

5. Dans l’expérience n° 3 l’encre noire de la cuve est chauffée par la lumière émise par la 
lampe. Cette lumière se propage dans la cuve vidée d’air, ce qui montre que les rayonnements 
électromagnétiques transportent de l’énergie à travers le vide.

TRAVAUX PRATIQUES
■ Mesure de la résistance thermique globale d’un corps chaud recouvert par
différents revêtements
Question préliminaire


θ +θ
S.  2 1 − θext .  .∆ t

 2
RG =
meau .ce au . (θ 2 − θ1 )

Dans cette relation (3) les grandeurs qui peuvent être connues ou fixées, déterminées avant 
l’expérience, sont :
–  la surface d’échange, S ;
–  la température de la pièce, θext ;
–  la masse de l’eau que l’on introduira, meau et ceau ;
–  les températures θ1 et θ2.
Seules les durées de refroidissement des canettes seront données par l’expérience.

Réalisation expérimentale
1.  Il est en effet possible d’utiliser deux capteurs de température et de suivre en même temps 
l’évolution des températures des deux canettes.

2.  Pour que la comparaison soit possible entre les deux situations (avec et sans couverture de 
survie), il est nécessaire d’introduire les mêmes volumes d’eau chaude dans les deux canettes.

3.  Le volume des canettes étant de 33 cL, on peut introduire dans chacune 250 mL d’eau. Il faut 
donc chauffer un volume de 500 mL d’eau. 
Pour simuler le refroidissement du corps humain la température de l’eau des canettes doit être 
voisine au début de l’expérience de 37 °C. Il convient donc de chauffer l’eau à une température 
supérieure à 40 °C pour qu’après son introduction dans les canettes la température de celles-ci 
passe en décroissant par 37 °C.

4.  Les volumes d’eau sont mesurés à l’aide de l’éprouvette graduée.
CHAPITRE 3 - Comment se protéger du chaud et du froid ? • 13

5.  On mesure le diamètre des canettes et leur hauteur.
6.  Il faut un écart de 1 °C entre θ1 et θ2, qui peuvent être par exemple 38 °C et 37 °C.
Résultats de l’expérience
Ces résultats ont été obtenus avec une masse d’eau introduite dans les canettes de 250 g à une 
température de 42 °C. La surface des canettes, de 50 cL, est :
S = 396 cm2 = 3,96 × 10–  2 m2.
température (°C)

42

40
Avec couverture de survie
38

Sans couverture de survie

36

34

0

10

20

30

40

temps (min)

Exploitation de l’expérience
1.  Les durées obtenues, pour un refroidissement des canettes entre θ2 = 38,5 °C et θ1 = 37,5 °C, avec 
une température de la salle θext = 22,1 °C, sont :
–  pour le coton : t = 4,5 min = 270 s ;
–  pour le coton + couverture de survie : t’ = 7,25 min = 435 s.

θ +θ
S.  2 1 − θext .  .t

 2
2.  Avec  RG =
, on a :
meau .ce au . (θ 2 − θ1 )
–  pour le coton seul RG ≈ 0,16 m2.°C.W–  1
–  pour le coton plus la couverture de survie : R’G ≈ 0,26 m2.°C.W–  1.

3.  L’augmentation relative de la résistance thermique due à la couverture de survie est égale à 63 %.
4.  La canette munie de la couverture de survie met environ une demi-heure de plus pour atteindre 
la température de 35 °C.

14 • CHAPITRE 3 - Comment se protéger du chaud et du froid ?

EXERCICES
Tester ses connaissances

Tester ses compétences

Q.C.M.
1 : A, B et C ; 2 : B et C ; 3 : A ; 4 : C ; 5 : B ; 6 : A et B ; 
7 : B ; 8 : C.

1. De la neige au soleil

Apprendre à résoudre
Calcul de flux thermique
Niveau l COMPRENDRE
a. S = 2 × L × l
L = 210 cm = 2,1 m et l = 70 cm = 0,7 m.
S = 2 × 2,1 × 0,7 = 2,94 ≈ 3 m2.
S.(θ i − θe )
b. Φ =
.
RG

c. RG = 4 clo = 4 × 0,155 = 0,62 m2.°C.W–  1.

2. Deux tasses
a. Le polystyrène expansé a une très faible conductivité 

3 × ( 2 8 − 1 5)
d. Φ =
≈ 63 W.
0, 6
62

e. La puissance thermique fournie par le corps de la 
personne pendant son sommeil est :
P = 1,6 × 40 = 64 W.
Cette  puissance  permet  de  compenser  les  pertes 
thermiques du sac de couchage, la personne ne ressentira donc pas le froid.

Calcul d’une résistance thermique
de vêtements
Niveau l APPLIQUER
a. Le flux thermique, Φ, qui doit être évacué par le 
vêtement,  doit  être  égal  à  la  puissance  thermique 
totale,  PT,  que  libère  le  corps  du  randonneur,  pour 
que la température interne du corps soit constante.
La  puissance  thermique  totale  libérée  par  le  corps 
est :
PT = PS . S.
Le flux des pertes thermiques à travers les vêtements 
est donné par la relation :
S.( θ i − θe )
Φ=
.
RG
Comme PT = Φ, on a :   PS . S = 

S.(θ i − θe )
RG

.

On en déduit :
( θ − θe )
(33 − ( − 25))
 = 
 ≈ 0,48 m2.°C.W–  1.
RG =  i
120
PS

b. La résistance thermique des vêtements exprimée 
en unité clo est :
RG = 

La boule de neige enveloppée d’aluminium est protégée de l’énergie des rayons solaires et, comme l’aluminium est un bon conducteur thermique, elle reste à la 
température de la neige du sol et ne devrait donc pas 
fondre.
À  l’inverse  l’écharpe  de  couleur  noire  absorbe  les 
rayonnements solaires et réchauffe la boule de neige 
qui devrait fondre assez rapidement. De plus comme 
l’écharpe de laine est un mauvais conducteur thermique,  elle  isole  la  boule  de  neige  de  la  couche  de 
neige au sol qui ne peut pas la refroidir.

0, 4
48
 ≈ 3,1 clo.
0,155

Il faut donc choisir une tenue polaire légère de 3 clo.

thermique, proche de celle de l’air, et comme l’épaisseur des parois est importante, et que la boite est bien 
fermée,  elle  ne  permet  pas  ou  très  peu  les  échanges 
thermiques entre l’intérieur et l’extérieur de la boîte.
b. Le corps chaud transfère au corps froid de l’énergie  thermique  jusqu’à  ce  que  l’équilibre  thermique 
soit atteint.
c. Par convection et rayonnement. L’air, qui sépare 
les deux tasses est un très mauvais conducteur thermique.
d. Comme  les  tasses  sont  identiques  et  contiennent les mêmes quantités de boissons, on aurait pu 
attendre comme température d’équilibre la moyenne 
des deux températures initiales soit :
(90 + 20)⁄2 = 55 °C.
La  température  d’équilibre  observée  est  inférieure, 
45 °C. On peut en déduire que l’enceinte de polystyrène a des pertes thermiques.
e. Entre 15 et 20 minutes, alors que l’équilibre thermique est atteint entre les deux tasses, on peut noter 
la baisse de leur température. L’enceinte de polystyrène perd bien de l’énergie thermique.

3. La neige, un isolant thermique
a. La conductivité thermique de la neige augmente 
avec sa densité.

b. Plus  la  densité  de  la  neige  est  faible,  plus  elle 
contient  de  l’air.  Comme  l’air  est  un  bon  isolant 
thermique, plus la neige contient de l’air, moins elle 
conduit la chaleur.
c. C’est la neige fraîche qui est le meilleur isolant.

4. Les pieds sur le tapis !
a. Le pied gauche sur le carrelage enregistre une sensation de froid vif, ce qui n’est pas le cas du pied droit 
sur le tapis.

CHAPITRE 3 - Comment se protéger du chaud et du froid ? • 15

b. Tous les objets et les matériaux de la pièce sont en 
équilibre thermique, à la même température, 16 °C.
c. Comme les sensations de chaud et de froid dépendent de la matière en contact avec la peau, et pas seulement de sa température, le corps humain n’est pas 
un bon thermomètre.
d. La différence de sensation s’explique par la différence  de  conductivité  thermique  des  matériaux,  la 
terre cuite conduit beaucoup mieux la chaleur que la 
laine, qui contient de l’air entre ses fibres. Il en résulte 
que le pied gauche cède plus rapidement sa chaleur 
au carrelage que le pied droit au tapis. D’où la sensation de froid ressentie par le pied gauche.

5. Bon conducteur de la chaleur ou pas ?
λ (W.m-1.°C–  1)

Matériaux

λ < 0,05

Azote (gaz) (0,026) ; paille (0,04)

0,5 < λ < 2, 0

Bois (0,1 à 0,4) ; Eau liquide (0,58) ; papier 

100 < λ 

c. Le  bouchon  est  le  point  de  moindre  résistance 
thermique.

d. On  pourrait  remplir  le  vase  d’eau  chaude  et 
prendre une photographie infrarouge du vase, pour 
faire apparaître le lieu des pertes thermiques.

9. Le Fill power ou pouvoir gonflant
a. Le cuin est par définition le rapport d’un volume 
de duvet par sa masse. Ce qui correspond bien à l’inverse d’une masse volumique obtenue en divisant la 
masse par le volume.

b. Un duvet de 800 cuin a :
–  un volume : 
V = 800 × (1 inche)3 = 800 × (2,54)3 = 1,31 × 104 cm3 ;

(0,13) ; huile de moteur (0,15)

–  pour une masse : m = 28,35 g.

Aluminium (210) ; argent (406)

Le volume massique de ce duvet est donc :

6. Un igloo
a.   Φ =

thermique ainsi que la convection. Le rayonnement 
thermique est arrêté par l’argenture sur les faces du 
verre par réflexion.

S.(θ i − θe )
RG
S.(θ i − θe )

10 × (5 − ( − 4
40))
b.   RG =
 = 
= 3 m2.°C.W–  1.
Φ
150
e
c. La relation, R =  donne : e = R . λ ; 
λ
e = 3 × 0,15 = 0,45 m.
L’épaisseur des blocs de neige pour construire l’igloo 
doit donc être au minimum égale à 45 cm.

7. Des objets et des pratiques de tous les jours
a. Comme le bois est un mauvais conducteur de la 
chaleur,  une  cuillère  en  bois  permet  d’éviter  de  se 
brûler.
b. Les  faces  externes  des  casseroles  sont  réfléchissantes  afin  de  limiter  les  pertes  thermiques  par 
rayonnement, entre l’intérieur et l’extérieur de la casserole.
c. Le couvercle permet de limiter le refroidissement 
de la soupe chaude par convection et par rayonnement.
d. L’augmentation de la surface chaude du radiateur 
augmente la surface rayonnante.
e. Les tentures devant les fenêtres piègent une épaisseur d’air isolante entre la fenêtre froide et la pièce, et 
constituent ainsi un bon isolant thermique.
f. Les volets font écran au rayonnement solaire qui 
pénètre dans la maison à travers les vitrages.

  Vmassique =

1, 3
31
1 × 104
≈ 4,62 × 102 cm3.g–  1.
28, 35

c. La  résistance  thermique  du  duvet  augmente 
avec  la  quantité  d’air  qu’il  emprisonne.  Donc,  plus 
le volume massique du duvet sera grand, et mieux il 
résistera  aux  pertes  thermiques.  La  résistance  thermique d’une couette est donc inversement proportionnelle à la masse volumique du duvet.

d. La  qualité  d’une  couette  est  liée  à  son fill power 
qui  augmente  avec  le  volume  massique  du  duvet. 
Plus le volume de duvet est grand et plus sa masse est 
petite et meilleure est la qualité du duvet. Contrairement à ce que l’on pourrait penser, il faut limiter la 
masse de duvet dans le sac de couchage, pour éviter 
de la tasser.

e. Le compartimentage permet d’éviter que le duvet 
ne glisse dans le sac de couchage, et n’assure plus la 
protection contre le froid au niveau des surfaces les 
plus en hauteur du dormeur allongé.

f. C’est un avantage au niveau du poids, il est préférable de porter un sac léger.

10. Un congélateur
a. La source chaude est la pièce et la source froide 
l’intérieur du congélateur. Le transfert d’énergie thermique s’effectue donc de la pièce vers l’intérieur du 
congélateur.

b. Le congélateur ne perd pas de la chaleur, mais en 
gagne, ce qui est un inconvénient. C’est donc un gain 
d’énergie thermique et non une perte.

8. Le vase Dewar
a. Les trois modes de propagation de la chaleur sont : 

c. S = (2 × 1,2 + 2 × 0,6) × 0,8 + 2 × (1,2 × 0,6) = 4,32 m2.

la conduction, la convection et le rayonnement.
b. Le vide entre les deux parois limite la conduction 

d. Φ =

16 • CHAPITRE 3 - Comment se protéger du chaud et du froid ?

S.(θ c − θ f )
RG

 = 

4, 32
3 2 × ( 20
20 − ( − 1
18
8) )
≈  46 W. 
3, 6

11. Mesure en laboratoire de la résistance
thermique d’une moquette
a. Le refroidissement est assuré par un courant d’eau 
froide.

b. L’échantillon est un carré de 300 mm de côté, soit 
0,3 m. S = 0,3 × 0,3 = 0, 09 m2.

c. L’épaisseur des échantillons ne doit pas dépasser 
50 mm, soit 5 cm.

d. La relation, Φ =

S.(θ i − θe )
RG

, donne  RG =

S.(θ i − θe )

Φ

.

Avec les valeurs données on a : 
RG =

0, 09
0 9 × (1
18
8, 4 )
≈ 0,11 m2.°C.W–  1.
15

e. La résistance thermique de la moquette est inférieure à la valeur maximum, 0,17 m2.°C.W–  1, et peut 
être utilisée sur un plancher chauffant.

12. Les fibres textiles
a. Les  fibres  creuses  contiennent  de  l’air,  qui  présente la résistance thermique la plus élevée possible. 
Ces fibres résisteront donc mieux aux pertes de chaleur que les fibres pleines qui auront une résistance 
thermique plus faible.

b. La paraffine permet de capter la chaleur du corps 
si sa température est trop élevée, en cas d’efforts par 
exemple. Pour cela la paraffine solide change d’état : 
en passant de l’état solide à l’état liquide (fusion) elle 
emmagasine de l’énergie. Elle restitue cette chaleur 
en repassant à l’état solide si la température du corps 
diminue, en le réchauffant.

Actualités techniques
13. Les revêtements thermiques
a. Un  bouclier  thermique  permet  de  protéger  les 
pièces de l’avion, ou des engins spatiaux, qui ne supporteraient pas les hautes températures. De plus pour 
ce qui concerne les engins spatiaux il assure la survie 
des cosmonautes lors de la rentrée dans l’atmosphère 
terrestre.
b. Les céramiques ont une faible conductivité thermique, sont légères et résistent aux hautes températures.
c. Le  rendement  des  moteurs  d’avion,  augmente 
avec  leur  température  de  fonctionnement.  Donc  la 
consommation  des  moteurs  d’avion  diminue  avec 
leur température de fonctionnement. Les céramiques 
devront donc être capables de supporter des températures encore plus élevées.

Le coin du chercheur
Photographie n° 1 : elle nous montre qu’une couche 
de très faible épaisseur (150 mm) est capable de faire 
chuter  la  température  de  150 °C.  Ce  qui  montre  la 
grande résistance thermique (ou la faible conductivité) des céramiques.
Photographie n° 2 :  elle  nous  montre  l’organisation  tubulaire  de  la  céramique,  qui  pourrait  ressembler  à  celle  d’un  tapis  de  laine,  ou 
d’une  fourrure.  Elle  emprisonne  de  l’air  entre 
les tubes, ce qui diminue sa conductivité. 


CHAPITRE 3 - Comment se protéger du chaud et du froid ? • 17

4

Quelles énergies pour l’habitat ?

ACTIVITÉS
■ Activité 1 : Quelles sont les énergies les plus utilisées dans l’habitat ?
1.  Le chauffage est le plus important poste de dépense d’énergie puisqu’il représente à lui seul 65 % 
de l’énergie consommée.
Le gaz est la source d’énergie la plus utilisée pour le chauffage (39,5 %), ce qui représente 26 % de 
l’énergie totale consommée (0,395 × 0,65). Le gaz est de plus utilisé pour la cuisson et l’eau chaude 
sanitaire.
L’électricité est la deuxième source d’énergie utilisée pour le chauffage, 31,3 %, soit 20,3 % 
(0,313 × 0,65) de l’énergie totale. De plus l’électricité spécifique représente 16 % de la 
consommation totale.  
Le chauffage électrique et l’électricité spécifique représentent un pourcentage de 20,3 + 16 = 36,3 %  
de l’énergie totale. De plus, l’électricité est aussi utilisée pour la cuisson et l’eau chaude sanitaire.  
Le pourcentage de l’électricité dans la consommation d’énergie de l’habitat est donc supérieur
à 36,3 %.
On peut donc dire que l’électricité est la source d’énergie la plus utilisée dans l’habitat  
(chauffage + électricité spécifique + cuisson + ECS) suivie du gaz (chauffage + cuisson + ECS).

2. Le froid est produit par les congélateurs et les réfrigérateurs. L’énergie consommée par ces 
appareils correspond à 25 % de l’électricité spécifique, soit à 4 % (0,25 × 0,16) de l’énergie totale 
consommée.
Comme l’électricité correspond à environ 36,3 % de l’énergie totale consommée, la fraction de 
l’énergie électrique utilisée pour la production de froid est égale à :
100 × (4 ⁄ 36,3) = 11 %.

■ Activité 2 : Quelle quantité d’énergie consommons-nous par an
dans l’habitat ?
Le site eco-watt.fr (http://www.eco-watt.fr/) permet d’effectuer les calculs à partir des 
consommations d’énergies et de la surface habitable. C’est un moyen rapide de vérification des 
calculs de conversion des énergies.

■ Activité 3 : Comment calculer l’énergie consommée par un appareil ?
1.  La courbe E = f(t) est une droite passant par l’origine. C’est une relation linéaire et E est donc 
proportionnel à t.

2. La pente de la droite permet de retrouver la puissance nominale que consomme l’appareil.
3. E = P . t

18 • CHAPITRE 4 - Quelles énergies pour l’habitat ?

EXERCICES
Tester ses connaissances

Tester ses compétences

Q.C.M.
1. : A et B ; 2. : C ; 3. : B ; 4. : C ; 5. : A ; 6. : A.

1. Les énergies renouvelables pour quels
usages ?
a.
Eau chaude 
sanitaire

Éclairage

Production 
de froid

Utilisation

Éolienne

x

x

x

Solaire photovoltaïque

x

x

x

Choix d’un congélateur armoire
Niveau l COMPRENDRE

a. Ecoénergie = 263 – 234 = 29 kWh.an–  1.

Énergie

b. Ecofinancière = 29 × 0,13 = 3,77 euros.an–  1.
c. La différence des prix d’achat est :
 D = 372 – 234 = 138 euros.
Le nombre d’années pour amortir cette somme est :
n = 138 ⁄ 3,77 = 37 années.

d. Comme  la  durée  d’amortissement  excède  de 
beaucoup  la  durée  de  vie  de  l’appareil,  il  est  préférable d’un point de vue financier, d’acheter l’appareil 
de classe A.

e. L’économie  financière  de  consommation  d’électricité par an devrait être au minimum :
Ecofinancière = 138 ⁄ 15 = 9,20 euros.
Le prix du kWh correspondant est :
Prix = 9,2 ⁄ 29 = 0,32 euro par kWh.
Soit environ deux fois et demie celui actuel.

Capteurs solaires pour l’eau chaude sanitaire
Niveau l APPLIQUER

a. Eap = 3 000 × 40 % = 1 200 kWh.
b. L’économie de consommation électrique annuelle 
avec un chauffe-eau solaire est :
Ec = 3 000 – 1 200 = 1 800 kWh.
Soit  une  économie  financière  par  an  de :  126 euros 
(1 800 × 0,07).
Le  surcoût  d’achat  et  d’installation  du  chauffe-eau 
solaire serait amorti au bout de :
3 000 ⁄ 126 ≈ 24 ans.

c. C’est un investissement sur un long terme.
C’est une attitude citoyenne pour limiter la consommation d’énergies non renouvelables et la production 
de CO2.
Le  prix  de  l’énergie  augmentera  (et  probablement 
beaucoup) dans les prochaines années. Or l’énergie 
solaire est gratuite.

Chauffage
 central

Apprendre à résoudre

Solaire thermique

x

x

Bois

x

x

Géothermie et aérothermie

x

x

b. L’énergie électrique produite par une éolienne ou 
par les panneaux solaires photovoltaïques permet, en 
théorie, de satisfaire tous les usages de l’énergie dans 
la maison (chauffage, électroménager, éclairage…).
c. Les limites de la production de l’énergie électrique 
par l’éolien et le photovoltaïque sont liées au climat 
(vent  et  couverture  nuageuse),  à  l’alternance  jour/
nuit.  L’énergie  n’est  pas  nécessairement  disponible 
lorsque l’on en a le plus besoin. De plus la quantité 
d’énergie  produite,  en  particulier  par  le  photovoltaïque, est petite au regard des besoins pour le chauffage d’une maison.

2. Cuisson d’un poulet
a. E = P . t ; avec E en kW, et t en heures.
b. P = 1 500 W = 1, 5 kW ; t = 1,25 h (15 minutes = ¼ h).
E = P . t = 1,5 × 1,25 = 1,9 kWh.

c. Le coût de la cuisson est : 1,9 × 0,13 = 0,25 euro.

3. Le moteur chauffe
a.
b.
c.
d.

Eélec. = P . t = 285 × 4 = 1 140 J.
Eméca. = Pu . t = 170 × 4 = 680 J.
r = Eméc. ⁄ Eélec. = 680 ⁄ 1 140 = 0,60 soit 60 %.
L’énergie perdue, lors de la transformation d’énergie  (électrique  en  travail),  se  retrouve  sous  forme 
d’énergie thermique (énergie dégradée) qui chauffe 
le moteur.

4. Puissances d’appareils domestiques
Aspi-

Appareil

rateur

Puissance

1 400 W

Chauffeeau 
instantané
11 kW

Ordi-

Radio-

Sèche-

nateur

réveil

linge

100 W

5 W

2,5 kW

5. Consommation des appareils
électroménagers et panneaux photovoltaïques
a. Consommation annuelle du lave-linge :
E = P . t = 48 × 4 × 1 = 192 kWh.an–  1.

CHAPITRE 4 - Quelles énergies pour l’habitat ? • 19

b. L’énergie consommée par semaine d’utilisation du 
fer à repasser est E = 264 ⁄ 48 = 5,5 kWh par semaine.
Comme  la  puissance  du  fer  à  repasser  est  égale  à 
1 000 W soit 1 kW, le fer à repasser est utilisé 5,5 heures 
par semaine (t = E ⁄ P = 5,5 ⁄ 1).
c. E = P . t = 0,5 × 335 × 4 = 670 kWh.
d. Pour produire cette énergie il faudrait une surface 
de panneaux solaires voltaïques :
S = 4 400 ⁄ 60 = 73 m2.
Cette surface est trop grande pour pouvoir être installée sur la toiture d’une maison de ville.

Applications technologiques
6. Attention aux veilles !
a. Télévision,  lecteur  CD,  décodeur  ADSL,  imprimante, écran d’ordinateur…

b. L’énergie consommée est donnée par la relation : 
E = P . t
P = 60 W = 60 × 10–  3 kW ; 
t = 1 an = 24 × 365 = 8,76 × 103 heures.
E = 60 × 10–  3 × 8,76 × 103 ≈ 525 kWh.
Le coût de cette consommation est :
C = 525 × 0,13 = 68,25 euros par an.
c. La part de l’électricité consommée pour la veille 
des appareils, par rapport à la consommation d’électricité d’un ménage, est :
525
× 100  ≈ 10 %.
p = 
5500
d. Comme il y a 27,6 millions de ménages en France, 
l’énergie électrique consommée par an pour la fonction veille des appareils est :
Etotale = 27,6 × 106 × 525 × 103 = 14,5 × 1012 Wh 
= 14,5 TWh.
La production d’énergie électrique éolienne ne permet pas de couvrir l’énergie des appareils en veille.
e. Couper  l’alimentation  de  ces  appareils  lorsque 
l’on ne les utilise pas.

7. L’éclairage du logement et les économies
d’énergie.
a. Les pièces qui consomment le plus d’énergie pour 
l’éclairage sont dans l’ordre :
–  Salon-Séjour- Salle à manger : 37 % ;
–  Cuisine : 17 %.
b. L’énergie  moyenne  consommée  pour  l’éclairage 
d’un logement est de 365 kWh par an. Ce qui donne :
–  Salon - Séjour- Salle à manger : 0,37 × 365 = 135 kWh 
par an ;
–  Cuisine : 0,17 × 365 = 62 kWh par an.
c. Cuisine : P = 148 ⁄ 2 = 74 W ; t = 62 000 ⁄ 74 
≈ 840 heures par an ; soit par jour :
840 ⁄ 330 ≈ 2,5 heures.

20 • CHAPITRE 4 - Quelles énergies pour l’habitat ?

Salon-Séjour – Salle à manger : P’ = 454 ⁄ 2 = 227 W ; 
t’ = 135 050 ⁄ 227 ≈ 595 heures par an ; soit par jour :
595 ⁄ 330 ≈ 1,8 h.

d. La consommation d’énergie des lampes à incandescence est, par an, égale à :
E = 0,66 × 365 ≈ 241 kWh par an.
Cette  consommation  sera  divisée  par  5  avec  les 
lampes basse consommation soit :
E’ = 241 ⁄ 5 ≈ 48 kWh.
L’économie serait alors de 193 kWh par an.

e. Consommation  électrique  moyenne  par  an  des 
ménages pour l’éclairage de leur logement en 2013 :
365 – 193 = 172 kWh par an.

8. La consommation d’un lave-linge
a. La résistance électrique est le siège d’une transformation d’énergie électrique en chaleur, et le moteur 
d’énergie électrique en travail mécanique.

b. Résistances électriques : 
t1 = 17 minutes = 17 ⁄ 60 ≈ 0,28 h.
Moteur pour le lavage : 
t2 = 43 minutes = 43 ⁄ 60 ≈ 0,72 h.
Moteur pour l’essorage : 
t3 = 15 minutes = 15 ⁄ 60 = 0,25 h.

c. E = P1.t1 + P2.t2 + P3.t3 
= 1,7 × 0,28 + 0,13 × 0,72 + 0,17 × 0,25 ≈ 0,61 kWh.

d. L’énergie pour chauffer l’eau à 90 °C est bien supérieure à celle nécessaire pour la chauffer à 40 °C.

e. ET⁄an = 242 × 0,66 = 160 kWh. 
Coût = 160 × 0,13 ≈ 21 €.

9. Le chauffage au bois
a. En tenant compte du rendement de la chaudière 
la masse de bois est :
m = 

35000
≈  9 115 kg.
4, 8 × 0, 8
80

b. La masse volumique est donnée par la relation
ρ=

m
m 9115
,  d’où :  V =
=
≈ 14 m3.
650
ρ
V

c. Il  faut  pouvoir  disposer  d’un  espace  important 
pour pouvoir installer un silo de cette taille.

d. Le chauffage de la maison consomme 9 115 kg de 
bois.  L’énergie  primaire  consommée  au  m2  pour  le 
chauffage au bois est donc :
Echauf. = 

9115 × 4, 8 × 0, 6
≈ 75 kWh.m–  2.an–  1.
350

Cette  valeur  est  inférieure,  mais  très  proche  de  la 
limite de la norme BBC. La marge est faible pour permettre  les  autres  consommations.  L’isolation  de  la 
maison doit donc être améliorée de manière à diminuer la consommation énergétique du chauffage.

Actualités techniques
10. La maison bioclimatique
a. Les énergies utilisées par la maison sont :
–  l’énergie solaire (capteurs thermiques, cellules phol’énergie solaire (capteurs thermiques, cellules photovoltaïques) ;
–  la biomasse (le bois).
Ces deux sources d’énergie sont renouvelables.
b. L’énergie finale bois pour le chauffage de la maison par an rapportée au m2 est :
Echauf. = 3,5 × 1 600 ⁄ 160 = 35 kWh.m–  2.an–  1.
c. Les capteurs thermiques apportent 75 % de l’énergie nécessaire au chauffage de l’eau chaude sanitaire. 
L’énergie  électrique  finale  complémentaire  nécessaire est :
E = 2 100 × 25 ⁄ 75 = 700 kWh.an–  1.
Comme  la  surface  de  la  maison  est  de  160 m2,  la 
valeur cherchée est
E élec ECS = 700 ⁄ 160 = 4,4 kWh.m–  2.an–  1.
d. L’énergie primaire consommée pour le chauffage 

et l’eau chaude sanitaire est :
Epri. = 35 × 0,6 + 4,4 × 2,58 = 32,35 kWh.m–  2.an–  1.

e. Comme  la  maison  consomme  32,35  kWh.m–  2.
an–  1,  il  reste  pour  l’éclairage  et  la  ventilation  une 
énergie primaire électrique,
Epri’ = 50 – 32,35 = 17,65 kWh.m–  2.an–  1.
Ce qui correspond à une énergie finale par an pour 
l’éclairage et la ventilation :
Efinale = 17,65 × 160 ⁄ 2,58 ≈ 1 100 kWh.an–  1.

Le coin du chercheur
Le chauffage au bois contribue peu à l’effet de serre.
En  effet,  lorsqu’on  brûle  le  bois,  on  produit  du 
dioxyde ce carbone qui contribue à l’effet de serre ; 
mais  lorsque  la  forêt  se  développe,  elle  consomme 
du dioxyde de carbone pour la synthèse chlorophyllienne.  Lors  de  la  combustion  du  bois  on  recède  le 
dioxyde de carbone qui a été prélevé initialement à 
l’atmosphère.

CHAPITRE 4 - Quelles énergies pour l’habitat ? • 21

5

Comment accumuler de l’énergie ?

ACTIVITÉS
■ Activité 1 : Des substances différentes accumulent-elles de la même façon
l’énergie ?
1.  La substance qui accumule le plus d’énergie est l’eau. Celle qui en accumule le moins est le fer.
2.  Dans la journée l’énergie du mur augmente car il reçoit de l’énergie, par rayonnement, du soleil.
Dans la nuit l’énergie du mur diminue car il cède de l’énergie à l’environnement, plus froid.

3.  Le principe d’un mur à accumulation d’énergie est d’accumuler de l’énergie durant la journée 
(rayonnement solaire) et de la restituer durant la nuit. Toutes les substances n’accumulent pas 
l’énergie de la même façon.

■ Activité 2 : Comment varie la température d’un corps en fonction de
l’énergie reçue ?
1.  Les résultats de l’expérience 1 permettent de justifier que Q est proportionnel à la variation de 
température Δθ car la représentation graphique Q = f (Δθ) est une droite passant par l’origine.
2.  Les résultats de l’expérience 2 permettent de justifier que Q est proportionnel à la masse m car le 
rapport Q ⁄ m est constant.

TRAVAUX PRATIQUES
■ Mesures des capacités thermiques massiques du fer et de la pierre
1. Problématique
Pour accumuler l’énergie entrant dans une maison, on construit des murs en pierre ou en brique. 
Pourrait-on choisir un autre matériau, l’acier par exemple ?

2. Questions préliminaires
1.  La relation liant ΔUe et la variation de température de l’eau est : ΔUe = m.ceau.Δt.
2.  a) Eau : masse m ; capacité thermique massique : ceau ; 
température initiale θ1 ; température finale θf.
Fer : masse m’ ; capacité thermique massique : cfer ; température initiale θ2 ; température finale θf.
ΔUe + ΔUfer = 0    entraîne :     m.ceau.(θf – θ1) + m’.cfer  .(θf – θ2) = 0.

b) L’expression précédente donne :
c fe r = ce au .

m (θ f − θ1 )
.
.
m’ (θ 2 − θ f )

c) La capacité thermique massique s’exprime en J.kg–  1.°C–  1.

3. Réalisation expérimentale
a) Mesure de la capacité thermique massique du fer
–   La masse volumique de l’eau est égale à 1 g.mL–  1.Une masse de 400 g d’eau a donc un volume égal 
à 400 mL. Le volume de 400 mL d’eau se mesure avec une éprouvette graduée.
–   Le cylindre est amené à la température de 100 °C en le plongeant dans de l’eau en ébullition 
durant quelques minutes.
Protocole
Placer le cylindre de fer dans un bécher contenant de l’eau en ébullition.
Verser le volume de 400 mL d’eau dans le calorimètre et mesurer sa température θ1.

22 • CHAPITRE 5 - Comment accumuler de l’énergie ?

Immerger le cylindre, agiter et lire la température finale θf dans le calorimètre, à l’équilibre 
thermique.
Mesures obtenues avec le cylindre de fer :
m (kg)
0,400

m’ (kg)
0,154

θ1 (°C)
19,2

θ2 (°C)
100

θf (°C)
22,3

θf − θ1 (°C)
3,1

θ2 – θf (°C)
77,7

θf (°C)
22,6

θf − θ1 (°C)
3,2

θ2 – θf (°C)
77,4

b) Mesure de la capacité thermique massique de la pierre
Mesures obtenues avec une pierre calcaire :
m (kg)
0,400

m’ (kg)
0,092

θ1 (°C)
19,4

θ2 (°C)
100

4. Exploitation des expériences
meau (θ f − θ1 )
0, 400 3,1
×
= 433 J.kg  –1.°C–1.
.
= 4180 ×
154
54 77, 7
m’fer (θ 2 − θ f )
0,1

meau ( θ f − θ1 )
0, 400 3, 2
= ceau .
.
= 4180 ×
×
= 751 J.kg  –1.°C–1.
m’pierre ( θ 2 − θ f )
0, 092 77, 4  

1.  cfer = ceau .
2.  cpierre

3.  La pierre possède une plus grande capacité thermique massique que le fer.
4.  La pierre, la brique, le béton possèdent des capacités thermiques massiques élevées, supérieures 
à 800 J.kg–  1.°C–  1, et permettent ainsi d’accumuler beaucoup d’énergie thermique. Ces matériaux 
sont aussi plus légers, plus faciles à mettre en œuvre et moins onéreux que le fer.

EXERCICES
Tester ses connaissances

Tester ses compétences

Q.C.M.
1 : A et C ; 2 : B ; 3 : B ; 4 : A ; 5 : C.

1. Liquéfaction du diazote de l’air

Apprendre à résoudre
Détermination de la capacité thermique
massique de l’huile
Niveau l COMPRENDRE
1. 1 L d’huile a une masse de 0,8 kg et 0,5 L une masse 
de 0,4 kg.

2. a. Q = m . c  . Δθ.
b. Q (J), m (kg), c (J.kg–  1.°C–  1), Δθ (°C).
3. a. c = Q ⁄ (m.Δθ).
b. 8,1 kJ = 8,1 × 103 J; c = 2,5 kJ.kg–  1.°C–  1.
Détermination de la capacité thermique
massique du lait
Niveau l APPLIQUER
a. c = Q ⁄ (m. Δθ) = 3,7 kJ.kg–  1.°C–  1.
b. Cette  énergie  est  comparable  à  celle  de  l’eau, 
4,18 kJ.kg–  1.°C–  1, inférieure de 10 % environ.

La relation entre la température absolue T et la température Celsius θ est :
T = θ + 273 ;
Donc   θ = T – 273 = ; θ = 77 – 273 = –  196 °C.

2. Température et agitation interne
a. Lorsqu’on  refroidit  un  corps  on  diminue  l’agitation des particules qui le constituent.

b. À 0 K soit – 273 °C.

3. Chauffage d’une tasse de café
a. Le café s’échauffe car il reçoit de l’énergie (rayonnement).

b. L’énergie reçue par le café est stockée sous forme 
d’énergie interne.

4. Chauffage de l’eau
Comme la variation de température est proportionnelle à l’énergie reçue, on complète le tableau en utilisant le « produit en croix ».
CHAPITRE 5 - Comment accumuler de l’énergie ? • 23

Énergie 
reçue (J)

8 100

5 000

2 700

3 470

1 200

5 785

Variation de 
température 
(°C)

21

13

7

9

3,1

15

5. Capacité thermique massique du béton
a. La relation qui permet de calculer la capacité ther-

12. Chauffe-eau instantané
a. En  une  minute  le  chauffe-eau  peut  fournir  une 
énergie 
E = P. Δt E = 6 × 103 × 60 = 360 kJ.
b. L’élévation de température est donnée par : 
E = m . c  . Δθ ;   Δθ = 25 °C.
La température de l’eau en sortie est de 40 °C.

mique massique du béton est :
c = Q ⁄ (m. Δθ).
b. La capacité thermique massique du béton est 
c = 880 J.kg–  1.°C–  1.

13. Le lait dans l’industrie
a. La  capacité  thermique  c  dépend  de  la  tempéra-

Applications technologiques

c(80 °C) = 4 049 J.kg–  1.°C–  1 ;
c. c = 4 021 J.kg–  1.°C–  1.
d. Q = m . c  . Δθ ; m = 103,6 kg ; Q = 8 331 kJ.

6. Refroidissement d’un appareil IRM
La relation entre la température absolue T et la température Celsius θ est 
T = θ + 273 ;
Donc   θ = T – 273,  θ = 4 – 273 = - 269 °C.

7. Chauffe-eau
L’énergie thermique Q est donnée par :
Q = m . c  . Δθ .
La masse m de 250 L est égale à 250 kg.
La variation de température de l’eau est 
Δθ = 40 – 16 = 24 °C.
Donc   Q = 25 080 × 103 J ≈ 25 × 106 J.

8. Lave-mains
a. L’énergie  thermique  à  fournir  à  l’eau  en  une 
minute est : 
Q = m . c  . Δθ.
Avec  m  =  2  kg,  c =  4 180  J.kg–  1.°C–  1,  Δθ  =  22  °C,  on 
obtient
Q = 184 kJ.
b. La puissance fournie est P = Q ⁄ Δt 
avec Δt = 1 min = 60 s.
P = 3 kW.

9. Chambre froide
ΔU = Q = m . c  . Δθ ; Δθ = 3 – 18 = –  15 °C. 
La variation d’énergie interne sera donc négative.
ΔU = – 4,7 × 102 kJ.

10. Refroidissement d’une pièce en polystyrène
L’énergie  thermique  Q cédée  par  la  pièce  lors  du 
démoulage est donnée par 
Q = m . c  . Δθ ;
m = 50 g = 0,050 kg ;   Q = 10 720 J ≈ 11 kJ.

11. Moulage d’une pièce en polystyrène
L’énergie  thermique  nécessaire  à  l’injection  d’un 
réglet est donnée par : 
Q = m . c  . Δθ ;
m = 15 g = 0,015 kg ; Δθ = 210 – 20 = 190 °C ; on trouve
Q = 3,8 kJ.

24 • CHAPITRE 5 - Comment accumuler de l’énergie ?

ture.

b. c(60 °C) = 3 993 J.kg–  1.°C–  1 ; 

14. De l’eau tiède
a. L’énergie thermique Q1 cédée par l’eau chaude est 
Q1 = 0,5 × 4 180 × (θ – 15).

b. L’énergie thermique Q2 reçue par l’eau froide est 
Q2 = 0,2 × 4 180 × (60 – θ).

c. Q1 = Q2 implique θ = 27,9 °C.

15. Capacité thermique d’un coutil
a. L’énergie thermique Q cédée par l’eau lorsque sa 
température passe de 50 °C à 48 °C est donnée par : 
Q = m . c  . Δθ = 75 240 J.
b. L’énergie thermique Q’ reçue par le Coutil est donnée par :
Q’ = m  . Cc  . (θ – θ1) = 1,4 × Cc × 30,5 = 42,7  . Cc.
c. Q = Q’ implique Cc = 1 760 J.kg–  1.°C–  1.

16. Détermination de la capacité thermique de
l’argent par calorimétrie
a. Énergie thermique Q reçue par l’eau : 
Q = 0,4 × 4 180 × 3 = 5 016 J.

b. Capacité thermique massique de l’argent : 
C = 5 016 ⁄ ( 0,270 × 79) = 235 J.kg–  1.°C–  1.

17. Rendement d’un système de chauffage
a. L’énergie thermique est donnée par : Q = m . c  . Δθ ; 
m = 0,120 kg ; Δθ = 190 °C.
Q = 33, 3 kJ.
b. L’énergie consommée est 
E = P. Δt = 1 800 × 30 = 54 kJ.
c. Le rendement du système est égal à 
33, 3 ⁄ 54 = 0,62  soit 62 %.

18. Mur à accumulation d’énergie
1. a. Le  mur  emmagasine  l’énergie  sous  forme 
d’énergie interne.

b. La variation d’énergie interne du mur est : 
ΔU = Q = m . c  . Δθ ;   ΔU = 141 MJ.

2. a. L’énergie cédée par le mur 
ΔU’ = Q’ = m . c  . Δθ’ ;   ΔU’ = 128 MJ.

b. P = 128 × 108 ⁄ (12 × 3 600) = 2,96 kW.

c. Ce transfert d’énergie thermique a lieu sous forme 
de convection et rayonnement.

23. Four de fusion de la fonte
a. La  quantité  de  chaleur  nécessaire  pour  élever  la 

19. Vinification
a. L’énergie  à  apporter  au  contenu  de  la  cuve  est 

température de la fonte est donnée par :

donnée par : 

b. Q2 = 16,3 MJ.
c. Q = Q1 + Q2 = 54,7 MJ.
d. Δt = Q ⁄ P = 2 104 s ≈ 2,1 × 103 s.

Q = m . c  . Δθ ;  Q = 87 780 kJ.

b. La durée du chauffage est Δt = Q ⁄ P = 87 780 s soit 
24,4 h (un jour environ).

20. Centrale électrique
a. La quantité de chaleur évacuée, par seconde, dans 
le fleuve est donnée par : 
Q = m . c  . Δθ ;
m = 10 × 103 kg ; Δθ = 10 °C ; Q = 4,18 × 105 kJ.
b. Quantité de fuel équivalente par seconde : 
4,18 × 105 ⁄ 37 400 = 11,2 L
soit 3,52 × 108 L par an soit environ 3 × 105 t.

21. Chaleur de réaction
Les solutions contiennent 0,1 mole d’acide chlorhydrique et 0,1 mole d’hydroxyde de sodium. L’énergie 
thermique Q dégagée est donnée par : 
Q = m . c  . Δθ.
Avec m = 225 g ; Q = 5,74 kJ.
L’énergie thermique Q dégagée par la neutralisation 
d’une mole d’acide chlorhydrique par une mole d’hydroxyde de sodium est donc 10 fois plus importante 
soit 57,4 kJ.

Q1 = m . c  . Δθ ;   Q = 38,4 MJ.

24. Pouvoir de congélation d’un congélateur
a. La quantité de chaleur Q1 cédée par les aliments 
est :
Q1 = m . c  . Δθ ;  Q1 = 2 312 kJ.

b. La quantité de chaleur Q2  cédée par les aliments 
lors de la congélation est :
Q2 = 7 500 kJ.

c.
d.
e. 
f.

Q = Q1 + Q2 + Q3 ;   Q3 = 988 kJ.
c = 592 kJ. kg–  1.°C–  1.
Δt = Q ⁄ P = 21 600 s soit 6 h.
120 kg par 24 h.

Actualités techniques et
professionnelles
25. Le capteur solaire
1. L’énergie provient du rayonnement solaire.
2. Le serpentin échange de la chaleur avec l’eau du 

22. Four électrique de cuisine

réservoir de stockage.

a.  ρ = 0,720 kg.m–  3 = 0,720 g. L–  1 ;

3. a. 1,70 MJ.
b. 472 W.

m = ρ  . V = 0,720 × 54 = 39 g.
b. L’énergie  thermique  apportée  par  cette  masse 
d’air chaud est donnée par : 
Q = m . c  . Δθ ;
c = 1 000 J.kg–  1.°C–  1 = 1 J.g–  1.°C–  1 ;   Q = 7 800 J.

c. 1. D = 120 L.min–  1 = 2 L.s–  1 = 2 × 10–  3 m3.s–  1.
2.  D = s . V ;  s = 120 cm2 = 120 × 10–  4 m2 
= 12 × 10–  3 m2 ;
V = 0,166 m.s–  1 soit 17 cm.s–  1.

4. a. Perte d’énergie entre le capteur et l’extérieur.
b. 57 %.

Le coin du chercheur
La mer ne gèle pas sur les côtes de Norvège, même 
au-delà du cercle polaire, car le Gulf Stream constitue 
une source chaude.

CHAPITRE 5 - Comment accumuler de l’énergie ? • 25

6

Comment limiter les pertes d’énergie
dans une habitation ?

ACTIVITÉS
■ Activité 1 : Quelle est l’influence du type de revêtement de sol sur le
transfert thermique ?
Revêtement
Température (°C)

Bois
27,2

Stratifié
29,3

Moquette
29,9

Carrelage
39,5

Le carrelage est le revêtement qui permet le meilleur transfert de chaleur. C’est donc lui qui est le 
plus adapté.

■ Activité 2 : Quelle est l’influence de l’épaisseur d’une paroi sur sa
résistance thermique ?
Épaisseur (mm)
Température (°C)

3
37,4

6
33,7

9
30,1

12
27,6

1.  Oui, l’épaisseur de la paroi influe sur le transfert de chaleur. Le transfert de chaleur diminue 
lorsque l’épaisseur de la paroi augmente.

2.  Les paramètres à prendre en compte sont :
–   le type de matériau : ce doit être un mauvais conducteur de la chaleur ;
–   l’épaisseur de ce matériau : plus elle sera grande, meilleure sera l’isolation.

■ Activité 3 : Pourquoi utiliser une caméra thermique ?
1.  Les zones en orange sur l’image sont celles pour lesquelles les pertes thermiques sont les plus 
importantes (fenêtres, garage).

2.  Les zones bleu foncé sont les zones sont celles pour lesquelles les pertes thermiques sont les plus 
faibles (toit, façade).

3.  Pour améliorer l’isolation thermique de cette maison, le propriétaire pourrait :
–   remplacer les fenêtres existantes par des fenêtres à double vitrage.
–   isoler thermiquement le garage.

■ Activité 4 : Comment s’effectuent les transferts thermiques dans les gaz ?
1.  La flamme de la première bougie est aspirée dans le tube.
2.  Le chauffage de l’air à l’intérieur du tube engendre un mouvement de convection de l’air partant 
du point le plus bas vers le point le plus haut. La flamme s’incline vers l’entrée du tube, sous l’effet 
de ce mouvement d’air.

3.  Dans une pièce chauffée l’air chaud se déplace par convection, il monte et est remplacé par l’air 
froid qui descend pour se réchauffer à son tour au contact du plancher chauffant.

26 • CHAPITRE 6 - Comment limiter les pertes d’énergie dans une habitation ?

EXERCICES
Tester ses connaissances
Q.C.M.
1. C ; 2. C ; 3. A et B ; 4. B et C ; 5. A ; 6. C ; 7. A, B et C.

Apprendre à résoudre
Améliorer l’isolation

3. Vrai ou faux
a. La conduction thermique a lieu dans les solides.
b. Vrai
c. Un  corps  à  la  température  ambiante  émet  un 
rayonnement thermique.

d. Plus  un  corps  est  chaud,  plus  la  puissance  du 
rayonnement qu’il émet est importante.

Niveau l COMPRENDRE
1.  Flux thermique Φ1 = 100 × 15 ⁄ 0,59
= 2 542 W ≈ 2,5 kW.

2.  a. R = 0,25 ⁄ 0,042 = 5,95 m².K.W–  1 ≈ 5,9 m².K.W–  1.
b. Rt = 0,59 + 5,9 ≈ 6,5 m².K.W–  1
c. Flux thermique Φ2 = 100 × 15 ⁄ 6,5 = 0,23 kW.
Aménagement du garage
Niveau l APPLIQUER
Résistance thermique du mur non isolé : 
R1 = 0,2 ⁄ 0,9 + 0,02 ⁄ 1,15 = 0,24 m².K.W–  1.
Résistance thermique du mur isolé : 
R2 = 0,24 + 0,1 ⁄ 0,038 = 2,87 m².K.W–  1.
Flux thermique Φ1 à travers les murs non isolés : 
Φ1 = Δθ.S ⁄ 0,24.
Flux thermique Φ2 à travers les murs isolés : 
Φ2 = Δθ. S ⁄ 2,87.
Φ1 ⁄ Φ2 = R2 ⁄ R1 = 2,87 ⁄ 0,24 = 12.
L’isolation thermique permettra de réduire sensiblement la facture énergétique puisque le flux thermique 
à travers les murs sera divisé par 12 avec l’isolation.

Tester ses compétences
1. Échange par conduction
a. La température du premier bloc décroît, car il cède 
de la chaleur au deuxième bloc.
La température du deuxième bloc croît, car il reçoit 
de la chaleur du premier bloc.
b. Les  températures  tendent  vers  une  valeur  commune  pour  atteindre  l’équilibre  thermique.  À  ce 
stade,  il  n’y  a  plus  de  transfert  de  chaleur  entre  les 
deux blocs.
c. Cette  température  s’appelle  la  température 
d’équilibre.

2. Chauffe-eau solaire
a. Au niveau du panneau solaire, le transfert d’éner-

e. Vrai.

4. Au bureau
a. Sources  de  gain  d’énergie  thermique  :  appareils 
bureautiques, métabolisme de Simon ;
Pertes d’énergie thermique : flux thermique vers l’extérieur à travers les murs et les vitres ; ventilation.
b. Flux thermique à travers le mur : 
Φ = 3,5 × 14 ⁄ 2 ≈ 24 W.
c. Flux thermique à travers les vitres : 
Φvitres = 2,5 × 2,2 × 14 ⁄ 0,8  ≈ 96 W.
d. Puissance totale perdue : 
Φtotal = 24 + 96 + 125 = 245 W.
e. 180 W < 245 W donc nécessité de chauffer.

5. Rayonnement de l’aluminium
a. L’émittance  est  la  puissance  rayonnée  par  unité 
de  surface.  Elle  s’exprime  en  watt  par  mètre  carré 
(W.m–  2).

b.
Température T (°C)
Émittance M (W.m–²)

5
260

10
280

15
300

20
321

c. L’émittance d’un corps augmente avec sa température.

6. Influence de la température
a. Pour T = 200 K, λmax200 = 15 mm, pour T = 300 K, 

λmax300 = 10 mm, pour T = 1 000 K, λmax1000 = 3,5 mm.
b. La  longueur  d’onde  de  la  lumière  émise  par  un 
corps diminue lorsque la température du corps augmente.

7. Les couleurs de l’acier
a. Parmi ces trois couleurs, le rayonnement jaune a 
la plus petite longueur d’onde alors que le rouge a la 
plus grande.
b. La  pièce  en  acier  est  d’abord  rouge  puis  orange 
puis jaune.

b. Entre  le  fluide  caloporteur  et  l’eau  chaude  sani-

8. Test comparatif
a. Énergie reçue par l’air de la cavité 1 : 

taire,  le  transfert  d’énergie  se  fait  par  conduction 
thermique dans les tuyaux.
c. Au  sein  du  ballon  d’eau  chaude,  le  transfert 
d’énergie se fait par convection.

Q1 = 35 × 10–  3 × 1 000 × (27-19) = 280 J.
Énergie reçue par l’air de la cavité 2 : 
Q2 = 35x10–  3 × 1 000 × (20,5-19) = 52,5 J
b. L’isolant 2 est le meilleur, car Q2 < Q1.

gie se fait sous forme de rayonnement.

28
358

CHAPITRE 6 - Comment limiter les pertes d’énergie dans une habitation ? • 27

Applications technologiques
9. Quel vitrage ?
a. R = e ⁄ λ ; Rair = (4 × 10–  3 ⁄ 0,81) × 2 + 12 × 10–  3 ⁄ 0,025 
= 0,49 m².K.W–  1 ; 

Rargon = (4 × 10–  3 ⁄ 0,81)  × 2 + 12 × 10–  3 ⁄ 0,018 
= 0,68 m².K.W–  1.

b. L’argon permet d’améliorer l’isolation thermique 
par conduction. (+39 %)

c. Rtriple = (4 × 10–  3 ⁄ 0,81) × 3 + (12 × 10–  3 ⁄ 0,025) × 2 
= 0,97 m².K.W–  1.

d. Le triple vitrage assure la meilleure isolation thermique parmi ces trois vitrages.

e. La résistance thermique apportée par le verre est 
très négligeable devant celle apportée par le gaz. Augmenter l’épaisseur du verre n’aurait que très peu d’influence sur la qualité de l’isolation thermique.

10. Quel matériau ?
a. λ représente la conductivité thermique du matériau.

b. Résistance thermique d’un mur classique :
R = 0,2 ⁄ 0,9 + 0,1 ⁄ 0,035 = 3,1 m2.W–  1.K.

c. Épaisseur  de  béton  cellulaire  pour  atteindre  la 
même résistance thermique :
e = R  . λ = 3,1 × 0,1 = 0,31 m
soit 31 cm de béton cellulaire.

d. Pour λ = 0,1 W.m–  1.K–  1, 
à  l’ordonnée  R  =  3,1  m2.W–  1.K  correspond  l’abscisse x = 31 cm environ.
R (m2.K.W –1)

λ (W.m –1.K –1)
0,03

0,05

5,0
4,0
3,0

0,1
0,15
0,2

2,0

0,3
0,4
0,5
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
2

0,8
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,08
0,06
0,05
0,04
0,00

0,08

3

Épaisseur (mm)
20
30
40
50
60

U (W. m–  2.K–  1)
1,54
1,05
0,80
0,67
0,56

c. U = 0,5 donc Rtot = 1 ⁄ U = 2 m2.W–  1.K.
Rbéton + Rparpaings = 0,15 ⁄ 0,8 + 0,25 ⁄ 1,15 
= 0,4 m2.W–  1.°C ;
donc :   RPSE = 2 – 0,4 = 1,6 m2.W–  1.K  et 
UPSE = 1 ⁄ 1,6 = 0,62 W.m–  2.K–  1.
D’après le  tableau, l’épaisseur  du  PSE  est  comprise 
entre  50  et  60  mm.  On  choisira  une  épaisseur  de 
60 mm pour avoir une meilleure isolation.
d. Rtot = Rbéton + RPSE = 0,15 ⁄ 0,8 + 0,3 ⁄ 0,042 
= 7,33 m2.K.W–  1 ; donc :
Utot = 1 ⁄ 7,33 = 0,14 W.m–  2.K–  1.

12. VMC double flux
a. Débit en kilogramme par seconde : 0,042 7 kg.s–  1.
b. Quantité  de  chaleur  reçue  chaque  seconde  par 
l’air entrant :
Qentrant = 0,0427 × 1 000 × (15 – 2) = 555 J.
c. Quantité  de  chaleur  reçue  chaque  seconde  par 
l’air sortant :
Qsortant = 0,0427 × 1 000 × (19 – 5) = 598 J.
d. Qentrant < Qsortant : Toute l’énergie perdue par l’air 
sortant n’est pas captée par l’air entrant. Une partie 
de l’énergie est donc perdue.
e. Cette solution permet de limiter les pertes de chaleur subies par l’air circulant dans les gaines et dans 
l’échangeur.
f. En  hiver,  lorsque  le  flux  d’air  entrant  passe  par 
un  puits  canadien  il  se  réchauffe  en  captant,  part 
conduction avec la paroi intérieure du tube, la chaleur de la terre. Cet air entre donc moins froid dans 
l’échangeur et de ce fait est plus chaud en sortie. Avec 
ce type d’installation, la température de l’air entrant 
dans  la  maison  est  souvent  déjà  à  la  température 
ambiante.
En été, l’air chaud cède de la chaleur à la terre et se 
rafraîchit avant de rentrer dans la maison.

13. Bilan thermique simplifié d’une salle de
classe
a. Surfaces des parois : plafond : 60 m2 ; murs : 41 m2 ; 

e (cm)
0

1,5 2

3

4 5 6

8 10

15 20

30 40 50

11. Épaisseur d’un isolant
a. R représente la résistance thermique d’une paroi
b. Coefficients de conduction surfacique U du PSE

fenêtres : 5 m2 ; portes : 4 m2 ; sol : 60 m2.

b. Flux thermique sortant pour chaque paroi : plafond  :  60  ×  (21-5)  ⁄  3  =  320 W  ;  murs  :  328 W  ;  sol  : 
480 W ; fenêtres : 160 W ; portes : 49 W.
c. Débit  de  la  ventilation  en  kilogramme  par 
seconde :
D = 400 × 1,2 ⁄ 3 600 = 0,133 kg.s–  1.

28 • CHAPITRE 6 - Comment limiter les pertes d’énergie dans une habitation ?

d’où l’émissivité du miroir :

Quantité de chaleur effectuée chaque seconde par la 
ventilation :
Q = 0,133 × 1 000 × (21-5) = 2 128 J.s–  1 soit Φ = 2 128 W.
d. Flux thermique sortant total : 
1 137 + 2 128 = 3 465 W.
e. Flux thermiques apportés : élèves : 
28 × 100 = 2 800 W ; 
prof : 140 W ; éclairage : 30 × 18 = 540 W.
f. Soit un flux total apporté de 3 480 W.
g. Le  bilan  est  quasiment  équilibré.  Les  radiateurs 
n’ont,  selon  cette  étude,  pas  besoin  de  chauffer 
durant le cours.

Puissance rayonnée par le radiateur :

14. Solaire thermique
a. • Énergies quotidiennes pour chauffer l’eau :

Le coin du chercheur

200 × 4,18 × (60-9) ⁄ 3 600 = 11,8 kWh ; 11,1 kWh ; 
10,2 kWh ; 10,9 kWh.
• Énergie fournie par un panneau, chaque jour :
1,41 × 2,15 = 3,03 kWh ; 9,20 kWh ; 11,6 kWh ; 5,7 kWh.
• Donc il faudrait pour chaque mois : 4 ; 2 ; 1 ; 2 panneaux.
b. Choisir 2 panneaux semble plus rentable.

15. Miroir rayonnant
a. Émittance affichée par le constructeur : 
M = 500 W.m–².

b. T = 273 + 54 = 327 K
M = 5,67 × 10–  8 × ε × T 4,

ε = 500 ⁄ (5,67 × 10–  8 × 3274) = 0,77.

c. Le miroir chauffe également l’air par convection.
d. Émittance du radiateur :
M = (500 ⁄ 0,77) × 0,86 = 558 W.m–  2.
Pr = 558 × 1,72 = 960 W.

e. La puissance rayonnée représente 
960 × 100 ⁄ 1 250 = 77 % de la puissance utile.
La majeure partie de la puissance restante est transférée par convection.

1.  Ces  vitrages  limitent  grandement  la  pénétration 
du  rayonnement  solaire  dans  la  maison.  Lors  des 
périodes  chaudes,  cette  caractéristique  est  intéressante. En revanche, lors des périodes froides, c’est un 
inconvénient.
2.  Le  rôle  de  la  face  recouverte  d’une  feuille  d’aluminium  est  de  limiter  le  transfert  de  chaleur  par 
rayonnement.  Si  l’isolation  du  faux  plafond  a  pour 
objectif  de  limiter  les  pertes  thermiques  en  hiver, 
alors il faut mettre la feuille d’aluminium vers l’intérieur. Si au contraire on souhaite limiter les transferts 
thermiques de l’extérieur vers l’intérieur en été, il faut 
mettre la feuille d’aluminium vers l’extérieur.

CHAPITRE 6 - Comment limiter les pertes d’énergie dans une habitation ? • 29

7

Comment chauffer avec des appareils
électriques ?

ACTIVITÉS
■ Activité 1 : Comment déterminer la puissance électrique P reçue
par un thermoplongeur ?
1.  Expérience 1 : La relation est P = U  . I.
2.  Expérience 2 : On a la même relation (U et I sont les valeurs efficaces de la tension et de 
l’intensité).

3.  En régime continu, la puissance d’un appareil chauffant est égale au produit de la tension par 
l’intensité du courant qui le traverse. En régime sinusoïdal, elle est égale au produit des valeurs 
efficaces de la tension et de l’intensité du courant.

■ Activité 2 : Quelle loi relie le couple (intensité-tension) d’une résistance ?
1.  La caractéristique est un segment de droite passant par l’origine du repère.
2.  La relation est U = R  . I.
3.  On obtient P = R  . I² et P = 

U2
.
R

■ Activité 3 : Quelles sont les lois des intensités des courants dans un
circuit ? Quelles sont les lois des tensions ?
1.  En continu, on a UAB = UAC + UCB et I = I1 + I2.
2.  En régime sinusoïdal, on obtient les mêmes relations à l’aide des valeurs efficaces.

TRAVAUX PRATIQUES
■ Comment chauffer avec des appareils électriques ?
1. Problématique
Comment faut-il associer trois conducteurs ohmiques pour obtenir la plus grande conversion de 
puissance électrique en chaleur ?

2. Questions préliminaires
Pour ces trois résistances vitrifiées, l’énergie électrique reçue est dissipée par effet Joule sous forme 
de chaleur. Pour déterminer la résistance ou l’association de résistances permettant de transférer 
le plus de chaleur, on mesure pour différents montages (série ou parallèle) la puissance électrique 
moyenne absorbée à l’aide d’un wattmètre ou en réalisant le produit U . I de la tension par l’intensité 
du courant qui les traverse.

A
–   Montage réalisé avec un ampèremètre et un voltmètre :

12 V G
–   Avec R = 68 Ω, le sélecteur du voltmètre 
est en mode alternatif sur le calibre 20 V et 
l’ampèremètre, également en mode alternatif, sur 
celui de 200 mA.
U
–   On a R = 
.
I

30 • CHAPITRE 7 - Comment chauffer avec des appareils électriques ?

68 Ω R

V

3. Réalisation des expériences
Tableau de mesures complété avec les différents montages :
Groupement
U (V)

12,0

12,0

12,0

12,0

12,0

I (A)

0,176

0,088

0,059

0,353

0,530

68

136

203

34

22,6

2,10

1,05

0,71

4,24

6,24

R = 

U
(Ω)
I

P = U . I (W)

La résistance équivalente est plus faible lorsque les trois résistances sont montées en dérivation.

4. Exploitation des mesures
1.  La résistance équivalente à un montage de conducteurs ohmiques en parallèle est plus faible que 
celle de ces mêmes conducteurs ohmiques montés en série.

2.  Pour un circuit alimenté à tension constante :
• lorsque la résistance augmente, la puissance transférée diminue ;
• pour des conducteurs ohmiques associés en parallèle, la puissance transférée est plus importante 
que lorsqu’ils sont associés en série.

INFO DOC
■ La conduction électrique
Réponse aux questions
1.  Le cuivre est meilleur conducteur que l’aluminium (σCu > σAl).
2.  Le polyéthylène est meilleur isolant que le verre (σpolyéthylène < σverre).
3.  Une solution aqueuse est conductrice lorsqu’elle contient des ions. Lors du passage du courant 
dans la solution, les ions migrent vers les électrodes. Les cations, chargés positivement, se déplacent 
alors dans le sens conventionnel du courant électrique.

4.  Présent à près de 80 % dans l’air, l’azote est facile à liquéfier (150 K).

CHAPITRE 7 - Comment chauffer avec des appareils électriques ? • 31

EXERCICES
Tester ses connaissances

b.

Q.C.M.

11 U (V)
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0
0,05

1 : A et C ; 2 : A ; 3 : A, B et C ; 4 : A et B ; 5 : A et B.

Apprendre à résoudre
Chauffe-plats
Niveau l COMPRENDRE

a. Circuit complété :

A
G

V

Tester ses compétences
1. Circuit électrique
a. Le voltmètre est branché en dérivation et mesure 
I (A)
1

1,2 1,4 1,6 1,8

2

∆U
 = 5,74 Ω   et  
U = 5,74  . I.
∆I
c. Valeurs à ne pas dépasser : 
Umax =  Pmax .R = 25 × 5, 7 4  = 12,0 V.

R

0,25

P
≈ 0,23 A.
R

Imax = 

et  

R = 

Pmax

0,2

Umax =  Pmax .R = 2, 5 × 47  ≈ 11 V 

et la résistance de ce dipôle ohmique

Imax = 

0,15

La caractéristique est un segment de droite passant par 
l’origine du repère ; donc ce dipôle est ohmique. En utilisant le tableur de la calculatrice, sa résistance est :
∆U
≈ 47 Ω.
R = 
∆I
c. Valeurs à ne pas dépasser :

R

b.  Caractéristique :
11 U (V)
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0 0,2 0,4 0,6 0,8

I (A)
0,1

=

la tension UCD. L’ampèremètre est branché en série et 
mesure l’intensité dans la branche EF.
b. Le sélecteur est positionné en mode alternatif.
c. On choisit les calibres 20 V et 20 A.
d. Par exemple : A est un nœud ; CEF une branche ; 
ACDBA une maille.

2. Puissance et énergie
a. Le schéma du montage

G

25
 = 2,08 A.
5, 7 4

Valeurs limites

I

Niveau l APPLIQUER

I

U

W

U

a. Le schéma :

R

A
G

V

R

Protocole expérimental  :  on  fait  varier  la  tension  à 
l’aide  d’un  générateur  à  tension  réglable  (ou  d’un 
potentiomètre)  et  on  relève  les  couples  (I,  U)  avec 
deux  multimètres  ;  le  produit  U  . I  ne  doit  pas  être 
supérieur à 2,5 W.

P
 = 120 V et le générateur ne délivre 
I
que 12 V (P = 24 W).
c. Énergie convertie en chaleur : 
E = P  . t = 24 × 1,5 = 36 Wh soit 130 kJ.

b.  Non car U = 

3. Bilan énergétique
a. On  utilise  un  wattmètre  pour  mesurer  la  puissance P cédée par le générateur ainsi que celle reçue 
par chacun des dipôles.

32 • CHAPITRE 7 - Comment chauffer avec des appareils électriques ?

b. On vérifie que P = P1 + P2 + P3.

10. Alimentation stabilisée

4. Tension sinusoïdale

Avec R = 20 Ω, P = 

a. Durée du balayage : 5 ms/DIV ; 
période T = 5 × 4 = 20 ms ; fréquence f = 

1
 = 50 Hz.
T

b. Sensibilité verticale : 5 V/DIV ; tension maximale : 
Umax = 15 V tension efficace U = 10,6 V.

11. Radiateurs électriques.
a. Ce sont des indications de la puissance nominale 

5. Maille et nœud
a. Le schéma complété.
UPA

P
I= 5A

+

et de la tension nominale prévues par le constructeur.

I3

A

R1

N

UBC
C

Sens
du parcours

R4

E

UCD
D

b.  Au nœud A : I = I2 + I3 ; I3 = 5 – 2,3 = 2,7 A.
c. Loi de la maille ABCDEA : 
UAB + UBC + UCD + UDE + UEA = 0 (UAB = UDE = 0)
UBC = –UEA – UCD = UAE – UCD = 12 – 3 = 9 V  
et   UCB = – 9 V.

Applications technologiques

12. Salle de sport
a. À la fermeture de l’interrupteur :
Ifroid = 

6. Boîte de connexions
a. Ia = 450 – (50 + 160) = 240 mA (part du nœud).
b. Ib = 300 – (60 – 52) = 292 mA (part du nœud).
a. Tension d’entrée UPN = 24 V.
b. Intensité du courant traversant les résistances 
U PN
24
=
= 
 = 4,8 A.
R1 + R2
5
c. Tension de sortie : 
UMN = R2 . I = 4 × 4,8 = 19,2 V ≈ 19 V.

8. Montage potentiométrique
a. Tension d’entrée UPN = 12 V.
b. Tension de sortie minimale 
U PN
12
× R2 =
× 2, 2  = 2,16 V ≈ 2,2 V.
R1 + R2
12, 2
Tension de sortie maximale UCN = UPN = 12 V.
UCN = 

9. Valeurs instantanées
a. Les deux courbes sont des sinusoïdes.
b. Le décalage est de 0 s.
c. Umax = 10 V ; U = 7,07 V ; T = 0,02 s ;  f = 50 Hz.
Imax = 0,30 A ; I = 0,21 A ; T = 0,02 s ;  f = 50 Hz.
U
 = 33 Ω.
I

P
75
 = 
 = 1,46 A.
Rf
35

Après la montée en régime :
Inominal = 

7. Montage diviseur de tension

d. Résistance du dipôle R = 

P 2500
=
 = 10,9 A.
U
230
U 2 230 2
=
c. Résistance du radiateur : R = 
 = 21,2 Ω.
P
2500
d. Pour les alimenter sous leur tension nominale, il 
faut les brancher en dérivation.
e. P = 2 × 2 500 W = 5 000 W.
  Intensité efficace du courant dans la ligne :
P
I =   = 21,7 A.
U
f. Énergie consommée E = P  . t = 5 000 × 6 = 30 000 Wh 
soit 30 kWh.
Coût journalier : C = 30 × 0,13 = 3,90 €.
I = 

R3

R2



b. Intensité efficace du courant : 

B

I2 = 2,3 A
UAE

G

U2
144
 = 
 = 7,2 W < 60 W : 
R
20
le branchement est possible.
U2
144
 = 
 = 144 W > 60 W : 
Avec R = 1 Ω, P = 
R
1
le branchement n’est pas possible.

P
75
 = 
 = 0,423 A.
Rc
35 × 12

b. Avec 20 lampes sur la même ligne, le pic d’intensité à la fermeture de l’interrupteur  serait dans les fils 
de ligne de 29,2 A. En les répartissant sur plusieurs 
lignes, on limite ce phénomène.

13. Thermostat de four
a. Les trois allures de chauffe sont obtenues en branchant sur le secteur un dipôle ohmique, deux dipôles 
ohmiques en série et deux dipôles ohmiques en dérivation.
b. La position « moyen » est obtenue avec un dipôle 
ohmique de 53 Ω ; on a 
U 2 230 2
=
 = 1 000 W.
P1 = 
R
53
La  position  «  doux  »  est  obtenue  avec  deux  dipôles 
ohmiques de 53 Ω en série, on a 
U 2 230 2
=
 = 500 W.
P2 = 
2R
106
La  position  «  fort  »  est  obtenue  avec  deux  dipôles 
ohmiques de 53 Ω en dérivation, on a 
U2
230 2
=
 = 2 000 W.
P3 = 
0, 5R 26, 5

CHAPITRE 7 - Comment chauffer avec des appareils électriques ? • 33

14. Un chauffe-eau
a. Intensité efficace du courant : 
210
× 20  = 17,5 A.
I = 
240
b. Chaleur nécessaire pour élever 200 L d’eau de 20° 
à 70 °C :
Q = m . c .  Δθ = 200  ×  4 180  ×  (70 – 20) = 41,8  ×  106 J.
Énergie électrique appelée E = 

Q
 = 49,2 × 106 J.
η

E
49, 2 × 1 06
=
 = 13 388 s. 
Durée du chauffage Δt = 
U .I 210 × 17, 5
soit 3 h 43 min.
c. L’entrée de l’eau est placée de telle façon que l’eau 
se réchauffe au contact de la résistance du thermoplongeur et s’élève par convection.

15. Pertes en ligne
a. En été, 
R35 = R0(1 + α  . θ) = 0,4 (1 + 4 × 10–  3 × 35) = 0,456 Ω.
En hiver, R–  20 = 0,4 (1 - 4 × 10–  3 × 20) = 0,368 Ω.

b. L’intensité de courant en ligne 
P 12000
=
 = 52,2 A.
230
U
En été la puissance perdue en ligne est : 
I = 

Pp35 = R35 . I 2 = 0,456 × 52,2² = 1 240 W.

et une température θ telle que R0(1 + α . θ) < Rmax
θ <  

Rθ − R0
R0 .α

Rmax = 

1080
52, 22

 = 0,396 Ω

 = – 2 ,5 °C,

16. Développement durable
a. Consommation annuelle : 
E = (150 × 4 + 10 × 20) × 365 = 292 × 103 Wh.

b. L’économie serait : 10 × 20 × 365 × 0,13 = 9,50 €.
c. On  peut  également  réaliser  ce  type  d’économie 
avec  des  chaînes  hi-fi,  des  ordinateurs,  des  imprimantes, des photocopieurs…

Le coin du chercheur
Construction d’un chauffe–biberon de voyage.
a. Un  verre  ordinaire  a  une  contenance  d’environ 
15  cL  (1  L  contient  7  verres  ;  donnée  non  fournie). 
Deux verres correspondent à 30 cL de lait. Nous prenons pour chaleur massique du lait celle de l’eau. Il 
en est de même pour la masse volumique.
P = 

m.c .∆ θ
0, 3 × 4180 × 17
≈  70 W.
 = 
t
300

b. L’intensité qui traverse le chauffe-biberon est :
I = 

Pp–  20 = R-20 . I 2 = 0,368 × 52,2² = 1 002 W.
9
× 12000 = 1 080 W.
Pmax = 
100
Elle correspond à une résistance de Rmax = Pmax  ⁄ I 2

0, 396 − 0, 4
0, 4 × 4 × 1 0 − 3

θ < – 2 ,5 °C.

En hiver la puissance perdue en ligne est : 

c. Puissance maximale pouvant être perdue : 

=

P 70
=
≈  6 A.
U 12

Cette  intensité  est  tout  à  fait  compatible  avec  les 
performances  de  la  batterie    qui  peut  fournir  des 
intensités  bien  plus  grandes  lorsqu’on  actionne  le 
démarreur.
c. Non ce n’est pas raisonnable ! L’intensité est de 6 A 
et le fusible du générateur coupe le circuit.

34 • CHAPITRE 7 - Comment chauffer avec des appareils électriques ?

8

Quel est le rendement des appareils
électriques non chauffants ?

ACTIVITÉS
■ Activité 1 : Quel est le rendement d’une pile ?
1.  Pour une pile plate du commerce, on obtient :
I (A)
UPN (V)

0
4,59

0,050
4,48

0,150
4,24

0,250
4,04

0,350
3,80

0,450
3,59

4,8 UPN (V)
4,6

U = 4,59 – 2,25 × I

4,4
4,2
4
3,8
3,6
3,4
3,2

I (A)
0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

Ce générateur est linéaire car la caractéristique U = f (I) est une droite.

2.  F.E.M. de cette pile plate : U = E = 4,59 V.
∆U
 = 2,25 Ω.
∆I
4.  Le rendement d’une pile est le rapport de la puissance électrique disponible UPN . I par la 
puissance chimique convertie E  . I. Pour trois points de fonctionnement, on a par exemple :

3.  Résistance interne r = 

I (A)
η = 

U PN
E

0,100

0,200

0,300

0,95

0,90

0,85

■ Activité 2 : Quel est le rendement d’un moteur ?
Essai à vide : Uv = 12,2 V ; Iv = 0,25 A.
Résistance R du moteur : R = 3,2 Ω (valeur moyenne mesurée à l’ohmmètre).
Les pertes collectives : 
Pc = Uv . Iv – R. I v2  = 12,2 × 0,25 – 3,2 × (0,25)2 = 2,85 W.
Essai en charge
Pour Uch = 12,2 V et Ich = 0,75 A,  on a :  Pe = Uch . Ich = 9,15 W
et   Pm = Pe – (Pj + Pc) = 12,2 × 0,75 – (3,2 × 0,752 + 2,85) = 4,50 W.

1.  Rendement d’un moteur :  η =
électrique fournie au moteur.

Pm
, Pm étant la puissance mécanique utilisable et Pe la puissance 
Pe

2.  Rendement du moteur étudié :  η = 4,50 ⁄ 9,15 = 0,49.

CHAPITRE 8 - Quel est le rendement des appareils électriques non chauffants ? • 35

■ Activité 3 : Quelle est l’expression de la puissance reçue par un moteur en
régime sinusoïdal
1.  Le produit U  . I est supérieur à Pe.
2.  Avec une alimentation 12 V – 50 Hz, on a T = 20 ms.
3. ϕ = 
4. 

Pe
U .I

2π × θ
 ; avec θ = 2 ms, on a ϕ = 0,63 rad.
T
≈ cos
cos ϕ ≈ 0,81.

5.  Les bobines du moteur sont à l’origine de ce déphasage.

EXERCICES
Tester ses connaissances
Q.C.M.
1 : B et C ; 2 : B ; 3 : A et C ; 4 : C ; 5 : B

b.  La  résistance  de  protection  évite  le  court-circuit 
lorsque la résistance du rhéostat est nulle.
c. Caractéristique intensité - tension : 

Apprendre à résoudre

4,8

Batterie d’accumulateurs au plomb

4,6

Niveau l COMPRENDRE
On désire tracer la caractéristique d’un chauffe-plats. 
La valeur maximale de la puissance qu’il peut recevoir est de 25 W.
a. Caractéristique intensité - tension :
U (V)

13

4,4
4,2

4,25

0

12,6
12,4
12,2
11,8
11,6
11,4
0

U (V)

4

8

I (A)

15,5
16

12

20

∆U
11, 8 − 12
1 2, 4
=−
 = 0,05 Ω.
∆I
12 − 0
c. Caractéristique de la résistance (voir graphique).
d. Au  point  de  fonctionnement,  on  a  U  =  11,6 V  et 
I = 15,5 A.
U .I 11, 6
=
e. Rendement  de  la  batterie  η  = 
  =  0,94 
E .I 12, 4
soit 94 %
Résistance interne r = – 

Niveau l APPLIQUER
a. Schéma 
Pile
du montage : 
plate


I p

N

0,2

1. Conventions
a. Schémas
N

A

I

M

com
com

P

UPN

V
N

I

com

Rh

U

0,15

I (A)
0,35

F.E.M. de la batterie E = Uv = 4,60 V.
∆U
Résistance interne : r = –
 = 1,50 Ω.
∆I
d. Pour une charge R = 17,4 Ω, on a I = 0,243 A 
et U = 4,23 V.
U 4, 2
23
Le rendement η =  =
 = 0,92 soit 92 %.
E 4, 6
60

A

A

K

V

0,1

Tester ses compétences

b.  F.E.M. de la batterie Uv = 12,4 V (I = 0)

Pile plate : 4,5 V

0,05

0,24
0,25 0,5

com

Rp

36 • CHAPITRE 8 - Quel est le rendement des appareils électriques non chauffants ?

G
UPN

V

P

b.  Modélisation 

Ejoule 425,5 Wh

Le moteur

fer
à repasser

Le générateur

r. I

E


Eenregistrée 690,6 Wh

UPN

UPN
r. I

E

+ I

N



UPN = E + rI.

202,5 Wh

lampes

+ I

N

P

Emécanique utilisable

hachoir

Epertes collectives 15 Wh

Compteur

Ejoule 12,5 Wh

P
Ejoule 14 Wh

UPN = E – rI.

Elumineuse 21,1 Wh

Applications technologiques

2. Mesure de puissance

6. Sèche-cheveux
a. 230  V  :  tension  efficace  nominale  ;  50  Hz  :  fré-

a. Schéma 

quence nominale.

W

b. Puissance électrique reçue par ce moteur 

G

M

b.  Énergie consommée : 
E = P  . t = 1,6 × 0,25 = 0,4 kWh soit 1 440 kJ.

3. Puissance d’une perceuse et d’un fer à souder
a. Puissance apparente : SA = U  . IA = 752 VA ; 
SB = 905 VA.

b. Le fer à souder correspond à l’appareil A (SA = PA).
La perceuse correspond à l’appareil B (SB > PB).

c. Dans  le  fer  à  souder,  la  puissance  électrique  est 
convertie en chaleur.
Dans la perceuse, la puissance électrique est convertie en puissance mécanique disponible sur le mandrin,  en  puissance  perdue  par  effet  joule  dans  les 
bobines  et  en  puissance  perdue  collectivement  par 
frottements et magnétisme.

4. Déphasage intensité – tension
a. Pour un balayage à 2 ms/DIV, on a T = 2 × 4 = 8 ms 
soit 8 × 10–  3 s.

b. Le décalage temporel θ est de 2 ms. 
2π × 2
π
=  rad.
Soit un déphasage de ϕ = 
8   2 
c. C’est l’oscillogramme 2 qui représente la tension 
en fonction du temps.

5. Énergie transférée

Pu

1200
=
= 1 600 W.
η
0, 7
75  
c. Intensité efficace : 
Pe
1600
=
 = 8,09 A.
I = 
U .cos ϕ 230 × 0, 860
Pe = 

7. Anodisation de l’aluminium
a. L’énergie électrique reçue Ee est égale à la somme 
de l’énergie chimique Ech obtenue et de l’énergie dissipée par effet joule EJ (Ee = Ech + EJ).
b. Pour la puissance chimique on a :
E
Pch =  ch  = E  . I
∆t
soit une f.e.m. 
E
20, 8 × 1 06
 = 1,59 V.
E =  ch =
I . ∆ t 200 × 18, 2 × 3600
c. Énergie dissipée sous forme thermique 
EJ = r  . I 2 . t = 4 × 10–  3 × (2 × 102)2 × 18,2 × 3 600 
= 10,5 × 106 J soit 10,5 MJ. 
d. Énergie électrique fournie à la cuve 
Ee = Ech + EJ = 20,8 + 10,5 = 31,3 MJ.

e. Rendement de la cuve : η = 

20, 8
 = 0,66 soit 66 %.
31, 3

8. Mini-perceuse
a. Les  pertes  collectives  peuvent  se  déterminer 
à l’aide d’un essai à vide à la fréquence de rotation 
nominale : 
Pc = Uv . Iv – R. I v2 .

b.

Pe = 22,4 W

MOTEUR
EN CHARGE

Pem = 14,72 W

Pi = 7,68 W

• Énergie consommée par chaque appareil E = P . t 
avec t = 0,5 h et P en watt.
• L’énergie enregistrée par le compteur est la somme 
des énergies appelées par chaque appareil. 

Pméca = 12,62 W

Pe = 2,1 W

PJ = r  . I 2 = 3 × 1,62 = 7,68 W
U = E + r . I ; E = 14 – 3 × 1,6 = 9,2 V
Pem = E  . I = 14,72 W
Pe = PJ + Pem = 7,68 + 14,72 = 22,4 W

CHAPITRE 8 - Quel est le rendement des appareils électriques non chauffants ? • 37

c. Puissance mécanique utilisable : Pméca = 12,62 W.
Rendement de ce moteur : η = 
soit 56 %.

Pmé ca
Pe

12, 62
=
 = 0,56 
22, 4

13. Adaptateur
a. Schéma :
A D A P TAT E U R

P

9. Pompe hydraulique
a. Puissance hydraulique utilisable 
10 − 2
 × 0,6 × 105 = 10 W.
60
b. Puissance reçue par le moteur de la pompe :
P
10
Pe =  u =
 = 33,3 W.
η 0, 3
30
Pu = Q . p = 

I
Entrée
230 V 50 Hz

P 33, 3
=
 = 2,78 A.
U
12

10. Énergie d’une bobine
a. Inductance de la bobine 

2
10
0 − 7 × (10
1 03 )2 × 1 0 × 1
10 − 4
L = µ0 N S = 4 × π × 1

1
l
8 ×1
10

= 1,57 × 10–  3 H soit 1,57 mH.
1
1, 57
5 7 × 10
1 0 − 3 × (1
10
0)2
b. E =  L  . I 2 = 
 = 79 × 10–  3 J 
2
2
soit 79 mJ.
E
79 × 10 − 3
=
c. Puissance restituée P = 
 = 150 W.
∆ t 527 × 10 − 6
Cette lampe de 60 W n’est pas prévue pour recevoir 
une telle puissance.

11. Démarrage d’un moteur
a. Charge d’un condensateur : 
Q = C  . U = 330 × 10–  6 × 200 = 66 × 10–  3 C = 66 mC.

b. Énergie emmagasinée : 
1
1
C  . U 2 =   × 330 × 10–  6 × (200)2 = 6,6 J.
2
2
c. Puissance fournie : 
E
6, 6
=
P = 
 = 1 650 W = 1,65 × 103 W ;
∆t 4 × 10 −3
E = 

cette puissance aidera au démarrage du moteur.

12. Mini-système de levage
a. Pour la charge du condensateur, K1 est fermé et K2 
est ouvert. Pour sa décharge, K1 est ouvert et K2 est 
fermé.
b. Énergie  libérée  par  le  condensateur  au  cours  de 
l’opération :
1
ΔEe = Ec1 – Ec2 =  C ×  (U12 − U 22 )
2
1
=   × 500 × 10–  3 × (62 – 42) = 5 J.
2
Cette énergie sert à entraîner le moteur.
c. Énergie nécessaire pour lever la charge :
ΔEp = m . g . h = 80 × 10–  3 × 10 × 1,50 = 1,2 J.
∆ E p 1, 2
d. Rendement du système : η = 
=
 = 0,24 soit 
∆E e
5
24 %.

rhéostat
de charge

V
A

N
transformateur
pont condensateur
abaisseur
redresseur de lissage

c. Intensité du courant traversant le moteur : 
I = 

sortie

b. UPN = f (I)
U (V)
20
19,6
19,5
19
18,5
18
17,5
17
16,5
16
0

I (mA)
100

200

300

400

500

600

∆U
 = 4,9 Ω.
∆I
c. Pour une puissance de sortie Ps = 7,80 W, on a 
U  . I = (E – r  . I) × I = 7,8.
 En remplaçant E et r, on obtient 
4,9I 2 – 19,6I + 7,8 = 0.
∆ = 19,62 – 4 × 4,9 × 7,8 = 231,28 > 0 donc 2 solutions.
I1 = 3,55 A à rejeter et I2 = 448 × 10–  3 A que l’on retient.
La tension aux bornes de l’adaptateur est 
U = E – r  . I2 = 19,6 – 4,9 × 448 × 10–  3 = 17,4 V.

E = 19,6 V et r =  −

14. Moteur de visseuse bloqué
a. Le moteur ne tourne pas : Pmec = 0 et E = 0.
b. Résistance interne : U = E + r  . I devient U = r  . I 
et r = 

U 18
=
 = 2,1 Ω.
I
8, 4

c. Dans les conditions nominales
U = E + r  . I   et E = U – r  . I = 18 – 2,1 × 3,2 = 11,28 V.

d. Puissance mécanique :
Pm = E  . I = 11,28 × 3,2 = 36,1 W.

e. Puissance dissipée par effet joule :

PJ = r  . I 2 = 2,1 × 3,22 = 21,5 W.
f. Puissance électrique :
Pe = Pm + PJ = 36,1 + 21,5 = 57,6 W.
g. Puissance utilisable :
Pu = U  . I – Pe = 36,1 – 10 = 26,1 W.
P
26,1
Rendement  du  moteur  :  η  =  u =
  =  0,45  soit 
Pe 57, 6
45 %.

38 • CHAPITRE 8 - Quel est le rendement des appareils électriques non chauffants ?

Le coin du chercheur
Pourquoi l’étincelle ?

Pourquoi brancher le condensateur ?

Le circuit avait emmagasiné de l’énergie magnétique 
qui apparaît dans l’étincelle. On peut même aller plus 
loin dans l’explication : on peut considérer que l’interrupteur est un condensateur médiocre (de faible 
capacité) quand il est ouvert. L’énergie magnétique 
qui  était  dans  le  circuit  s’est  convertie  en  énergie 
1
électrique dans le condensateur :  CU 2 et comme 
2
C est très faible, U est grand et on atteint le champ 
électrique disruptif de l’air qui devient conducteur, 
d’où l’étincelle. 

L’énergie magnétique du circuit se retrouve convertie en énergie électrique dans le condensateur et non 
pas dans l’interrupteur qui est protégé. Le condensateur se décharge ensuite car il y a toujours des courants de fuites.
Ce phénomène est bien connu des réparateurs et des 
électroniciens amateurs.

CHAPITRE 8 - Quel est le rendement des appareils électriques non chauffants ? • 39

9

Comment est distribuée l’énergie électrique ?

ACTIVITÉS
■ Activité 1 : Comment est transportée et distribuée l’énergie électrique ?
Expérience 1
La lampe (6 V ; 0,1 A) n’éclaire pas ; à ses bornes, on mesure une tension inférieure à 1 V.

Expérience 2
La lampe éclaire correctement, elle est soumise à une tension voisine de 4 à 5 V.

1.  Le second circuit est le seul capable de faire fonctionner correctement la lampe car elle est 
soumise à une tension légèrement inférieure à sa tension nominale (6 V). On peut approfondir le 
rôle des deux transformateurs en branchant trois ampèremètres dans le circuit.

2.  Dans le premier circuit, la puissance perdue par effet Joule dans les deux conducteurs 
ohmiques simulant la résistance des lignes électriques est importante : la chute de tension dans les 
conducteurs ohmiques entraîne une faible tension aux bornes de la lampe.

3.  On transporte l’énergie électrique sous très haute tension, donc sous de faibles intensités de 
courant, pour minimiser les pertes par effet Joule dans les lignes, pour de grandes distances.
D’autres paramètres entrent en compte pour expliquer les pertes : rendement des transformateurs, 
inductance de la ligne qui influe sur le facteur de puissance…
Le second paramètre est la résistance du conducteur : le cuivre (résistivité : 1,7 × 10-8 Ω.m) est 
trop onéreux et trop lourd. On le remplace par des associations : aluminium-acier ou aluminiummagnésium-silicium (même si la résistivité est plus grande : 3,0 × 10-8 Ω.m).
Pour limiter les pertes, on n’hésite pas à doubler le nombre de lignes pour limiter l’intensité du 
courant dans celles-ci.

■ Activité 2 : Comment fonctionne un transformateur ?
Interrupteur ouvert : le rapport de transformation est : 
U
6, 3
m = 2,0 =
= 0, 521 .
U1,0 12,1
Interrupteur fermé, les mesures et les calculs :
Lampe

I1 (A)

I2 (A)

U2 (V)

U2 . I2 (VA)

I1
I2

6V – 400 mA
6V – 1,0 A
6V – 1,5 A

0,47
0,68
0,81

0,38
0,96
1,44

6,20
5,92
5,88

2,36
5,68
8,47

1,237
0,708
0,563

I
Lorsque la puissance apparente U2 . I2 se rapproche de la valeur nominale de 10 VA, le rapport  1  se 
I2
rapproche du rapport de transformation m = 0,521 du transformateur.

40 • CHAPITRE 9 - Comment est distribuée l’énergie électrique ?

■ Activité 3 : À quelle condition un disjoncteur différentiel
protège-t-il les personnes ?
1.  Expérience 1 : Sans prise de terre
Lorsque la main du mannequin est reliée 
à la carcasse de la machine par un fil 
conducteur, la DEL simulant le cœur 
éclaire. Le disjoncteur différentiel peut 
s’ouvrir avec du retard, il peut aussi 
ne pas s’ouvrir : le temps de réponse 
dépend du temps de fonctionnement 
du dispositif différentiel et du temps de 
coupure de l’organe associé ( ≈ 25 ms). 
Le fonctionnement dépend également 
de la résistance du corps humain, de la 
résistance de contact avec la terre, ... 
Ci-contre le trajet du courant électrique 
lors de l’électrisation.

IN

IPH

2.  Expérience 2 : Avec prise de terre
Dès que le défaut apparaît, un courant de fuite rejoint le sol par le conducteur de protection 
électrique du circuit (PE) connecté à la prise de terre. Dès que la différence entre les intensités des 
courants dans le fil de phase et le fil de neutre dépasse la sensibilité du disjoncteur différentiel 
(IPh – IN > IΔ), le disjoncteur ouvre le circuit. La personne ne court aucun danger car l’appareil n’est 
plus sous tension.

3.  Pour une sensibilité donnée, le disjoncteur différentiel ne peut jouer correctement son rôle 
protecteur des personnes que s’il est associé à une bonne prise de terre par fil de protection 
électrique.

INFO DOC
■ Transport et distribution de l’électricité
1.  En 2010, nous avons acheté plus d’électricité que nous en avons vendue à trois pays : 
–   l’Allemagne : exportations : 9,4 TWh, importations : 16,1 TWh ; 
–   la Belgique : exportations : 3,9 TWh, importations : 4,8 TWh ;
–   l’Espagne : exportations : 1,9 TWh, importations : 3,5 TWh.

2.  Les centres d’interconnexion répartissent l’énergie électrique en fonction des besoins.
La demande varie constamment au cours de la journée en fonction des horaires de travail, de la 
durée du jour, de la température… L’électricité produite ne se stocke pas. Pour ajuster la production 
à la demande, le réseau s’appuie sur des « dispatchings », centres de répartition de l’électricité : en 
France, il y a 1 dispatching national et 7 dispatchings régionaux.

■ Quels sont les effets physiologiques du courant électrique ?
1.  Les effets d’un courant sont ressentis au-dessus de 0,5 mA. Ils sont dangereux seulement 
au-dessus de 15 mA environ.

2.  Un courant de 200 mA est dangereux pour une durée supérieure à 50 ms.
3.  Si une personne est soumise à :
–   un courant de 50 mA durant 500 ms : il y a perception du courant mais pas de danger ;
–   un courant de 400 mA durant 50 ms : les effets ne sont pas mortels ;
–   un courant de 1 A durant 20 ms : il y a risque de brûlures graves et de décès.

4.  Une personne électrisée peut souffrir de brûlures lorsque les conditions d’intensité du courant et 
de durée de passage correspondent à la zone rouge. 

CHAPITRE 9 - Comment est distribuée l’énergie électrique ? • 41

EXERCICES
Tester ses connaissances
Q.C.M.
1 : A, B ; 2 : B ; 3 : A, C ; 4 : C ; 5 : A ; 6 : A, B et C ; 
7 : A, B ; 8 : B, C.

Apprendre à résoudre
Transformateur démontable
Niveau l COMPRENDRE
a. Le rapport de transformation :
m = 3,08 ⁄ 12,40 = 0,248. 
b. Le transformateur est abaisseur de tension.
c. U1  et  U2  sont  les  tensions  efficaces,  N1  et  N2  les 
nombres de spires du primaire et du secondaire.

Transformateur de centrale électrique
Niveau l APPLIQUER
a. 98  MVA  :  puissance  apparente  au  secondaire  ; 
11,5 kV : tension efficace au primaire ; 
b. 136 kV : tension efficace au secondaire ; 50 Hz : fréquence du courant.
c. Rapport de transformation : 
m = 136 ⁄ 11,5 = 11,83 ; 
c’est  un  transformateur  élévateur  de  tension,  pour 
transporter l’électricité sous haute tension.
d. On considère S = S1 = S2.
S = U1 . I1 entraîne I1 = S ⁄ U1 = 98 × 106 ⁄ 11 500 
= 8, 52 kA.
De même I2 = S ⁄ U2 = 98 × 106 ⁄ 136 000 = 720 A. 

Tester ses compétences
1. Identifier les éléments
G : alternateur de la centrale ; T1 ; transformateur élévateur de tension ; L : lignes THT ; 
T2 : transformateur abaisseur de tension ; M : utilisateur (industriel ou client). 

2. Le réseau européen
a. Les zones THT : 225 à 400 kV ; les zones HT : 20 à 
63 kV ; les zones BT : 230 à 400 V ; 

b. Grand transport : AB ; répartition : BC ; distribution : CD→ Client ; 

c. Les transformateurs élévateurs relient les zones : 
centrale électrique → transport ; les transformateurs 
abaisseurs, les zones : transport → répartition et les 
zones : répartition → distribution.

3. Rôle d’un transformateur
a.
b.
c.
d.

Abaisseur de rapport de transformation : 0,02 ; 
élévateur de rapport 100 ; 
abaisseur de rapport 0,0217 ; 
ni abaisseur ni élévateur, de rapport 1 (transformateur de sécurité).

4. Zones de risque et effets physiologiques
a. Pour I = 0,2 mA durant 5 s : aucun risque.
b. Pour 0,2 A durant 2 s : risque de fibrillation ventriculaire.

c. «  Fibrillation  ventriculaire  »  :  trouble  du  rythme 
cardiaque  qui  entraîne  souvent  une  perte  de 
conscience et la mort subite.

d. Pour  que  le  disjoncteur  différentiel  ouvre  le  circuit, le temps est de moins de 1 s.

5. Tensions dangereuses
Une  tension  électrique  appliquée  entre  les  deux 
points du corps humain est dangereuse :
–   en milieu sec, si elle est supérieure à 50 V ;
–   en milieu humide, si elle est supérieure à 25 V.

6. Protection des installations, protection des
personnes
a. La protection des matériels et des installations est 
assurée par : fusible, disjoncteur divisionnaire, isolation (gainage) des conducteurs, disjoncteur de branchement.

b. La  protection  des  personnes  est  assurée  par le
disjoncteur différentiel, le conducteur de protection
électrique et la prise de terre. Ces matériels doivent être
choisis et associés convenablement.

Applications technologiques
7. Pertes dans les lignes THT
a. I = P ⁄ U = 104 × 106 ⁄ (400  ×  103) = 260 A ; 
b.  La densité de courant : 
I ⁄ S = 260 ⁄ 500 = 0,52 A.mm–  2, 
bien inférieure à 0,8 A.mm–  2 : la ligne peut transporter davantage de courant. 
On  utilise  des  câbles  en  alliage  d’aluminium  car 
l’aluminium est trois fois plus léger que l’acier et ne 
s’oxyde pas, pour une résistivité presque identique.

c. Résistance totale de la ligne : 
Rtotale = 2 × 400 × 0,06 = 48 Ω. 

d. Puissance perdue par effet Joule : 
PJ = R  . I 2 = 48 × 2602 = 3,25 × 106 W ; 
soit un taux de pertes :
PJ 3, 2
25
5 × 1 06
=
= 0, 0312
P 104 × 106
soit 3,12 % de pertes, supérieures à la moyenne nationale.

e. Si on double la ligne, I = 130 A et PJ = 1,62 × 106 W 
(2 fois moins). Autre avantage : en cas de besoin, on 
peut transporter davantage de courant dans la ligne.

42 • CHAPITRE 9 - Comment est distribuée l’énergie électrique ?

8. TP transport et distribution
a. Puissance transmise au primaire de T1 : 

2. Avec le moteur de 2,3 kW, de facteur de puissance

P1 = U1 . I1 = 12 × 0,1 = 1,2 W.
Puissance à la sortie de T1 : P’1 = 0,96 × 1,2 = 1,152 W.
b. Dans les lignes, I2 = P’1 ⁄ U’1 = 1,152 ⁄ 48 = 0,024 A.
c. Puissance perdue par effet Joule : 
PJ = R  . I22 = 112 × 0,0242 = 0,065 W.
d. Puissance transmise à T2 : P2 = P’1 – PJ = 1,087 W.
e. A la sortie du secondaire de T2 : 
P’2 = 0,96 × 1,087 = 1,044 W. 
L’intensité dans la lampe : I3 = P’2 ⁄ U2 = 0,087 A.
I3 > 0,08 A donc la lampe éclaire correctement.

I = 20 A ; Pj = 400 W ; E = 2 700 Wh donc taux de 

0,5 :
E comptée

2300
= 0, 852 soit 85,2 %.
2700

Le  distributeur  d’électricité  demande  aux  utilisateurs  de  tels  moteurs  d’augmenter  leur  facteur  de 
puissance  cos  ϕ à  l’aide  de  condensateurs  (valeur 
conseillée supérieure ou égale à 0,93).
E consommée

=

12. Perte de tension
a. I = P ⁄ U = 5 000 ⁄ 230 = 21,7 A ; la résistance de la 

9. 120 V ou 230 V ?
a. En 120 V : I = P ⁄ U = 104 ⁄ 120 = 83,3 A ; 

ligne : 

Pj = R  . I 2 = 0,5 × 83,32 = 3 472 W ≈ 3,5 kW.
b. Chute de tension dans la ligne : 
UR = R  . I = 0,5 × 83,3 = 41,7 V
 et la tension au poste de distribution : 
Uposte = U + UR = 162 V
(augmentation relative de 41,7 × 100 ⁄ 120 = 35 %).
En 230 V : I = 104 ⁄ 230 = 43,5 A ; Pj = 946 W ; la chute de 
tension : UR = 21,8 V et Uposte = 252 V augmentation 
relative de 21,8 × 100 ⁄  230 = 10 %).
L’augmentation  de  tension  est  plus  sensible  avec 
120 V.

b. La chute de tension UR = 0,4 × 21,7 = 8,68 V ; d’où :

R = 2 × 4 × 0,05 = 0,4 Ω.

I = P ⁄ U = 15 000 ⁄ 230 ≈  65,2 A. 
La chute de tension dans la ligne est : 
5
× 230 = 11, 5 V .
100
Elle correspond à une résistance de ligne de : 
U
11, 5
R= R =
= 0,176 Ω .
I
65, 2
b. L’aire S de la section du fil est : 
−8

ρ.L 1, 6 × 10 × 100
=
= 9,1 × 10 − 6 m 2  ou 9,1 mm2.
0,176
R

11. Utilisation d’un radiateur électrique ou d’un
moteur
1. Avec le radiateur :
a. Intensité du courant : I = P ⁄ U = 2 300 ⁄ 230 = 10 A.
b. Puissance perdue par effet Joule : 
Pj = R  . I 2 = 1 × 102 = 100 W.
c. En 1 heure de fonctionnement, l’énergie fournie 
par la société de distribution est : 
E = 2 300 + 100 = 2 400 Wh.
d. Pourcentage d’énergie comptabilisée : 
E comptée

2300
=
= 0, 958 ,
E consommée 2400
donc un pourcentage de 95,8 %.

c. Pour P = 300 W : I = 1,30 A ; UR = 0,52 V d’où :
Uhabitat = 229,5 V ≈ 230 V.

c. Lorsque  plusieurs  utilisateurs  sont  branchés  sur 
une  même  ligne,  la  chute  de  tension  est  significative (question a), il est donc nécessaire d’équiper les 
appareils électroniques de régulateurs de tension.

13. Risques d’électrisation
a. Contact direct en 2 (on estime qu’une échelle en 

10. Choix d’un câble électrique
a. Intensité du courant dans le fil : 

S=

Uhabitat = Uposte – UR = 221,3 V.

aluminium n’est pas un appareil électrique, donc ne 
peut être munie d’une prise de terre : on assimile cet 
accident à un contact direct) et 3, contact indirect en 
1 et 4.

b. Les parcours du courant : en 1, 2 et 4 le courant 
passe du fil de phase dans la personne puis dans le sol 
et rejoint le neutre par le conducteur de mise à la terre 
du neutre par le distributeur.
En 3 : le courant passe du fil de phase dans le corps et 
revient par le fil neutre.

14. Sensibilité d’un disjoncteur
a. I ∆

UL
RT

b. Il faut  I ∆

UL
25
 donc  I ∆
 ;  I ∆ 0, 3 A . 
RT
80

Le disjoncteur de 30 mA qui déclenche à 30 mA est 
adapté,  car  cette  valeur  est  inférieure  à  la  valeur 
limite de 300 mA imposée par la sécurité.

c. Pour un local sec UL = 50 V soit  I ∆

50
 ;  I ∆ 0, 6 A . 
80

Là encore la protection du disjoncteur différentiel de 
500  mA  est  suffisante,  car  il  disjonctera  bien  avant 
que  l’intensité  limite  (dangereuse)  de  600  mA  soit 
atteinte.

CHAPITRE 9 - Comment est distribuée l’énergie électrique ? • 43

15. Bonne ou mauvaise prise de terre
U
Sa valeur est donnée par la relation :  RT L .
I∆

a. Dans  cette  relation,  UL  est  la  tension  limite  de 
sécurité et IΔ l’intensité du courant de déclenchement 
du disjoncteur.
25
b. RT
 soit  RT 833 Ω .
0, 0
03
c. Pour UL = 50 V et RT = 833 Ω, le courant de fuite a 
une intensité :
50
I = 
 = 60 × 10–  3A = 60 mA.
833
Le disjoncteur différentiel de 500 mA ne déclenchera 
pas pour une telle intensité. La résistance de la prise 
de  terre  précédente  ne  convient  pas,  elle  est  trop 
importante (elle est environ 8 fois trop grande).

16. Projecteur immergé (d’après Bac Pro)
a. C’est  un  transformateur  abaisseur  car  la  valeur 
efficace de la tension passe de 230 V à 12 V.

b. Rapport de transformation : m = 12 ⁄ 230 = 0,052.
c. Intensité du courant dans le corps : 
I = U ⁄ R = 12 ⁄ 1 000 = 12 mA.

b.  Le  rendement  passe  par  un  maximum  pour 
I = 12 A.
c. A vide, I2 = 0 et le rendement est nul.
d. IN = 12 A.
e. Lors des essais, la charge maximale était de 14 A ; 
or la valeur à ne pas dépasser est de : 
12 × 120 ⁄ 100 = 14,4 A.
On est resté en dessous de la valeur maximale et on a 
respecté la règle.

Le coin du chercheur
La plaque à induction
Une plaque à induction fonctionne comme un transformateur de rapport de transformation voisin de 
N
1
m= 2 =
.
N1 100
La  puissance  électrique  fournie  au  primaire  se 
retrouve à peu près au secondaire donc l’intensité du 
courant  dans  la  spire  unique  constituant  le  secondaire  est  100  fois  plus  grande  que  celle  du  courant 
dans la bobine du primaire, ce qui engendre un effet 
Joule important dans l’acier du récipient.

d. Avec U = 230 V l’intensité passe à 230 mA.
e. Avec 12 mA ; on ne ressent que des picotements. 
Avec 0,23 A, fibrillations et risque de mort.

17. Valeurs nominales et rendement
a. Courbe :
η

1
0,8
0,6
0,4
0,2
0

I2 (A)
0

2

4

6

8

10

12

14

16

44 • CHAPITRE 9 - Comment est distribuée l’énergie électrique ?

10

Quelle quantité d’énergie peut fournir
un combustible ?

ACTIVITÉS
■ Activité 1 : Quels sont les produits des combustions ?
1.  La trompe à vide permet d’aspirer les produits de la combustion du gaz du briquet.
2.  Le sulfate de cuivre anhydre passe d’une couleur blanche ou bleu pâle, à une couleur bleue de 
plus en plus soutenue. Le test met en évidence la présence d’eau.
L’eau de chaux, limpide en début d’expérience, se trouble peu à peu. Le test met en évidence du 
dioxyde de carbone.

3.  Ces deux tests donnent les mêmes résultats avec la combustion du bois et de l’alcool à brûler.
4.  La combustion d’un combustible ménager produit du gaz carbonique (CO2) et de l’eau (H2O).

■ Activité 2 : Comment bien alimenter une combustion ?
1.  Seule la bouteille qui possède deux rangées d’orifices permet une combustion sans extinction de 
la flamme, car elle permet un renouvellement de l’air par le bas et une évacuation des produits de la 
combustion par le haut.

2.  Pour avoir une bonne combustion la pièce qui contient l’appareil à combustion (chauffe-eau à 
gaz, chaudière à gaz ou fioul…) doit disposer d’une entrée d’air suffisante pour son renouvellement, 
et d’une évacuation vers l’extérieur des produits de la combustion.

■ Activité 3 : Quelle énergie dégage la combustion du butane ?
Valeurs et résultats de l’expérience réalisée avec des canettes de 33 cL
  Température de la salle : 22 °C.
  Masse des canettes vides = 14,5 g.
θi = 17 °C et θf = 27 °C.
  Masse de gaz brûlé ≈ 0,23 g.

1.  Qeau = ceau . meau. (θf – θi) = 4,18 × 200 × 10 = 8,36 × 103 J.
Qcan. = calu.. malu.. (θf – θi ) = 0,9 × 14,5 × 10 = 1,3 × 102 J

2.  L’hypothèse formulée conduit à poser que l’énergie libérée par la combustion de 0,23 g de 
butane fournit une énergie 
E = Qeau + Qcan.,  soit E = 8,49 × 103J.
Une relation de proportionnalité nous permet de calculer l’énergie que libèrerait la combustion de 
1000 g de butane : 
E1kg = 8,49 × 103 × (1000 ⁄ 0,23) = 36,9 MJ.

3.  Le résultat trouvé est inférieur d’environ 20 % par rapport à la valeur donnée par les tables. 
Cet écart est dû aux pertes thermiques relativement importantes de ce dispositif simple, car de 
la chaleur libérée par la combustion réchauffe l’air qui environne la canette au lieu de chauffer le 
dispositif.

CHAPITRE 10 - Quelle quantité d’énergie peut fournir un combustible ? • 45

TRAVAUX PRATIQUES
■ Quelle économie de combustible peut-on espérer en utilisant un couvercle
lorsque l’on chauffe de l’eau ?
3. Questions préliminaires
1.  Les déperditions sont dues au rayonnement des surfaces externes chaudes de la casserole, 
à la conduction à travers les parois de la casserole, et à la convection qui s’établit avec l’air qui 
environne la casserole.

2.  Le couvercle permet de limiter les pertes de chaleur par convection au-dessus de la surface de 
l’eau.

3.  Eu = m . ceau . Δθ.
4.  L’énergie que libère un volume V de gaz durant sa combustion est E = PC . V.
Or V = D . Δt.  D’où E = PC . D . Δt.
m.ceau .∆
. θ
=
E
PC .D.∆ t
5.  On connait ceau, PC, D et on peut fixer m, et Δθ. L’expérience permettra de mesurer Δt.
R = 

Eu

4. Réalisation expérimentale
1.  Compte tenu de la contenance de la boite de conserve utilisée, on peut introduire 400 mL d’eau 
soit 400g. On pourra mesurer cette quantité d’eau à l’aide d’une éprouvette graduée.
2.  En utilisant le papier d’aluminium et en lui donnant la forme d’un couvercle de dimension 
adaptée à la boite de conserve.

3.  En perçant un trou permettant d’insérer le capteur de température.
4.  On peut penser que 5 minutes est une durée suffisante pour porter la température de l’eau de la 
boite de conserve à ébullition avec le bec Bunsen, et il est toujours possible d’augmenter la durée de 
saisie en cours de mesure si nécessaire. Sur cette durée on peut choisir une fréquence de l’ordre de 
10 mesures par minute.

5. Exploitation des expériences
1.  Les résultats donnés ici ont été obtenus avec une masse d’eau de 400g, et pour un écart de 
température de 80 °C (16 °C à 96 °C). Ils sont donnés à titre indicatif car ils varient en fonction du 
couvercle posé, du bec de gaz utilisé,… .
Sans couvercle Δt ≈ 2,85 min ; avec couvercle Δt’ ≈ 2,65 min.
2. 
ceau = 4,18 J.g–  1.°C–  1 ; PC = 38,1 × 103J.L–  1 ; D = 1,8 L.min–  1 ; Δθ = 80 °C.
m.ceau .∆
. θ
400 × 4,1 8 × 8 0
Sans couvercle : R = 
=
≈ 68 %.
PC .D.∆ t
, 8 × 2, 85
38,1 × 1 03 × 1,8
m.ceau .∆
. θ

400 × 4,1 8 × 8 0
≈ 74 %.
, 8 × 2, 65
38,1 × 1 03 × 1,8
Remarque : l’écart relativement faible, entre les deux situations, est dû au fait que l’ouverture d’une 
boite de conserve est petite au regard de celui d’une casserole de grande taille.
Avec couvercle : R’ = 

PC .D.∆ t

=

3.  L’économie de combustible est directement liée au temps du chauffage de l’eau.
%éco = 

2, 85
8 5 − 2, 65
x100 ≈ 7 %.
2, 8
85

46 • CHAPITRE 10 - Quelle quantité d’énergie peut fournir un combustible ?

EXERCICES
Tester ses connaissances

La production d’un kWh à partir du fuel nécessite une 
masse : 
1
mfuel = 
≈ 0,086 kg = 86 g.
11, 6

Q.C.M.
1. A; 2. B ; 3. C ; 4. B ; 5. B ; 6.B

Cette  masse  de  fuel  correspond  à  une  quantité  de 
matière de C15H32 : 
mfuel
86
=
nfuel = 
≈ 0,41 mol.
(f
212
M (fuel)

Apprendre à résoudre
Combustion du méthane et production de
dioxyde de carbone
Niveau l COMPRENDRE
1
a. 1 MJ = 
kWh. 
3, 6
60
D’où : PCI = 

50,1
≈ 13,9 kWh.kg–  1.
3, 6
60

b. Avec  le  PCI  du  méthane  on  obtient  la  masse  de 
méthane qui produit 1 kWh : 
E
1
=
mo = 
 = 7,2 × 10–  2 kg ≈ 0,072 kg = 72 g.
PC
PCI
13, 9

c. no = 

m0
H4 )
M (CH

L’équation de la combustion complète de C15H32 est :
C15H32 + 23O2 = 15CO2 + 16H2O.
La combustion d’une mole de C5H12 produit 15 moles 
de CO2.
Donc 0, 41 moles de C5H12 produisent 6,15 moles de 
CO2, soit une masse de dioxyde de carbone par kWh 
produit : 
mCO2 = 44 × 6,15 = 270 g.kWh–  1.

Tester ses compétences

; 

1. Le pétrole lampant
a. C11H24 + 17O2 = 11CO2 + 12H2O
b. C14H30 + 43 ⁄ 2O2 = 14CO2 + 15H2O

avec M(CH4) = 12 + 4 × 1 = 16 g.mol–  1. 
72
= 4,5 mol.
no = 
16
d. CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O 

2. Le diester
C19H34O2 + 53 ⁄ 2O2 = 19CO2 + 17H2O

e. D’après  les  coefficients  stœchiométriques  de  la 
réaction il se forme une mole de CO2 par mole de CH4 
brûlée.
La quantité de matière de gaz carbonique produit si 
on brûle 4,5 moles de méthane est donc : 
nCO2 = 4,5 mol.

f. La quantité de matière de CO2 calculée à la question précédente correspond à celle qui est produite 
lors de la production de 1 kWh d’énergie PCI par le 
méthane.
La masse molaire de CO2 est : 
M(CO2) = 12 + 2 × 16 = 44 g.mol–  1.
La masse de CO2 recherchée est mCO2 = 44 × 4,5 = 198 g. 
Soit environ 200 g.kWh–  1.

Combustion du fuel et production de CO2
Niveau l APPLIQUER
Le PCI du fuel est en kWh.kg–  1 : 
41, 8
PCI = 
≈ 11,6 kWh.kg–  1.
3, 6

3. Les briquets à gaz vendus dans le monde
a. C4H10 + 13 ⁄ 2O2 = 4CO2 + 5H2O
b. M(CH4) = 4 × 12 + 10 × 1 = 58 g.mol–  1. 
no = 

mo
M (CH4 )

=

6
≈ 0,10 mol.
58

c. Voir tableau en bas de page.
La quantité de dioxygène consommé est : 
ni (O2) = 13⁄2 xf = 6,5 mol.
La quantité de dioxyde de carbone formé est : 
n(CO2) = 0,4 mol.
d. La masse molaire de dioxyde de carbone est 
M(CO2) = 12 + 2 × 16 = 44 g.mol–  1.
La masse de CO2 produite chaque année par les briquets à gaz vendus dans le monde est : 
m = 44 × 0,4 × 7 × 109 = 123 × 109 g = 1,23 × 105 tonnes.
Le  volume  d’air  nécessaire  à  cette  combustion 
est  cinq  fois  plus  grand  que  le  volume  d’oxygène 
consommé, soit : 
Vair = 5 × 6,5 × 24 × 7 × 109 = 5,5 × 1012 L = 5,5 × 109 m3.

Tableau de l’exercice 3. c.
Équation de la réaction

 C4H10 (gaz)  +  13 ⁄ 2 O2 (gaz)  =  4 CO2 (gaz)  +  5 H2O(gaz)

x=0

0,10

ni (O2)

État intermédiaire (mol)

x

0,10 – x

ni (O2) – 13 ⁄ 2  x 

4 x

5 x

État final (mol)

xf = 0,10

0 

0

0,40 

0,50

État initial (mol)

0

0

CHAPITRE 10 - Quelle quantité d’énergie peut fournir un combustible ? • 47

4. Quelle quantité de combustible pour
chauffer de l’eau ?
a. Réchaud à gaz :
L’énergie consommée pour le chauffage de l’eau est : 
Ebut. = P . t = 2800 × 3 × 60 = 5,04 × 105 J.
Avec le PCI du butane on obtient la masse de butane 
brûlé pour fournir cette énergie : 
5, 0
04
4 x1 05
E
=
mbut. = 
 = 1,02 × 10–  2 kg ≈ 10 g.
PC
PCI
49, 5x1 06
Réchaud à alcool :
L’énergie consommée pour le chauffage de l’eau est : 
Ealco. = P  . t = 2000 × 7 × 60 = 8,4 × 105 J.
Avec le PCI de l’alcool on obtient le volume d’alcool 
brûlé pour fournir cette énergie : 
E
8, 4 × 105
=
Valco. = 
 = 3,94 × 10–  2 L.
PCI 21, 3 × 1 06
La  masse  volumique  de  l’alcool  nous  permet  de 
déterminer la masse d’alcool correspondante :
m
ρ=
,
V
d’où : m = ρ  . V = 0,8 × 3,94 × 10–  2 ≈ 3,2 × 10–  2 kg = 32 g.
b. Le rendement est obtenu en faisant le rapport de 
l’énergie utile par l’énergie consommée:
E utile
r  = 
E consommée
Or : Eutile = 10 kcal = 41,8 kJ = 4,18 × 104 J.
4,1
18
8 ×1
10 4
× 100  = 8,3 %.
Pour le réchaud à gaz : rbut. = 
5, 0
04
4 ×1
105
Pour le réchaud à alcool : 
4,1
18
8 ×1
10 4
× 100  = 5,0 %.
ralco. = 
8, 4 × 105
Le réchaud le plus économique en énergie est celui 
dont le rendement est le plus élevé, soit le réchaud 
à gaz.

5. Explosion de gaz
Pour qu’une explosion se produise, la proportion de 
gaz  combustible  dans  l’air  doit  être  comprise  entre 
ses  limites,  supérieure  et  inférieure,  d’explosivité 
(LSE, LIE). De plus il faut une étincelle électrique ou 
un point chaud pour déclencher l’explosion.
Les conseils en ces de fuite de gaz suspectée dans une 
habitation : 
–   ne  pas  allumer  de  lampes  ou  tout  appareil  électrique ;
–   aérer  au  maximum  l’appartement  de  manière  à 
amener  la  proportion  de  gaz  au  dessous  du  seuil 
LIE ;
–   fermer l’arrivée générale du gaz.

6. Le monoxyde de carbone
–   Ne  pas  laisser  une  voiture  en  marche  dans  un 
garage.

–   Ne pas obstruer les bouches d’aération.
–   Vérifier l’étanchéité des conduits de cheminée, et 
vérifier qu’ils ne soient pas obstrués.
–   Les appareils à combustions doivent être installés 
dans des pièces ventilées.
–   Les appareils de chauffage doivent être entretenus 
et aux normes de sécurité.

Applications technologiques
7. Le brûleur d’une cuisinière à gaz de ville
a. L’énergie libérée par la combustion de 295 L de gaz 
de ville en une heure est : 
E = PC  . VGaz.
Le volume de gaz doit être exprimé en m3 : 
VGaz = 0,295 m3.
E = 0,295 × 10,5 ≈ 3,1 kWh.
Cette énergie étant libérée en une heure, la puissance 
maximale (nominale) du brûleur est de 3,1 kW
b. Équation de la combustion : 
CH4 (gaz) + 2O2 (gaz) → CO2 (gaz) + 2H2O (gaz).
L’équation de la réaction montre qu’elle consomme 
une quantité de matière de dioxygène double de celle 
du méthane brûlé.
Comme les volumes de gaz sont proportionnels à leur 
quantité de matière, 
VO2 = 2 VGaz,   et   Vair = 5. VO2.
Vair = 5 × 2 × 0,295 ≈ 3 m3.

c. Les  produits  des  combustions  sont  chauds  et 
montent, ils doivent être évacués par le haut. L’entrée 
d’air froid par la bouche d’aération basse permet de 
favoriser un courant de convection.
d. Le  brûleur  utilisé  a  une  puissance  nominale  de 
3,1 kW. Pour un fonctionnement d’une heure il produit une énergie égale à 3,1 kWh. Le constructeur préconise donc pour ce brûleur un renouvellement d’air 
égal à : 
Vair renouv. = 2 × 3,1 = 6,2 m3 par heure.
Soit  le  double  de  celui  strictement  nécessaire  pour 
renouveler l’oxygène brûlé.

8. Changement de combustible d’une cuisinière
à gaz
a. Avec une puissance de 3,1 kW, le brûleur produit 
une énergie de 3,1 kWh en 1 heure.
La masse de butane pour produire cette énergie est : 
E
3,1
=
m (butane) = 
 ≈ 0,227 kg.
PC 13, 6
Le  débit  massique  du  brûleur,  en  butane,  est  donc 
voisin de 230 g par heure.
b. Une masse de 230 g de butane correspond à une 
quantité de matière : 
m( buta ne) 230
=
≈ 4,0 mol.
n(butane) = 
M ( buta ne) 58

48 • CHAPITRE 10 - Quelle quantité d’énergie peut fournir un combustible ?

Le débit volumique de butane est donc : 
d = 4,0 × 24, 0 = 96 L.h–  1.
Ce  débit  est  bien  inférieur  à  celui  du  méthane 
(295 L.h–  1) d’où la nécessité de réduire le diamètre de 
l’orifice de l’injecteur de gaz du brûleur.
c. C4H10 + 13 ⁄ 2O2 → 4CO2 + 5H2O.
Les  coefficients  stœchiométriques  de  la  réaction 
montrent que pour brûler une mole de butane il faut 
6,5 moles de dioxygène.
En une heure le brûleur consomme 96 litres de gaz 
butane, il faudra donc un volume de dioxygène 
V(O2) = 96 × 6,5 = 624 L ;
 et un volume d’air cinq fois plus grand soit :
V(air) = 5 × 624 ≈ 3120 L = 3,1 m3.
Ce résultat est pratiquement identique à celui trouvé 
pour le méthane. Le changement de gaz ne nécessite 
donc pas de modifier la hauteur de réglage de l’entrée 
d’air.

9. Une bûche de Noël
5 000

PCI du bois (kWh par tonne)

4 000
3 000
2 000
1 000
0

10 %

50 % Taux d'humidité du bois

a. Le PCI à 15 % d’humidité est égal à 4250 kWh par 
tonne. L’énergie libérée par une bûche de 10 kg est 
donc : 
10
 = 42,5 kWh.
E = 4250 × 
1000
b. Pour un bois à 50  % d’humidité le PCI est environ 
égal à 2250 kWh par tonne.
En utilisant ce bois à 50 % d’humidité, la perte relative 
d’énergie, par rapport à un bois à 15 % d’humidité, 
est : 
p =  4250 − 2250  × 100 = 47 %.
4250
c. Le  PCI  du  bois  est  nul  pour  un  taux  d’humidité 
égal à 90 %. Pour ce taux d’humidité l’énergie libérée 
par  la  combustion  du  bois  est  juste  suffisante  pour 
assurer la vaporisation de l’eau contenue dans le bois.

10. Chaudière bois – charbon
a. L’énergie  consommée  par  la  chaudière  à  pleine 
puissance en une heure est :
E = P . t = 30 × 1 = 30 kWh.
30
Pour le bois il faut :  m bois = 
≈ 7,1 kg ;
4, 2

Pour  le  charbon  il  faut  d’abord  rendre  les  unités 
homogènes : on exprime l’énergie en MJ : 
E = 30 kWh = 30 × 3,6 × 106 J = 108 MJ
108
soit :
m charbon = 
≈ 3,3 kg.
33
b. L’énergie  nécessaire  au  chauffage  annuel  de  la 
maison est 1000 fois supérieure à celle calculée à la 
première question. Les masses de charbon et de bois 
calculées  à  la  question  1  doivent  donc  être  multipliées par 1000 : 
m bois/an = 1000 × 7,1 = 7100 kg ;
m charbon/an = 1000 × 3,3 = 3300 kg.
c. Comme la masse d’un stère de bois est de 500 kg, 
le nombre de stères de bois à stoker pour le chauffage 
d’une année est 
7100
n stères = 
≈ 14 stères.
500
Le  volume  minimum  pour  stoker  cette  quantité  de 
bois est Vbois = 14 m3.
Le coût annuel pour l’achat du bois est : 
14 × 60 = 840 euros.
d. L’encombrement  du  charbon  est  5  fois  moindre 
que celui du bois pour une même quantité d’énergie, 
donc 
V
Vcharbon = bois ≈ 3 m3.
5
La masse de charbon exprimée en tonnes est 
3300
 = 3,3 tonnes.
m charbon/an = 
1000
Le coût annuel pour l’achat du charbon est : 
3,3 × 256 ≈ 845 euros.
e. Coût des combustibles : identiques.
Encombrement pour le stockage  :  net  avantage  au 
charbon (cinq fois moins).
Durée de chauffe : une chaudière remplie de charbon 
tiendra plus longtemps qu’avec du bois.
Production de gaz à effet de serre et d’émissions polluantes : net avantage au bois.
Énergie renouvelable  :  seul  le  bois  répond  à  ce  critère, le charbon bien qu’il soit encore abondant sur la 
Terre, est une énergie fossile.

11. Les chaudières à condensation
a. CH4 (g) + 2O2 (g) = CO2(g) + 2H2O(g)
Une mole de méthane donne deux moles d’eau
Or la quantité de matière de 1 kg de méthane est :
m(CH4 ) 1000
n(CH4) = 
=
 = 62,5 mol.
M (CH4 )
16
La masse d’eau formée sous forme de vapeur est : 
m(H2O) = n(H2O). M(H2O) = 2 × 62,5 × 18 = 2250 g.
b. L’énergie qui sera libérée par la condensation de 
cette  masse  d’eau,  liée  à  la  combustion  d’un  kilogramme de méthane, est : 
Econd. = m (H2O vap.) . L cond ;

CHAPITRE 10 - Quelle quantité d’énergie peut fournir un combustible ? • 49


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