Le bac S Liban 2015 en physique-chimie : une épreuve sur l'habitat et l'énergie

L'épreuve de physique-chimie du bac S Liban 2015, de l'ancien programme, dure 3 h 30 et est notée sur 20 points. Elle se distingue par une forte unité de thème : presque tout tourne autour de la maison et de l'énergie. On isole une maison passive, on chauffe et on épure une piscine naturelle, on traque les pertes de chaleur à la caméra infrarouge, et l'on se demande si des panneaux photovoltaïques peuvent couvrir les besoins électriques d'une habitation.

Le sujet comporte quatre exercices. Les exercices 1 (7 points) et 2 (8 points) sont communs à tous les candidats. L'exercice 3 (5 points) est destiné aux candidats sans spécialité, l'exercice 4 (5 points) aux candidats de spécialité. Chacun traite donc trois exercices pour un total de 20 points. L'épreuve couvre un large spectre : transferts thermiques, mécanique, chimie organique, spectroscopie, acide-base et titrage, lumière, image numérique et conversion d'énergie.

Exercice 1 : construction d'une maison passive (7 points)

Le premier exercice commence par la résistance thermique. On retrouve son unité, le kelvin par watt, par analyse dimensionnelle de la relation R = e/(λS), puis on explique qu'une meilleure isolation demande une paroi plus épaisse et un matériau de conductivité plus faible. Le calcul de la résistance des murs additionne les contributions de cinq couches et donne 0,023 K/W ; le liège expansé y joue le rôle principal. On détermine ensuite qu'une épaisseur de 16 cm de laine de verre offrirait la même résistance que les combles.

Vient le bilan d'énergie : les transferts vont de l'intérieur vers l'extérieur, les vitres laissent passer 13 MJ par jour et le poêle doit fournir 130 MJ quotidiens. Ramené à l'année et à la surface habitable de 68 m², le besoin de chauffage atteint environ 53 kWh par mètre carré et par an, plus de trois fois la limite de 15 : la maison n'est pas passive.

La seconde partie bascule en mécanique. Un sac tombe du toit, à 6,2 m de hauteur, alors qu'un technicien marche vers le point d'impact. La deuxième loi de Newton conduit à l'équation horaire y = -4,9 t² + 6,2. La chute dure environ 1,1 s, le technicien parcourt environ 1,2 m sur les 2,5 m qui le séparent du point d'impact : le sac tombe environ 1,3 m devant lui.

Cet exercice est un bon exemple de sujet guidé : chaque question s'appuie sur la précédente, et une erreur au début peut se répercuter jusqu'au verdict final. Les pièges sont surtout des pièges d'unités : épaisseurs à convertir en mètres, durée d'une journée en secondes, bonne température extérieure pour les vitres (l'air à 4 °C, pas le sol à 10 °C) et bonne surface pour le critère passif.

Exercice 2 : une piscine naturelle chauffée (8 points)

Le plus long exercice de l'épreuve s'ouvre sur le chauffe-eau solaire. Le capteur reçoit l'énergie par rayonnement, la chaudière d'appoint prend le relais quand l'ensoleillement ne suffit pas, et le mono propylène glycol empêche le fluide caloporteur de geler. On justifie ensuite le nom propane-1,2-diol, on repère le carbone asymétrique qui donne deux énantiomères chiraux, à dessiner en représentation de Cram, et l'on prévoit le spectre de RMN du proton : quatre signaux, un singulet, deux doublets et un sextuplet.

La seconde partie présente la méthode de Kjeldahl, qui dose l'azote d'une eau épurée par les plantes. Chaque transformation doit être totale. On montre que NH4+ et NH3 forment un couple acide-base, puis on explique, à l'aide du pKa de 9,2, pourquoi un pH de 8 sous-estimerait l'azote lors de la distillation. Le titrage par l'acide chlorhydrique a pour équation NH3 + H3O+ → NH4+ + H2O ; le rouge de méthyle convient comme indicateur. Le calcul final donne 14 mg d'azote par litre, sous la norme de 20 mg/L : l'eau est conforme.

Attention à la numérotation de la chaîne carbonée, à la multiplicité des signaux de RMN, qui dépend des protons voisins, et au volume utilisé dans le calcul final : le volume prélevé, pas le volume équivalent. La stéréochimie et la RMN ne figurent plus au programme actuel de spécialité, mais la partie acide-base reste pleinement d'actualité.

Exercice 3 : thermographie infrarouge (5 points)

Réservé aux candidats sans spécialité, cet exercice relie la physique de la lumière au numérique. Pour une longueur d'onde de 10 µm, l'énergie d'un photon vaut 0,12 eV, ce qui correspond à des transitions vibratoires. La directivité du laser permet de viser précisément la zone photographiée, et la toiture apparaît comme la zone la plus froide, signe d'une bonne isolation.

La partie image numérique demande le nombre de nuances de gris en codage RVB 24 bits (256), le codage d'un pixel blanc (255 pour chaque composante), la taille d'une image de 640 × 480 pixels (921 600 octets) et le choix du tableau de valeurs correspondant à une zone de l'image, le tableau c. Enfin, un film de 15 minutes compressé à 95 % occuperait 995 Mo : il ne tient pas sur un CD de 750 Mo dans le codage retenu.

Les erreurs classiques portent sur la confusion entre bits et octets, entre nombre de couleurs et nombre de gris, et sur le taux de compression : il faut garder 5 % de la taille initiale, pas 95 %.

Exercice 4 de spécialité : autonomie électrique d'une maison passive (5 points)

Les candidats de spécialité étudient des panneaux photovoltaïques. La question préalable fait lire le point de fonctionnement optimal sur une caractéristique intensité-tension : la puissance de crête vaut environ 9,7 × 10² W pour un panneau de 12 m² recevant 600 W/m², soit un rendement d'environ 13 %.

La résolution de problème porte sur une maison de Brest qui consomme 8400 kWh par an. À partir de l'ensoleillement lu sur la carte, 1310 kWh/m² en 1530 heures, on obtient une puissance surfacique moyenne d'environ 856 W/m², un rendement voisin de 0,14 et une production d'environ 183 kWh par mètre carré et par an. Il faut environ 46 m², donc quatre panneaux de 12 m², qui tiennent de justesse sur le pan sud du toit. La réponse est positive, mais la marge est faible, ce que le regard critique doit souligner : rendement connu à deux chiffres significatifs, inclinaison supposée idéale, production plus faible en hiver. Deux erreurs sont fréquentes : utiliser la moyenne française au lieu de la valeur de Brest, et compter toute la toiture alors qu'un pan orienté au nord produit très peu.

Les compétences transversales évaluées

Au-delà des notions, l'épreuve teste plusieurs savoir-faire qui reviennent d'un exercice à l'autre. Le premier est la maîtrise des unités. L'analyse dimensionnelle de la résistance thermique, les conversions de centimètres en mètres, de jours en secondes, de mégajoules en kilowattheures, de micromètres en mètres ou de joules en électronvolts : chaque exercice contient au moins un calcul où une conversion oubliée fausse tout le résultat. Prenez l'habitude d'écrire l'unité de chaque grandeur au moment où vous la remplacez dans une formule.

Le deuxième savoir-faire est la lecture de documents. Il faut lire une carte d'ensoleillement, une famille de caractéristiques intensité-tension, une courbe de titrage pH-métrique, un tableau de zones de virage, une image infrarouge et des tableaux de valeurs de pixels. Dans chaque cas, la bonne réponse dépend d'une lecture précise : la valeur de Brest et non la moyenne nationale, la courbe la plus proche de la puissance reçue, la zone de virage incluse dans le saut de pH.

Le troisième est la gestion des chiffres significatifs. Les corrigés gardent en général deux chiffres significatifs, en cohérence avec les données les moins précises, et conservent les valeurs intermédiaires non arrondies pour ne pas cumuler les erreurs d'arrondi. Le dernier est l'esprit critique : un résultat doit être confronté à la question posée, comparé à une norme ou à une limite, et discuté quand la marge est faible, comme pour le sac qui tombe du toit ou pour les panneaux photovoltaïques de Brest.

Gérer son temps pendant l'épreuve

Les durées conseillées suivent le barème : environ 1 h 10 pour l'exercice 1, 1 h 20 pour l'exercice 2 et 50 minutes pour l'exercice 3 ou l'exercice 4, ce qui laisse une dizaine de minutes pour relire. Lisez tout le sujet avant de commencer : les exercices sont indépendants et vous pouvez débuter par celui où vous vous sentez le plus à l'aise. L'exercice 3 est rapide et rapporte des points avec des calculs simples ; l'exercice 4 demande de prendre le temps de construire et de rédiger sa démarche.

Dans les questions ouvertes, comme la chute du sac, la conformité de l'eau ou l'autonomie de la maison, une démarche annoncée et rédigée rapporte des points même si le résultat final est imparfait. Ne restez pas bloqué sur une question : passez à la suivante et revenez-y à la fin.

Conclusion

Le bac S Liban 2015 est une épreuve cohérente et accessible, qui récompense la rigueur sur les unités, la lecture attentive des documents et la qualité de la rédaction. Il permet de réviser en un seul sujet les transferts thermiques, la chute libre, le dosage acide-base et la conversion de l'énergie lumineuse. Traitez-le en temps limité, puis comparez vos réponses au corrigé détaillé, question par question, en vous attardant sur les pièges signalés.