Oui
Thermodynamique
Son et intensité sonore
Sujet Bac Corrigé - Chauffe-eau thermodynamique - Amérique du Sud 2025 Jour 2 - Ex 2 - Corrigé (Physique-chimie)
1 juin 2025
Terminale spécialité
🔥 Un chalet chauffe son eau avec une pompe à chaleur et des panneaux solaires : c'est l'exercice 2 du bac 2025 de physique-chimie en Amérique du Sud (jour 2), sur 6 points.
- Bilan thermique du ballon : variation d'énergie interne, flux et résistance thermiques, premier principe.
- Bilan électrique : coefficient de performance de la pompe à chaleur et production des panneaux photovoltaïques.
- Bruit du chauffe-eau : niveau d'intensité sonore, atténuation géométrique et par absorption.
Le sujet officiel et le corrigé détaillé sont gratuits en PDF, avec les conversions d'unités expliquées pas à pas.
Fiche de cours
Thermodynamique — Terminale spécialité physique-chimie
L'essentiel du cours, les formules et les méthodes utiles pour cet exercice, sur une page gratuite.
Voir la fiche de coursCet exercice mobilise aussi : Ondes et son
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Corrigé interactif · 10 questions
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Q1Calculer la variation d'énergie interne ΔU de l'eau du ballon lorsque sa température passe de θ1 à θ2.
Données utiles V=200 L ; ρeau=1,00 kg⋅L−1 ; ceau=4,18 kJ⋅K−1⋅kg−1 ; θ1=15 ∘C ; θ2=55 ∘C
Système {eau du ballon}, liquide incompressible, de masse m=ρeauV=1,00×200=200 kg.
ΔU=mceau(θ2−θ1)
ΔU=200×4,18×(55−15)=3,3×104 kJ
ΔU=3,3×104 kJ=3,3×107 J
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Q2Indiquer le principal mode de transfert thermique à l'origine du flux à travers la paroi du ballon, ainsi que son sens.
La paroi du ballon est un solide : le transfert thermique s'y fait principalement par conduction.
Un transfert thermique a lieu spontanément du corps chaud vers le corps froid : ici de l'eau (55 ∘C) vers l'air du garage (18 ∘C).
Conduction thermique, de l'eau chaude vers l'air du garage.
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Q3Calculer le flux thermique Φ à travers la paroi du ballon, entre l'eau à θ2 et l'air du garage.
Données utiles θ2=55 ∘C ; θair=18 ∘C ; Rth=0,47 ∘C⋅W−1
Φ=Rthθ2−θair=0,4755−18=79 W
Φ=79 W
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Q4Montrer que l'énergie thermique Q1 échangée entre l'eau du ballon et l'air du garage en une journée vaut 6,8×103 kJ.
Données utiles Φ=78,7 W (Q3) ; Δt=24 h
Le flux thermique est une puissance : Φ=ΔtQ1, donc Q1=ΦΔt, avec Δt=24×3600=86400 s.
Q1=78,7×86400=6,8×106 J
Q1=6,8×103 kJ, valeur attendue.
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Q5En appliquant le premier principe à l'eau du ballon, exprimer l'énergie thermique Q2 nécessaire pour chauffer chaque jour l'eau de θ1 à θ2 en fonction de ΔU et Q1.
Système {eau du ballon}, au repos, incompressible : aucun travail n'est échangé (W=0).
Premier principe : ΔU=W+Q=Q, où Q est la somme des transferts thermiques reçus par l'eau.
L'eau reçoit Q2 du fluide caloporteur et cède Q1 à l'air du garage (Q1 et Q2 étant des valeurs positives) : ΔU=Q2−Q1.
Q2=ΔU+Q1
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Q6Montrer que la valeur de l'énergie thermique Q2 est voisine de 11 kW·h.
Données utiles ΔU=33440 kJ (Q1) ; Q1=6,8×103 kJ (Q4) ; 1 W⋅h=3600 J
Indice 1 W⋅h=3600 J, donc 1 kW⋅h=3600 kJ =3,6×106 J. Pour passer des kJ aux kW·h, on divise par 3600.
Q2=ΔU+Q1=33440+6,8×103=4,0×104 kJ
Or 1 kW⋅h=3600 kJ :
Q2=360040240=11,2 kW⋅h
Q2=11,2 kW⋅h≈11 kW⋅h, valeur attendue.
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Q7Calculer l'énergie électrique EPAC consommée par la pompe à chaleur pour chauffer quotidiennement l'eau du ballon.
Données utiles Q2=11,2 kW⋅h (Q6) ; COP=3,2
L'énergie utile est le transfert thermique cédé à l'eau, Q2 (transfert sans perte) :
COP=EPACQ2doncEPAC=COPQ2
EPAC=3,211,2=3,5 kW⋅h
EPAC=3,5 kW⋅h
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Q8Calculer, en kW·h, l'énergie électrique produite par les panneaux pour une journée d'ensoleillement moyen et vérifier que l'installation couvre la consommation quotidienne totale du chalet.
Données utiles N=10 panneaux ; Pelec=300 W ; Δt=5 h ; consommation hors PAC : 8 kW⋅h ; EPAC=3,5 kW⋅h (Q7)
Indice Pour obtenir directement des kW·h, on exprime la puissance en kW et la durée en heures : E=PΔt, sans passer par les joules.
Énergie produite en une journée :
Eprod=NPelecΔt=10×0,300×5=15 kW⋅h
Consommation quotidienne totale :
Econso=8+EPAC=8+3,5=11,5 kW⋅h
Eprod=15 kW⋅h>Econso≈12 kW⋅h : l'installation est suffisante.
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Q9Indiquer le type d'atténuation sonore mis en œuvre par l'isolation phonique du garage.
Le matériau isolant absorbe une partie de l'énergie de l'onde sonore qui le traverse.
Il s'agit d'une atténuation par absorption.
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Q10Indiquer si les vacanciers situés à la distance d2 du chauffe-eau seront gênés par son fonctionnement.
Données utiles d1=0,10 m ; L1=70 dB ; d2=5,00 m ; atténuation de l'isolation : 25 dB ; niveau conseillé : 30 dB au plus ; I0=1,0×10−12 W⋅m−2
Indice Vérification sans calculer P : I1I2=(d2d1)2, donc L2=L1−20log(d1d2)=70−34=36 dB.
Intensité sonore à la distance d1. L1=10log(I0I1) donc I1=I0×10L1/10 :
I1=1,0×10−12×107,0=1,0×10−5 W⋅m−2
Puissance sonore de la source. I1=4πd12P donc
P=4πd12I1=4π×0,102×1,0×10−5=1,3×10−6 W
Intensité sonore à la distance d2, sans isolation.
I2=4πd22P=4π×5,0021,26×10−6=4,0×10−9 W⋅m−2
Niveau sonore à la distance d2, sans isolation.
L2=10log(I0I2)=10log(1,0×10−124,0×10−9)=36 dB
Sans isolation, le niveau dépasserait les 30 dB conseillés.
Avec l'isolation phonique. L2′=L2−25=36−25=11 dB
L2′=11 dB<30 dB : les vacanciers ne seront pas gênés.
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Chauffe-eau thermodynamique : énergie, transferts thermiques et son
Le deuxième exercice du bac 2025 de physique-chimie en Amérique du Sud (jour 2) compte 6 points, soit environ 1 h 03 de travail. Il étudie l'eau chaude d'un chalet de vacances : un ballon de 200 L chauffé par une pompe à chaleur, alimentée par des panneaux photovoltaïques. Trois questions se succèdent : quelle énergie faut-il chaque jour pour l'eau, l'installation solaire suffit-elle, et le bruit de l'appareil gênera-t-il les vacanciers ? C'est un exercice de thermodynamique très guidé, où la rigueur sur les unités fait la différence.
Le bilan thermique du ballon (questions 1 à 6)
La question 1 applique ΔU = m c (θ2 - θ1) à 200 kg d'eau chauffée de 15 °C à 55 °C. La capacité thermique étant donnée en kJ, le résultat sort en kJ : ΔU = 3,3 × 104 kJ. Un écart de température a la même valeur en °C et en K, inutile de convertir. La question 2 identifie la conduction à travers la paroi, de l'eau chaude vers l'air du garage.
La question 3 calcule le flux Φ = (θ2 - θair) / Rth = 79 W. Le piège est de prendre θ1 au lieu de la température de l'air à 18 °C. La question 4 transforme ce flux en énergie sur une journée : la durée doit être en secondes, 86 400 s, pour obtenir Q1 = 6,8 × 103 kJ. La question 5 est la plus délicate : appliqué à l'eau, sans travail échangé, le premier principe donne ΔU = Q2 - Q1, donc Q2 = ΔU + Q1. L'énergie fournie doit compenser l'échauffement et les pertes. La question 6 convertit le résultat : en divisant par 3 600, on obtient Q2 = 11,2 kW·h.
Pompe à chaleur et panneaux solaires (questions 7 et 8)
Avec un coefficient de performance de 3,2, l'énergie électrique consommée vaut EPAC = Q2 / COP = 3,5 kW·h. Multiplier par le COP serait absurde : l'énergie électrique consommée est toujours inférieure à l'énergie utile. La question 8 compare la production des dix panneaux de 300 W pendant 5 h, soit 15 kW·h, à la consommation totale du chalet : 8 kW·h hors pompe à chaleur plus 3,5 kW·h, environ 12 kW·h. L'installation est suffisante, à condition de ne pas oublier le reste du chalet.
Le bruit du chauffe-eau (questions 9 et 10)
L'isolation phonique du garage réalise une atténuation par absorption. La question 10 enchaîne les étapes : intensité à 0,10 m à partir de L1 = 70 dB, puissance de la source, intensité à 5,00 m, puis niveau sans isolation, 36 dB, au-dessus des 30 dB conseillés. En retirant les 25 dB de l'isolation, on obtient 11 dB : les vacanciers ne seront pas gênés. Le corrigé propose une vérification rapide par la formule L2 = L1 - 20 log(d2/d1).
Conseils pour cet exercice
Repérez dès le début l'unité de chaque donnée : kJ, W, heures, kW·h. Les décibels ne sont pas proportionnels aux intensités, on passe toujours par I avant de revenir à L, alors qu'une atténuation se soustrait directement en dB. Enfin, rédigez le premier principe avec le système et le signe de chaque transfert.