Document 1 : La combustion : une source d`énergie

La chaudière qui permet de fournir l’eau chaude de l’entreprise est une
chaudière « classique » à gaz propane C3H8 , à production instantanée
d’eau chaude ; elle est alimentée par de l’eau puisée à 18°C.
Cette eau sort de l’appareil à 70 °C avec un débit de 6,0 L.min-1.
Sa durée de fonctionnement est en moyenne de 7,0 heures par jour
d’ouverture de l’entreprise.
Elle est ancienne et risque à tout moment de tomber en panne.
Le technicien réfléchit à la remplacer.
Il propose donc à son chef de service de travailler sur le sujet et de
rédiger une note de synthèse de ses travaux et de la solution qu’il
proposera en réunion de service.
Votre travail consiste à préparer une liste d’arguments que pourra
présenter le technicien.
Données :
Chaleur massique de l’eau :
c = 4,18 kJ.kg-1.K-1
Masse volumique de l’eau :
0 = 1,0 kg.L-1
Masse volumique du
propane : p = 2,0 kg.m-3
Pouvoir calorifique du
propane : PCp = 46,6. MJ.kg-1
Prix de la tonne de propane :
830 €
Fourniture et pose d’une
chaudière classique : 2500 €
Fourniture et pose d’une
chaudière à condensation :
5000 €
Emission CO2 du gaz propane
prise en compte pour un DPE :
274 g.kWh-1
M(H) = 1,0 g.mol-1
M(C) = 12 g.mol-1
M(O) = 16 g.mol-1
Document 1 : La combustion : une source d’énergie
Une combustion est une transformation chimique au cours de laquelle de l’énergie
thermique est libérée.
Le combustible (gaz, fioul, bois…) réagit avec le dioxygène O2 de l’air appelé
comburant. Pour l’initier il faut une source de chaleur (énergie d’activation).
Combustion complète : La combustion complète d’une espèce organique conduit à la
formation d’eau H2O et de dioxyde de carbone CO2
Exemples : - combustion du méthane CH4 (gaz de ville) :
CH4 + 2 O2  2 H2O + CO2
- combustion de l’éthanol C2H6O (fondue…) :
C2H6O + 3 O2  3 H2O + 2 CO2
Combustion incomplète : Lorsque l’apport en dioxygène est insuffisant (brûleur
encrassé…), la combustion devient incomplète. Il se forme alors aussi en plus du CO2, du
carbone C (fine poudre noire) et/ou du monoxyde de carbone CO (gaz très toxique).
Exemples : - combustion incomplète du méthane (formation de C) :
2 CH4 + 3 O2  4 H2O + CO2 + C
- combustion incomplète du méthane (formation de CO) :
2 CH4 + 7/2 O2  4 H2O + CO2 + CO
Au cours d’une réaction chimique les réactifs (CH4 et O2) réagissent entre eux pour former
les produits (H2O, CO2, CO, C).
Les nombres qui apparaissent dans une équation chimique sont appelés nombres
stœchiométriques.
Ils indiquent les proportions dans lesquelles les réactifs sont consommés et les produits sont
formés.
Rappel : il est parfois nécessaire d’équilibrer les équations chimiques pour respecter
la conservation des éléments et la conservation de la charge électrique.
Document 2 : Energie libérée lors d’une combustion
Une combustion s’accompagne d’une hausse de la température du milieu extérieur.
Le système fournit donc de l’énergie thermique à l’extérieur : on dit que la réaction est
exothermique.
Remarque : Si au contraire au cours de la transformation, le système reçoit de l’énergie
thermique de l’extérieur, la réaction est endothermique.
On appelle PC (Pouvoir Calorifique) l’énergie thermique dégagée lors de la
combustion complète d’1 kg de combustible. Il s’exprime donc en J.kg-1.
L’énergie thermique Q libérée lors de la combustion par une masse m de combustible
se calcule à partir de la relation : Q = m.PC
Document 3 : L’énergie interne U et énergie thermique sans changement d’état
L’énergie interne rassemble toutes les formes d’énergies microscopiques du corps
considéré. Elle s’exprime en Joule.
Lorsqu’on chauffe un corps, on augmente l’agitation thermique et par conséquent l’énergie
interne. La quantité de chaleur (énergie thermique), notée Q, qu’il reçoit est stockée sous
forme d’énergie interne. Inversement, lorsqu’on refroidit un corps, l’agitation thermique
diminue et par conséquent son énergie interne diminue aussi.
On appelle capacité calorifique massique c d’un corps, l’énergie qu’il faut fournir à
1 kg de ce corps pour augmenter sa température de 1°C ou de 1 K.
Elle s’exprime donc en Jkg-1°C-1 ou en en Jkg-1K-1.
On en déduit l’expression de l’énergie thermique Q échangée entre le système et le
milieu extérieur en fonction de la variation de température du système :
Q = m.c.T avec T = Tf – Ti,
Tf est la température finale du système en °C ou en K,
Ti est la température initiale du système en °C ou en K,
m est la masse du corps en kg.
Rappel : Si Q > 0, le système a reçu l’énergie thermique.
Si Q < 0, le système a fourni l’énergie thermique.