Changements d'état et énergie thermique | 2de Bac Pro — famille TNE (énergie)
Dernière mise à jour : 15 juin 2026
Un chauffe-eau contient m = 150 kg d'eau. On veut la chauffer de 15 °C à 60 °C.
1. Calcule l'élévation de température \(\Delta\theta\). (2 pts)
2. Applique \(Q = m \cdot c \cdot \Delta\theta\) (avec \(c = 4\,180\)). Donne Q en joules. (4 pts)
3. Convertis cette énergie en kWh (1 kWh = 3 600 000 J). (2 pts)
4. L'eau chaude est-elle un changement d'état ou un échauffement ? (2 pts)
1. \(\Delta\theta = 60 - 15 = 45\ ^\circ\text{C}\).
2. \(Q = 150 \times 4\,180 \times 45 = 28\,215\,000\ \text{J}\) (≈ 28,2 MJ).
3. \(28\,215\,000 \div 3\,600\,000 \approx \mathbf{7{,}8\ kWh}\).
4. C'est un échauffement (l'eau reste liquide) : on utilise \(Q = mc\Delta\theta\), pas \(Q = mL\).
1. Cite les 3 états de la matière. (3 pts)
2. Comment s'appelle le passage liquide → gaz ? Et gaz → liquide ? (4 pts)
3. Dans une pompe à chaleur, le fluide se vaporise dehors et se condense dedans. Lequel de ces changements libère de la chaleur dans le logement ? (3 pts)
1. Solide, liquide, gaz.
2. Liquide → gaz : vaporisation. Gaz → liquide : condensation (liquéfaction).
3. La condensation (à l'intérieur) libère de la chaleur → c'est elle qui chauffe le logement.
Un ballon de 200 L (donc 200 kg) d'eau passe de 12 °C à 65 °C.
1. Calcule l'énergie nécessaire \(Q\) (en J puis en kWh). (5 pts)
2. La résistance électrique a une puissance de 2,4 kW. Quelle durée de chauffe (h) ? (durée = énergie ÷ puissance) (3 pts)
3. À 0,25 €/kWh, quel coût pour une chauffe complète ? (3 pts)
1. \(Q = 200 \times 4\,180 \times 53 = 44\,308\,000\) J ≈ \(44{,}3\) MJ \(= 44\,308\,000 / 3\,600\,000 \approx \mathbf{12{,}3\ kWh}\).
2. \(t = 12{,}3 / 2{,}4 \approx \mathbf{5{,}1\ h}\).
3. \(12{,}3 \times 0{,}25 \approx \mathbf{3{,}08\ €}\).
On chauffe de l'eau jusqu'à ébullition et on relève la température au cours du temps.
1. Que se passe-t-il pour la température pendant l'ébullition (changement d'état) ? (3 pts)
2. Où va l'énergie apportée pendant ce palier, si la température ne monte plus ? (3 pts)
3. Cite une application en chauffage où cette chaleur de changement d'état est exploitée. (3 pts)
1. La température reste constante (palier à 100 °C) pendant tout le changement d'état.
2. L'énergie sert à changer l'état (vaporiser l'eau), pas à élever la température : c'est la chaleur latente.
3. La chaudière à condensation récupère la chaleur libérée quand la vapeur d'eau des fumées se condense (ou la PAC, via la condensation du fluide).
Une pompe à chaleur doit chauffer 250 kg d'eau d'un plancher chauffant de 20 °C à 40 °C.
1. Calcule l'énergie thermique \(Q\) à fournir à l'eau (en kWh). (6 pts)
2. La PAC a un coefficient de performance COP = 3,5 : elle restitue 3,5 kWh de chaleur pour 1 kWh d'électricité consommé. Quelle électricité a-t-elle consommée ? (5 pts)
3. Un chauffage par résistance (effet Joule) aurait consommé toute l'énergie en électricité. Compare et calcule l'économie réalisée par la PAC. (5 pts)
4. Rédige une conclusion argumentée pour conseiller un client. (4 pts)
1. \(Q = 250 \times 4\,180 \times 20 = 20\,900\,000\) J \(\approx 5{,}8\) kWh.
2. Électricité PAC \(= Q / \text{COP} = 5{,}8 / 3{,}5 \approx \mathbf{1{,}66\ kWh}\).
3. Résistance : ≈ 5,8 kWh d'électricité. Économie : \(5{,}8 - 1{,}66 \approx \mathbf{4{,}1\ kWh}\) soit ≈ 71 % de moins.
4. Exemple : « Pour le même confort (eau à 40 °C), la PAC consomme près de 3,5 fois moins d'électricité que des radiateurs électriques, car elle puise une partie de l'énergie dans l'air extérieur. Investissement plus élevé, mais facture et CO₂ fortement réduits : je recommande la PAC. »