Des bulles sur l'eau. Bac S Nlle Calédonie 03/2016.



Cet exercice propose d'étudier l'intérêt que peut présenter l'utilisation d'une couverture à bulles sur la surface d'un plan d'eau ( piscine ). On désignera par "bassin" l'eau et l'ensemble des surfaces latérales ( fond et éventuellement couverture à bulles ) en contact avec l'eau.
Caractéristiques d'une couverture à bulles translucide.
La couverture renferme des bulles d'air entre deux couches de film plastique. L'épaisseur totale du plastique est d'environ 500 µm. L'épaisseur de la lame d'air emprisonnée dans les bulles est estimée à 0,5 cm en moyenne.
Conductivité thermique des matériaux ( W m-1 K-1).
lair = 0,03 ; plastique : lp = 0,4.
Cette couverture est opaque aux infrarouges et aux ultraviolets mais est translucide dans le domaine visible. Dans le domaine visible, le rayonnement reçu est peu réfléchi, partiellement absorbé, principalement transmis.
1. Limiter la baisse de température la nuit.
 La température de l'eau baisse sensiblement la nuit. Dans le cas des piscines bâties, les surfaces latérales constituent de très bons isolants de sorte que les transferts thermiques se font principalement à la surface de l'eau. L'utilisation d'une couverture à bulles limite la diminution de température.
1.1 Citer les modes de transferts thermiques qui peuvent expliquer la diminution de température de l'eau en absence de couverture à bulles.
L'évaporation à la surface de l'eau compte pour 30 à 50 % de la déperdition thermique.
La température de l'air nocturne est inférieure à la température de l'eau : transfert par rayonnement en particulier lors des nuits claires.
Transfert par convection : mouvement de l'eau et de l'air. En cas de vent la convection augmente.
Dans le cas où l'eau est renouvelée, l'apport d'eau froide crée des pertes thermiques.
Les pertes par conduction au contact des parois et du fond sont très faibles.
L’objet de cet exercice est l’étude de la synthèse du Diester à partir de l’huile de colza.
1.2 Citer deux arguments permettant d'expliquer de manière qualitative l'efficacité de la couverture à bulles translucide pour l'isolation thermique de l'eau de baignade.
L'air est un excellent isolant thermique, sa conductivité thermique étant faible.
Le plastique translucide transmet bien le rayonnement visible reçu.
La couverture empèche l'évaporation de l'eau.
On étudie une piscine non couverte de surface S = 32 m2 et de volume V = 48 m3. Après une nuit, on mesure une baisse de niveau d'eau par évaporation de 5 mm et une diminution de température du bassin de 4°C. L'évaporation de l'eau pour des températures voisines d'une vingtaine de degrés, un apport de 2,4 106 J par kilogramme d'eau évaporée.
1.3. Montrer que l'énergie nécessaire à l'évaporation de l'eau pour la nuit étudiée est de l'ordre de 4 108 J.
Volume d'eau évaporé : 32 *5 10-3 = 0,16 m3.
Masse d'eau correspondante : 1,0 103 *0,16 = 1,6 102 kg.
Energie perdue : 1,6 102 *2,4 106 =3,8 108 ~4 108 J.
1.4. Dans l'hypothèse où toute l'énergie n"cessaire à l'évaporation est apportée par les 48 m3 d'eau de la piscine, calculer la baisse de température de l'eau du seul fait de l'évaporation.
ceau = 4,18 103 J K-1 kg-1.
Energie apportée par l'eau : m
ceau Dq avec m = 4,8 104 kg.
Dq  = -3,8 108  / (4,8 104 *4,18 103) = -1,9 ~ -2°C.
1.5. Présenter les avantages de l'utilisation d'une couverture à bulles.
La couverture à bulles empèche l'évaporation de l'eau et limite les pertes thermiques.





2. Augmenter la température en journée.
Certaines couverture à bulles contribuent également au chauffage de l'eau de baignade pendant la journée. Pour comparer l'efficacité de deux couvertures à bulles, l'une noire opaque, l'autre translucide, on réalise trois expériences à l'aide de deux bassins identiques de petites dimensions, nommés A et B. Le fond et la surface latérale des bassins sont thermiquement isolés.
Surface de l'eau en contact avec l'air s = 7,6 10-2 m2 ; volume d'eau v = 1,3 10-2 m3.
Les trois expériences sont réalisées sur trois journées au mêmes horaires ( mi-journée).
Les bassins sont soumis aux mêmes environnements extérieurs. On relève après brassage de l'eau et pour chaque bassin, la température initiale et la température après deux heures d'exposition.
Expérience
1
2
3
Exposition
Ciel clair, plein lumière
Ciel clair, pleine lumière
Ciel nuageux
Puissance solaire
reçue ( W m-2)
8,5 102
8,5 102
5,1 102
Température de l'air
29°C
34°C
23°C
Bassin
A
B
A
B
A
B
Couverture à bulles
Aucune
Translucide
Noire opaque
Translucide
Noire opaque
Translucide
Température initiale
24,1°C
24,1°C
24,0°C
24,0°C
23,8°C
23,8°C
Température après
2 h d'exposition
28,0°C
28,8°C
27,5°C
28,8°C
23,7°C
24,4°C
2.1 Les couvertures à bulles testées présentent-elles toutes deux un intérêt en vue de l'élévation de température de l'eau de baignade ? Justifier.
Par ciel clair, pleine lumière, les deux types de couvertures  permettent d'élever la température de l'eau, avec un léger avantage pour la couverture translucide, celle-ci transmettant bien le rayonnement visible reçu..
Par ciel nuageux, seule la couverture translucide permet d'élever la température de l'eau.









On définit le rendement d'une couverture comme le rapport de l'énergie transmise à l'eau du bassin DUeau sur l'énergie solaire Esolaire reçue à sa surface.
2.2. Dans l'hypothèse où le transfert thermique vers le bassin s'effectue intégralement par rayonnement, calculer le rendement de la couverture translucide dans le cadre de l'expérience 1.
DUeau  = m ceau Dq avec Dq = 4,7°C et m = 13 kg.
DUeau  =13 *4,18 103 *4,7 = 2,55 105 J.
Esolaire  = 8,5 102 *7,6 10-2 *2*3600 =4,65 105 J.
Rendement : 2,55 / 4,65 = 0,55 ( 55 %).

Dans les conditions de l'expérience 3, le rendement de la couverture translucide est égal à 12 %.
2.3. Montrer que, dans ces conditions et pour la même durée d'exposition, l'utilisation d'une couverture à bulles translucide sur une piscine de surface 32 m2 et de volume 48 m3 ne provoque pas d'augmentation significative de température.
Energie solaire reçue : Esolaire  =5,1 102 *32*2*3600 = 1,175 108 J.
Energie reçue par l'eau :
1,175 108 *0,12 =1,41 107 J.
Augmentation de la température de l'eau :
1,41 107 / (48 103*4,18 103)=0,070 °C.
Réduire la consommation de produit de traitement.
L'acide hypochloreux HClO utilisé pour le traitement de l'eau se dégrade par exposition aux rayonnements solaires. Il subit une photlyse, c'est à dire une rupture de la liaison O-Cl, suite à l'absorption d'un photon. Les fabricants affirment que l'utilisation d'une couverture à bulles permet une économie de traitement.
L'énergie nécessaire à la rupture de la liaison C-O en phase gazeuse est D = 251 103 J / mol.
3.1. Montrer que la longueur d'onde du photon absorbé lors de cette photolyse en phase gazeuse est égale à 480 nm.
l =
NAhc /D =  6,02 1023*6,63 10-34 *3,00 108/ (251 103 ) =4,77 10-7 ~480 nm.
Le calcul précédent correspond à la photolyse de l'acide hypochloreux en phase gazeuse. En revanche, en solution aqueuse, la photolyse est optimale pour des longueurs d'ondes voisines de 240 nm.
3.2. Quelle est l'influence du solvant sur l'énergie nécessaire à la photolyse de l'acide hypochloreux ?
E = h c / l, à une longueur d'onde plus petite correspond une plus grande valeur de l'énergie. Le solvant augmente l'énergie nécessaire à la photolyse.
3.3. Donner la caractéristique de la couverture translucide qui permet de diminuer la quantité d'acide hypochloreux utilisé pour le traitement de l'eau de piscine.
240 nm appartient au domaine UV : la couverture translucide est opaque au rayonnement ultraviolet.


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