Le poêle à bois

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Annales corrigées
Classe(s) : 3e | Thème(s) : L'énergie et ses conversions
Type : Exercice | Année : 2017 | Académie : Centres étrangers

Centres étrangers • Juin 2017

physique-chimie • 25 points

Le poêle à bois

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ph © XLLphoto/iStock

Les cheminées à foyer ouvert, dans lesquelles on voyait les flammes en direct, disparaissent peu à peu des habitations. Au-delà de l’effet de mode, les nouveaux systèmes de chauffage au bois permettent une meilleure performance. Le problème se pose de choisir la meilleure essence de bois qu’il convient de brûler dans de tels systèmes.

1. Combustion du bois (9,5 points)

À la base de tous ces systèmes de chauffage, il y a une réaction de combustion. Pour simplifier, on considère que le bois n’est constitué que de cellulose. L’équation simplifiée de la réaction de combustion de la cellulose grâce au dioxygène O2 est donnée ci-dessous :

C6H10O5 + 6 O2  6 CO2 + 5 H2O

a) Recopier les phrases ci-dessous en choisissant à chaque double proposition « / » le terme adapté.

Dans l’équation de la réaction, C6H10O5 et O2 sont les formules chimiques des « réactifs/produits ».

« La molécule/L’atome » O2 est composé(e) de deux « molécules/atomes » d’oxygène.

b) À l’aide de l’équation simplifiée de la réaction de combustion de la cellulose, expliquer pourquoi l’utilisation d’un poêle à bois dans une maison nécessite un apport d’air constant.

2. Puissance du poêle à bois et durée de fonctionnement (4,5 points)

Pour chauffer l’habitation, le poêle à bois fournit de l’énergie thermique grâce à la combustion du bois. En moyenne, pour une maison, la consommation annuelle d’énergie, notée E, est égale à 13 000 kWh.

Calculer la durée de fonctionnement du poêle, d’une puissance notée P égale à 10 kW, pour garantir cet apport d’énergie E. La réponse attendue sera exprimée en heures.

Rappel : 1 kilowattheure (kWh) est l’énergie consommée par un appareil d’une puissance de 1 kW pendant une heure.

3. Choix de l’essence de bois (8,5 points)

Dans un catalogue, on trouve différents types de bois, feuillus ou résineux, appelés essence de bois de chauffage. Le taux d’humidité est précisé en pourcentage.

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a) À l’aide du document 1, expliquer comment évolue l’énergie libérée par la combustion d’une masse de 1 kg de bois en fonction de l’humidité présente dans le bois.

b) À l’aide des documents 2 et 3 et des réponses précédentes, expliquer quelle serait l’essence de bois, parmi les trois essences de bois citées dans le catalogue, qui permettrait de restituer par combustion le plus d’énergie sans risque supplémentaire. Apporter des arguments précis pour justifier le choix.

document 1 Énergie libérée lors de la combustion de 1 kilogramme de bois en fonction du taux d’humidité exprimé en pourcentage

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document 2 Insecticide

Le bois de charme du catalogue provient d’un parquet qui a été traité notamment par un insecticide. Pour cet insecticide, on trouve le pictogramme et la phrase de risque suivants.

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document 3 Caractéristiques des différentes essences de bois à 20 % d’humidité

Essence de bois

Énergie libérée

Caractéristiques

1 kg de chêne séché

15 020 kJ

Brûle lentement. Feuillus

1 kg de charme

15 000 kJ

Brûle lentement. Feuillus

1 kg de sapin

12 720 kJ

Brûle rapidement. Faible braise. Résineux

Les clés du sujet

Comprendre les documents

L’introduction de la question 1 donne l’équation de la réaction de combustion de la cellulose.

L’introduction de la question 3 contient un extrait de catalogue fournissant le taux d’humidité dans différents bois.

Le document 1 donne la courbe de l’énergie libérée lors de la combustion d’1 kg de bois en fonction du taux d’humidité qu’il contient.

Répondre aux questions

 2. Utilise la formule liant l’énergie E à la puissance P.

 3. b) Attention ! pour répondre le plus logiquement possible, il faut tenir compte non seulement des documents 2 et 3 mais aussi de la réponse donnée dans la question 3. a) et surtout choisir l’essence du bois dans l’extrait du catalogue de l’introduction de la question et non pas dans le document 3.

Corrigé

Corrigé

1. a) Dans l’équation de la réaction, C6H10O5 et O2 sont les formules chimiques des réactifs. La molécule O2 est composée de deux atomes d’oxygènes.

b) On constate, d’après cette équation, que l’un des réactifs nécessaire à la combustion de la cellulose est le dioxygène. Si on utilise donc de la cellulose dans le poêle il faut un apport d’air car ce dernier contient du dioxygène.

2. La durée t s’obtient de la relation liant la puissance et l’énergie :

E = P × t.

Conseil

Tire l’inconnue, c’est-à-dire la durée t, de la formule avant de faire les calculs.

D’où t=EP=13 00010 = 1 300 h.

La durée du fonctionnement du poêle est donc de 1 300 heures.

3. a) D’après le document 1, l’énergie libérée par la combustion d’1 kg de bois diminue lorsque le taux d’humidité qu’il contient augmente. Autrement dit, plus un bois est humide et moins il libère de l’énergie en brûlant.

b) D’après le document 3, à taux égal d’humidité (20 %), les bois de chêne et de charme donnent plus d’énergie par kg par combustion que le sapin. Mais, d’après le document 2, le bois de charme du catalogue est traité par un insecticide qui libère des vapeurs nocives lors de la combustion ; ces vapeurs ne doivent pas être respirées.

Le bois de chêne, lorsqu’il est à 20 % d’humidité, restituerait donc plus d’énergie. Néanmoins, le bois de chêne proposé dans le catalogue contient plus d’humidité (60 % et non pas 20 %). L’énergie libérée par sa combustion ne serait plus de 15 020 kJ mais bien moins, probablement inférieure à celle libérée par un bois de sapin bien plus sec.

Il faut donc choisir le bois de sapin à 20 % d’humidité de ce catalogue.

Malgré tout, notre choix pourrait se porter vers l’essence de bois de chêne si on a le temps de le laisser sécher. En effet, le sapin est à combustion rapide et à faible braise (il faut recharger régulièrement le poêle), et c’est un résineux (il encrasse davantage le poêle).