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Physique-chimie, 2e éd. (collection BTS ESF)

De
315 pages
Cette nouvelle édition du manuel de physique-chimie, conforme au nouveau référentiel 2009 du BTS Économie sociale et familiale, vise à donner au lecteur les bases scientifiques nécessaires :
pour appréhender les méthodes, savoir-faire et connaissances fondamentales ou spécialisées qui faciliteront la maîtrise de matières telles que l'habitat-logement (logement, isolation, électroménager), la biologie appliquée (fonctions chimiques) ou encore les arts appliqués (lumière, synthèses additive et soustractive, macromolécules) et l'alimentation (pouvoir calorifique des combustibles, alcool) ,
pour acquérir une approche raisonnée des pratiques et techniques couramment utilisées dans la vie des familles et des collectivités.
Outre les connaissances théoriques nécessaires à la compréhension des phénomènes étudiés, chaque chapitre comporte de nombreux exercices résolus. Ils sont accompagnés d'encadrés qui invitent le lecteur à appliquer ses connaissances physico-chimiques aux activités quotidiennes.

Entièrement revue, la deuxième édition de ce manuel intègre l'orientation résolument expérimentale et concrète du nouveau programme. Tout au long des chapitres, des protocoles d'activités expérimentales sont proposés afin de permettre à l'étudiant de mobiliser et de mettre en œuvre les connaissances et les savoir-faire acquis.
Destiné aux élèves du BTS Économie sociale et familiale, Physique-Chimie, 2e édition, s'adresse également aux conseillers et techniciens en ESF qui souhaitent actualiser leurs connaissances scientifiques.
PHYSIQUE. Section 1. Les formes d'énergie. Chapitre 1. Les différentes formes d'énergie et leurs transferts. Chapitre 2. Principe de conservation de l'énergie. Chapitre 3. Énergie thermique et isolation. Chapitre 4. Énergie électrique. Section 2. Ondes électromagnétiques et sonores. Chapitre 5. Phénomène d'induction. Chapitre 6. Principe de fonctionnement du four à micro-ondes. Chapitre 7. Lumière et sources d'éclairage. Chapitre 8. L'effet de serre. Chapitre 9. Le son
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Collection « BTS ESF »
dirigée par Cristian Carip
Physique-chimie
e2 édition
Anne-Claude Gelé-Seautereau
Professeur en BTS ESF à l’ICOGES Paris
et à l’IFRES de Sens
11, rue Lavoisier
F-75008 Paris3995_2_ Page II Lundi, 23. août 2010 8:03 08
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Dans la même collection
eBiologie appliquée à la santé, 2 édition
C. Carip, 2010
Habitat-Logement
B. Vinçot-Gac, 2010
Économie-consommation
M. Camus, 2010
Nutrition humaine et sécurité alimentaire
M. Murat, coord., 2009
Préparer l’épreuve de STHE
A.-C. Gelé-Seautereau, B. Vinçot-Gac, 2007
Arts appliqués
C. Daudier, 2007
Alimentation pratique
M. Murat, M. Tisset, M. Limouse, 2004
DANGER
LE
PHOTOCOPILLAGE
TUE LE LIVRE
© LAVOISIER, 2010
ISBN : 978-2-7430-1280-9
Toute reproduction ou représentation intégrale ou partielle, par quelque procédé que ce soit, des pages publiées dans le présent ouvrage,
faite sans l’autorisation de l’éditeur ou du Centre français d’exploitation du droit de copie (20, rue des Grands-Augustins, 75006 Paris),
est illicite et constitue une contrefaçon. Seules sont autorisées, d’une part, les reproductions strictement réservées à l’usage privé du
copiste et non destinées à une utilisation collective, et, d’autre part, les analyses et courtes citations justifiées par le caractère scientifique
erou d’information de l’œuvre dans laquelle elles sont incorporées (loi du 1 juillet 1992 – art. L 122-4 et L 122-5 et Code pénal art. 425).3995_2_ Page III Lundi, 23. août 2010 8:03 08
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Programme
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IV
Physique-chimie
CorresConnaissances
pondances
1.2.1 Les états de la matière
Structure et état de la matière
Atome, molécules 115-121
• Masse molaire atomique ou moléculaire 120-122
• Quantité de matière 123
Les trois états de la matière, changements d’état 123-131
• Étude de l’ébullition et de la solidification de l’eau 156-161
• Savoir que la température d’ébullition de l’eau dépend 156
de la pression
• Savoir que l’ajout d’additifs modifie la valeur de la température 161
de solidification de l’eau
Applications au cours
du chapitre
Cas particulier des gaz
Paramètres d’état, équation des gaz parfaits 151-152
Mesure de pressions 149
Mesure de températures 151-152
Vapeur d’eau 156
• Pression de vapeur sèche, pression de vapeur saturante 156
• Degré hygrométrique, humidité relative 159
Applications au cours
du chapitre
1.2.2 Les formes de l’énergie
Énergie et puissance
Les différentes formes d’énergie 5
Les différents transferts d’énergie 5-6-20-22 13-32
Principe de conservation de l’énergie 13-17
Transfert d’énergie par chaleur
Savoir que la température caractérise l’agitation thermique 15-16
d’un système
Mesures calorimétriques 18
• Citer la relation : Q = m · C(θ – θ ) 202 1
• Mettre en œuvre un calorimètre et un capteur de température 24-25-27
Changements d’états
• Donner et appliquer la relation : Q = m · L 22
Les différents types de transfert d’énergie par chaleur
Principe des machines dithermes
• Applications 32
• Réfrigérateurs, climatiseurs 28
• Pompe à chaleur 33
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Programme
V
CorresConnaissances
pondances
L’énergie électrique 49
Grandeurs électriques fondamentales 50-53
Énergie et puissance électrique : application à différents appareils au cours
électroménagers du chapitre
Conducteurs ohmiques 61
• Loi d’Ohm 59
• Effet Joule 59
• Applications 59-64-65
Phénomène d’induction 71
• Définition 71
• Utilisations 72
1.2.3 Ondes électromagnétiques 71
Nature et caractéristiques des ondes électromagnétiques 67-68
Domaine visible 73
Les spectres d’émission 73-74
Fonctionnement, avantages et inconvénient des différents types de 79-85
sources lumineuses 81-85
Grandeurs photométriques
Autres domaines utiles
Micro-ondes 72
UV et IR 74-75
WIFI et téléphone mobile ou portable 68
Effet de serre 88
1.2.4 Ondes sonores 93
Nature et propriétés des ondes sonores 93
Pression acoustique 98
Fréquence 95
Propagation 93
Aspect énergétique
Intensité acoustique 99
Niveau sonore 99
1.2.5 Chimie de la vie quotidienne : entretien, environnement, matériaux
La réaction chimique au cours
• L’équation chimique des chapitres
– Décrire un système
– Écrire l’équation d’une réaction chimique associée à une
transformation et ajuster les coefficients stœchiométriques
• Avancement
– Avancement d’une réaction chimique 205-208
• Mélange stœchiométrique 205
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VI
Physique-chimie
CorresConnaissances
pondances
Les combustions 229
• Origine des différents combustibles 229
• Équation de réaction 232
– Savoir écrire les équations de combustion (complète et incom- 234-237-238
plète) dans le dioxygène de différents combustibles domestiques
usuels
– Exploitation : volume des gaz brûlés, rejets en CO des diffé- 244-2452
rents combustibles, gaz non interchangeables, mesures de sécurité… 241-242
– Pouvoir calorifique 235
Eau et solutions aqueuses
• Propriétés physico-chimiques de l’eau pure 140-141
• Dissolution, solutions aqueuses 136
– Soluté, solvant, solution saturée 136
– Solvant polaire : exemple de l’eau 136-72-216
– Concentration molaire et concentration massique 136-216
– Dilution 137-140
• Eaux naturelles 140
– Principaux ions dissous
138-139141-142
– Dureté de l’eau : titre hydrotimétrique 143
– Inconvénients des eaux dures et principes de traitement 142-146
Acido-basicité
• pH 217
– Définition 217
– Mesure 218
• Couples acide-base 220
• Applications : caractère acide ou basique de produits familiers 219
Oxydoréduction 246
• Couples oxydant-réducteur 249
– Potentiels standard d’oxydoréduction 252
– Établissement de l’équation chimique d’une réaction d’oxydo- 250-251
réduction.
• L’eau de javel 257
– Dosage, degré chlorométrique 259
– Utilisation, précautions d’emploi et de stockage 259
• L’eau oxygénée 255
– Dosage, titre en volume 256 256
• Piles et accumulateurs ⎫ 252
– Principe de fonctionnement ⎬ 253
– Intérêts et précautions d’emploi ⎭
• Les antioxydants pour conserver les aliments 247
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Programme
VII
CorresConnaissances
pondances
Savons et détergents
• Tensioactifs 262
– Classification 266
– Rôles et propriétés 264-269
• Savons 267 et 270
– Fabrication par saponification des corps gras 269 et 267
– Additifs et différents types de savon 264-270
– Étude critique et comparative de plusieurs détergents 271
Matières plastiques et fibres synthétiques
• Les matières plastiques
– Principe de fabrication de quelques matières plastiques 271-275
– Intérêt de l’utilisation des matières plastiques et son impact sur 274-276
l’environnement
• Polymères synthétiques 272-275
– Polyaddition 272-274
– Polycondensation 274-275
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Table des matières
Programme ............................................................................................................. III
Remerciements ...................................................................................................... XVII
Notions mathématiques nécessaires à cet enseignement .................................... XIX
re1 partie
Physique
Section 1
Les formes d’énergie
Chapitre 1
Les différentes formes d’énergie, leurs transferts et les organes de
transformation ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 5
1. La centrale thermique......................................................................................... 6
2. La centrale nucléaire .......................................................................................... 6
3. La centrale hydroélectrique................................................................................ 9
4. La centrale éolienne ........................................................................................... 9
5. La géothermie..................................................................................................... 10
6. Les panneaux solaires......................................................................................... 11
Chapitre 2
Principe de conservation de l’énergie ––––––––––––––––––––––– 13
1. Les unités de mesure d’énergie .......................................................................... 14
2. Notion de rendement .......................................................................................... 14
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X Physique-chimie
Chapitre 3
Énergie thermique et isolation––––––––––––––––––––––––––––– 15
1. Énergie thermique – Principe de Carnot ............................................................ 15
1.1. Définitions................................................................................................. 15
1.2. Thermodynamique .................................................................................... 17
1.2.1. Premier principe ou principe de conservation de l’énergie........... 17
1.2.2. Second principe dit Principe de Carnot......................................... 18
1.3. Calorimétrie............................................................................................... 18
1.3.1. Généralités..................................................................................... 18
1.3.2. Transfert d’énergie sans changement d’état.................................. 20
1.3.3. Transfert d’énergie lors d’un changement d’état .......................... 22
1.3.4. Méthode des mélanges et mesures calorimétriques ...................... 23
1.4. Application : le réfrigérateur..................................................................... 28
1.4.1. Principe d’une machine frigorifique ............................................. 28
1.4.2. Grandeurs caractéristiques d’un réfrigérateur ............................... 30
1.5. Cas particulier des pompes à chaleur (PAC) 33
2. Isolation thermique............................................................................................. 35
2.1. Modes de transfert de la chaleur ............................................................... 35
2.2. Flux de chaleur à travers une paroi plane.................................................. 36
2.2.1. Par conduction............................................................................... 37
2.2.2. Par convection et rayonnement ..................................................... 41
2.2.3. Par les trois modes ensemble ........................................................ 42
2.3. Pertes thermiques et isolation.................................................................... 43
Chapitre 4
Énergie électrique ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 49
1. Aperçu historique ............................................................................................... 49
2. Grandeurs du courant électrique ........................................................................ 50
2.1. Généralités................................................................................................. 50
2.2. Intensité..................................................................................................... 50
2.2.1. Ordre de grandeur de quelques intensités ..................................... 52
2.2.2. Mesure de l’intensité ..................................................................... 53
2.3. Tension...................................................................................................... 53
2.3.1. Expérience..................................................................................... 54
2.3.2. Mesure de la tension...................................................................... 54
2.3.3. Quelques types de générateurs de courant continu ....................... 55
3. Lois du courant continu...................................................................................... 55
3.1. Les différents montages ............................................................................ 55
3.1.1. Le montage en série....................................................................... 55
3.1.2. Le montage en dérivation.............................................................. 56
3.2. Les lois ...................................................................................................... 56
3.2.1. Cas du circuit série ........................................................................ 56
3.2.2. Cas du circuit en parallèle (en dérivation) .................................... 57
3.2.3. La résistance.................................................................................. 58
3.2.4. La puissance 58
3.2.5. Les associations de résistances...................................................... 61
© Tec & Doc – La photocopie non autorisée est un délit3995_2_ Page XI Lundi, 23. août 2010 8:03 08
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Table des matières XI
Section 2
Ondes électromagnétiques et sonores
Chapitre 5
Ondes électromagnétiques –––––––––––––––––––––––––––––––– 71
1. Phénomène d’induction...................................................................................... 71
1.1. Champ magnétique et métal...................................................................... 71
1.2. Comment fonctionne le chauffage à induction ?....................................... 71
2. Principe de fonctionnement du four à micro-ondes ........................................... 72
2.1. Fonctionnement......................................................................................... 73
3. Lumière et sources d’éclairage........................................................................... 73
3.1. Définitions................................................................................................. 73
3.2. Mode de propagation de la lumière........................................................... 75
3.2.1. La réflexion ................................................................................... 75
3.2.2. La réfraction .................................................................................. 76
3.3. Les mélanges de lumière : les synthèses................................................... 77
3.3.1. Synthèse additive 77
3.3.2. Synthèse soustractive .................................................................... 77
3.4. Sources de lumière .................................................................................... 78
3.5. Photométrie ............................................................................................... 81
3.5.1. Le flux lumineux F........................................................................ 81
3.6. L’intensité lumineuse I.............................................................................. 83
3.7. L’éclairement E......................................................................................... 83
3.8. La luminance L 84
4. L’effet de serre ................................................................................................... 88
Chapitre 6
Ondes sonores –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 93
1. Le son, nature et propagation ............................................................................. 93
2. Propriétés et grandeurs caractéristiques ............................................................. 96
2.1. Propriétés 96
2.1.1. Réflexion ....................................................................................... 96
2.1.2. Résonance...................................................................................... 96
2.1.3. Absorption..................................................................................... 96
2.2. Grandeurs caractérisant le son .................................................................. 97
2.2.1. Le timbre d’un son ........................................................................ 97
2.2.2. La pression acoustique 98
2.2.3. La longueur d’onde ....................................................................... 98
2.2.4. L’intensité acoustique ................................................................... 99
2.2.5. Le niveau d’intensité sonore L...................................................... 99
© Tec & Doc – La photocopie non autorisée est un délit3995_2_ Page XII Lundi, 23. août 2010 8:03 08
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XII Physique-chimie
e2 partie
Chimie
Les symboles de danger –––––––––––––––––––––––––––––––––– 107
Fiche méthode –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 108
Section 3
Les états de la matière
Chapitre 7
Structure de la matière – Classification périodique ––––––––––– 115
1. L’atome .............................................................................................................. 115
1.1. Le noyau.................................................................................................... 116
1.2. Le nuage électronique ............................................................................... 118
1.3. La mole d’atomes...................................................................................... 119
2. Les molécules et les ions.................................................................................... 121
2.1. Les molécules............................................................................................ 121
2.1.1. Les liaisons 122
2.1.2. La valence ..................................................................................... 122
2.1.3. Les caractéristiques des molécules................................................ 122
2.2. Les ions ..................................................................................................... 123
3. La classification périodique ............................................................................... 124
Chapitre 8
Les trois états de la matière – Cas particulier de l’eau ––––––––– 131
1. État liquide ......................................................................................................... 131
1.1. La pression exercée par les liquides.......................................................... 131
1.1.1. Principe fondamental de l’hydrostatique....................................... 132
1.1.2. Applications du principe des vases communicants....................... 133
1.1.3. Théorème de Pascal et poussée d’Archimède............................... 134
1.2. Les composés ioniques.............................................................................. 135
1.3. Identification des ions ............................................................................... 138
1.3.1. Par la couleur................................................................................. 138
1.3.2. Par précipitation ............................................................................ 138
1.3.3. Par dégagement gazeux................................................................. 139
1.4. Les eaux naturelles.................................................................................... 140
1.4.1. Composition .................................................................................. 140
1.4.2. Les alcalino-terreux et la dureté de l’eau ...................................... 142
2. L’état gazeux...................................................................................................... 149
2.1. Pression des gaz ........................................................................................ 149
2.1.1. Pression exercée par le gaz............................................................ 149
2.1.2. Dilatation des gaz.......................................................................... 151
2.2. La vapeur d’eau......................................................................................... 156
2.2.1. Dans le vide................................................................................... 156
© Tec & Doc – La photocopie non autorisée est un délit3995_2_ Page XIII Lundi, 23. août 2010 8:03 08
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Table des matières XIII
2.2.2. Vaporisation dans un gaz .............................................................. 157
2.2.3. Vaporisation dans le linge............................................................. 160
3. L’état solide – Application à la glace................................................................. 161
Section 4
Chimie de la vie quotidienne
Chapitre 9
Notions de chimie organique –––––––––––––––––––––––––––––– 165
1. Généralités.......................................................................................................... 165
1.1. Qu’est-ce que la chimie organique ?......................................................... 165
1.2. Le carbone est tétravalent.......................................................................... 165
1.3. Les chaînes carbonées............................................................................... 166
2. Les alcanes ......................................................................................................... 167
2.1. Les alcanes à chaîne linéaire ..................................................................... 167
2.1.1. Nomenclature ................................................................................ 167
2.1.2. Isomérie......................................................................................... 169
2.1.3. Propriétés chimiques 170
2.2. Les alcanes cycliques 173
3. Les alcènes 174
3.1. Nomenclature ............................................................................................ 174
3.2. Isomérie..................................................................................................... 175
3.3. Principales propriétés 175
3.3.1. Addition de dichlore sur l’éthène (ou éthylène)............................ 175
3.3.2. Addition du chlorure d’hydrogène et de l’eau sur l’éthène
(ou hydratation)............................................................................. 176
4. Les alcynes ......................................................................................................... 177
4.1. Nomenclature 177
4.2. Isomérie 178
4.3. Propriétés................................................................................................... 178
Chapitre 10
Principales fonctions chimiques ––––––––––––––––––––––––––– 181
1. La fonction alcool............................................................................................... 181
1.1. Généralités................................................................................................. 181
1.1.1. Définition ...................................................................................... 181
1.1.2. Nomenclature ................................................................................ 182
1.2. Les trois classes d’alcools ......................................................................... 183
1.2.1. Alcools primaires .......................................................................... 183
1.2.2. Alcools secondaires....................................................................... 184
1.2.3. Alcools tertiaires ........................................................................... 184
1.3. Propriétés des alcools 184
1.3.1. Propriétés chimiques ..................................................................... 184
1.3.2. Propriétés physiques...................................................................... 188
© Tec & Doc – La photocopie non autorisée est un délit3995_2_ Page XIV Lundi, 23. août 2010 8:03 08
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XIV Physique-chimie
2. La fonction acide carboxylique.......................................................................... 194
2.1. Définition .................................................................................................. 194
2.2. Nomenclature ............................................................................................ 195
2.3. Propriétés physiques.................................................................................. 195
2.4. Propriétés chimiques ................................................................................. 196
2.4.1. Propriétés acides............................................................................ 196
2.4.2. Autres propriétés ........................................................................... 197
2.4.3. Transformations principales du groupe carboxyle........................ 198
2.5. Les corps gras 198
3. Les fonctions aldéhyde et cétone ....................................................................... 200
3.1. Définition et nomenclature........................................................................ 200
3.1.1. Définition ...................................................................................... 200
3.1.2. Nomenclature ................................................................................ 201
3.2. Propriétés................................................................................................... 202
3.2.1. Physiques....................................................................................... 202
3.2.2. Chimiques : tests d’identification.................................................. 202
4. La fonction ester................................................................................................. 204
4.1. Définition – Nomenclature 204
4.2. Les caractéristiques de la réaction d’estérification ................................... 205
4.3. Réaction d’hydrolyse d’un ester – Équilibre............................................. 206
4.3.1. Définition ...................................................................................... 206
4.3.2. Équilibre chimique ........................................................................ 206
4.3.3. Les lipides simples 209
Chapitre 11
Réactions chimiques associées à l’entretien, l’environnement
et aux matériaux –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 215
1. Les acides et les bases ........................................................................................ 215
1.1. Notions élémentaires et définitions........................................................... 215
1.1.1. Solution aqueuse ........................................................................... 215
1.1.2. La molécule d’eau ......................................................................... 215
1.1.3. Concentration ................................................................................ 216
1.1.4. Produit ionique de l’eau ................................................................ 217
1.1.5. Le pH............................................................................................. 217
1.2. Solutions acides, neutres ou basiques ....................................................... 219
1.2.1. Définition selon Brönsted.............................................................. 219
1.2.2. Fonctions acido-basiques 221
2. La combustion.................................................................................................... 229
2.1. Chaleur de réaction ................................................................................... 229
2.1.1. Origine et signe ............................................................................. 229
2.1.2. Une réaction particulière : la combustion ..................................... 232
2.2. Pouvoirs calorifiques................................................................................. 235
2.2.1. Définitions..................................................................................... 235
2.2.2. Cas des corps purs......................................................................... 236
2.2.3. Cas des corps purs composés ........................................................ 238
2.2.4. Cas des mélanges .......................................................................... 239
© Tec & Doc – La photocopie non autorisée est un délit3995_2_ Page XV Lundi, 23. août 2010 8:03 08
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Table des matières XV
2.3. Choix du combustible et installation domestique ..................................... 240
2.3.1. Quels critères pour choisir le combustible le plus adapté ? .......... 240
2.3.2. Quelques renseignements sur le gaz naturel ................................. 241
3. Oxydoréduction.................................................................................................. 246
3.1. Définition 246
3.1.1. Définition historique ..................................................................... 246
3.1.2. Définition électronique.................................................................. 246
3.1.3. Corrosion des métaux – Protection ............................................... 248
3.2. Notion de couple oxydant/réducteur ......................................................... 249
3.2.1. Passage d’un métal à l’ion correspondant : oxydation du métal... 249
3.2.2. Passage d’un ion au métal correspondant : réduction de l’ion
métallique...................................................................................... 249
3.2.3. Le couple oxydant/réducteur 249
3.2.4. Potentiel d’oxydoréduction ........................................................... 252
3.3. Application aux dosages ........................................................................... 253
3.3.1. But d’un dosage rédox................................................................... 253
3.3.2. Conditions d’un dosage................................................................. 255
3.3.3. Réaction d’oxydoréduction – Équivalence ................................... 255
3.3.4. Mode opératoire d’un dosage........................................................ 255
3.4. Cas particuliers de l’eau oxygénée et de l’eau de Javel ............................ 255
3.4.1. L’eau oxygénée ............................................................................. 255
3.4.2. Eau de Javel................................................................................... 257
4. Saponification, savons et détergents .................................................................. 262
4.1. Définition .................................................................................................. 262
4.2. La tensioactivité ........................................................................................ 262
4.2.1. Tension superficielle d’un liquide................................................. 262
4.2.2. Mesure de la tension superficielle 263
4.2.3. La tension interfaciale ................................................................... 264
4.3. Pouvoirs d’un détergent ............................................................................ 264
4.3.1. Pouvoir mouillant.......................................................................... 264
4.3.2. Pouvoir émulsionnant ou émulsifiant............................................ 265
4.3.3. Pouvoir dispersant et anti-redéposant ........................................... 265
4.3.4. Pouvoir moussant 265
4.3.5. Pouvoir anticalcaire....................................................................... 266
4.3.6. Pouvoir de biodégradabilité .......................................................... 266
4.4. Les différentes classes de détergents......................................................... 266
4.4.1. Les détergents non ioniques 266
4.4.2. Les détergents ioniques ................................................................. 266
4.4.3. Les tensioactifs amphotères ou ampholytes.................................. 268
4.4.4. Les adjuvants................................................................................. 269
5. La polymérisation............................................................................................... 271
5.1. Généralités................................................................................................. 271
5.2. Les techniques de polymérisation ............................................................. 272
5.2.1. La polyaddition ............................................................................. 272
5.2.2. La polycondensation ..................................................................... 274
5.3. Classement et propriétés des polymères ................................................... 275
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XVI Physique-chimie
Annexes
Fonctions chimiques majeures pour l’ESF––––––––––––––––––– 281
1. Les carbures d’hydrogène .................................................................................. 281
2. Les alcools.......................................................................................................... 281
3. Aldéhyde et cétone............................................................................................. 281
4. Phénol................................................................................................................. 282
5. Acide carboxylique ............................................................................................ 282
6. Ester carboxylique.............................................................................................. 282
Principales réactions chimiques ––––––––––––––––––––––––––– 283
1. Oxydation totale (combustion)........................................................................... 283
2. Estérification ...................................................................................................... 283
3. Oxydoréduction.................................................................................................. 284
4. Saponification .................................................................................................... 284
Tableaux de conversion –––––––––––––––––––––––––––––––––– 285
1. Longueur ............................................................................................................ 285
2. Surface................................................................................................................ 285
3. Volume............................................................................................................... 286
Unités et valeurs de référence du système international–––––––– 287
1. Unités fondamentales ......................................................................................... 287
2. Unités dérivées ................................................................................................... 288
3. Unités particulières............................................................................................. 288
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Remerciements
Je tiens à remercier mon mari et mes enfants
pour leur patience, ainsi que ma mère
pour ses encouragements sans cesse renouvelés.
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> STDI FrameMaker noir3995_2_ Page XIX Lundi, 23. août 2010 8:03 08
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Notions mathématiques
nécessaires
à cet enseignement
– Règle de trois/proportionnalités.
– Conversions (par exemple : volume en unité SI/litre, multiples et
sousmultiples).
– Pourcentages.
– Calculs à l’aide des puissances de 10.
– Formules géométriques de longueur/surface/volume.
– Bases des fonctions trigonométriques cos et sin.
– Repérage dans le plan : coordonnées d’un point.
– Construction de droites et courbes d’après un tableau de valeurs.
Si vous n’êtes pas à l’aise avec ces notions, nous vous conseillons de
commencer par les revoir avant de travailler avec ce manuel.
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re1 partie
Physique
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Section 1
Les formes d’énergie
Définition
L’énergie consiste en ce qui produit du travail entraînant un mouvement, de la
chaleur ou de lumière. Quelques exemples de travail :
– lire : travail intellectuel ;
– courir : travail musculaire ;
– marcher, rouler : travail mécanique.
On remarquera que plus on dépense d’énergie par unité de temps plus on
s’échauffe. Quand on a les mains froides, il suffit de les frotter l’une contre
l’autre pour les réchauffer : l’action mécanique de frottement se traduit par un
arrachement et une énergie de mouvement donnés aux particules superficielles
des mains. En s’agitant, ces particules produisent de la chaleur qui se ressent très
rapidement en surface. Une énergie mécanique a été transformée en énergie
thermique. Et plus on frotte longtemps et fort, plus la chaleur est intense.
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1
Les différentes formes
d’énergie, leurs transferts
et les organes de transformation
Il existe plusieurs formes d’énergie :
– énergie des électrons : énergie électrique ;
– énergie de la chute d’eau : énergie mécanique ;
– énergie de la chaleur (solaire par exemple) : énergie thermique ;
– énergie de la lumière : énergie rayonnante ou lumineuse ;
– énergie du contenu des aliments ou des réactions chimiques : énergie chimique.
En physique comme en chimie « rien ne se crée, rien ne se perd, tout se
transforme ». C’est ce qui se produit en matière d’énergie. En effet, toute énergie
peut se transformer en d’autres énergies, plus ou moins facilement bien sûr.
Donnons quelques exemples de transferts d’énergie :
– dans le cœur du réacteur d’une centrale nucléaire en activité se produisent
des réactions très exothermiques, c’est de l’énergie thermique. Cette
chaleur est récupérée au niveau du fluide caloporteur pour être transportée
jusqu’à un ensemble turbine-alternateur, c’est de l’énergie mécanique. Cet
ensemble la transforme en électricité, c’est de l’énergie électrique ;
– un cycliste pose la dynamo de son vélo sur la roue puis actionne le pédalier.
Ses muscles libèrent de l’énergie chimique qui se transforme en énergie
mécanique pour faire tourner la roue de la dynamo, celle-ci la transforme en
énergie électrique puis en énergie rayonnante pour faire fonctionner les
feux de signalisation du vélo. Le passage des électrons dans le filament de
l’ampoule à incandescence échauffe le métal (tungstène en général)
produisant de l’énergie thermique non récupérée ;
– une centrale hydroélectrique récupère l’énergie hydraulique pour la
transformer en énergie mécanique via les turbines puis en énergie électrique
grâce à des alternateurs placés après ;
© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délit3995_2_ Page 6 Lundi, 23. août 2010 8:03 08
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6 Physique
– une ménagère branche sur le secteur un mixer et bat des œufs en neige ;
l’énergie électrique est transformée en énergie mécanique presque
intégralement, à l’exception de quelques pertes sous forme thermique.
L’énergie que l’on cherche à obtenir aujourd’hui est essentiellement sous forme
électrique, pour cela on transforme d’autres énergies par le moyen de centrales
thermiques, nucléaires, hydroélectriques, par des éoliennes, la géothermie…
Donnons quelques explications sur le fonctionnement de ces organes de
transformation.
1. La centrale thermique
Elle utilise un combustible pour fournir de l’énergie thermique. Ce
combustible peut être du pétrole, du gaz ou du charbon. Un ensemble «
turbinealternateur » transforme la chaleur de la vapeur d’eau en énergie électrique qui
est transportée par les lignes haute-tension jusqu’aux transformateurs puis aux
circuits domestiques.
Les points très négatifs de la centrale thermique sont :
– l’utilisation de combustibles fossiles qui ne sont pas renouvelables ;
– l’émission importante de CO ;
2
– le rendement modeste de ce type de centrale.
Ballon Turbine
Alternateur
Cheminée
CondensateurChaudière
Brûleurs
Combustible + airCombustible + air
Pétrole Pompes Eau de refroidissement
ou charbon (rivière, mer)
Figure 1 Principe de fonctionnement d’une centrale thermique.
2. La centrale nucléaire
Elle utilise de l’uranium comme combustible, c’est l’énergie thermique libérée
par la réaction nucléaire qui chauffe le liquide d’un circuit secondaire, cette
chaleur est transformée par l’ensemble « turbine-alternateur » en énergie électrique.
© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délit⎧


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Les différentes formes d’énergie, leurs transferts et les organes de transformation 7
Pour concevoir un cœur de réacteur, il faut quatre éléments essentiels :
– un combustible au sein duquel se produit la fission ;
– un fluide caloporteur (c’est-à-dire qui transporte la chaleur hors du
réacteur) ;
– un modérateur qui permet de contrôler et ralentir les neutrons (sauf pour les
réacteurs dits « à neutrons rapides ») ;
– des barres de commande qui contrôlent la réaction en chaîne.
Pressuriseur
TurbineBarres
de contrôles
Alternateur
Cœur du
réacteur
Condenseur
Pompe
Circuit du fluide caloporteur (primaire) chaud (320°C)
Circuit eau-vapeur (secondaire)
Circuit de l’eau de refroidissement
Figure 2 Schéma de principe d’une centrale nucléaire à eau sous pression
Le combustible utilisé est de l’uranium enrichi, c’est-à-dire de l’uranium 238
pour 97 % enrichi de 3 % d’uranium 235 (fissible). Le combustible est stocké
sous la forme de « crayons ». Quand on veut démarrer la fusion, on bombarde cet
uranium de neutrons. À tout moment, les barres de sécurité peuvent être
descendues dans le cœur du réacteur pour diminuer ou arrêter la réaction.
Deux circuits indépendants transportent un fluide caloporteur, les circuits
primaire et secondaire. Le fluide du circuit primaire est chauffé par l’énergie
calorifique dégagée par la combustion de l’uranium, il est maintenu sous l’état liquide
grâce à un pressuriseur ; le fluide du circuit secondaire (eau) va se transformer en
vapeur laquelle actionne une turbine qui entraîne un alternateur producteur
d’électricité. Aucun contact entre les deux circuits ne se fait. D’ailleurs, le circuit
primaire ne sort pas de l’enceinte de confinement.
Les barres de contrôle sont situées au-dessus du cœur du réacteur, elles
absorbent les neutrons, leur descente dans le réacteur permet de ralentir ou d’arrêter la
1fusion .
Trois barrières étanches successives entourent le cœur du réacteur afin de
limiter la dispersion de produits radioactifs dans l’air :
1. Il faut environ deux secondes pour que la chute totale des barres stoppe la réaction en
chaîne.
© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délit3995_2_ Page 8 Lundi, 23. août 2010 8:03 08
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8 Physique
– une gaine entourant le combustible ;
– l’enveloppe d’acier contenant la cuve du réacteur et le circuit primaire
transportant le fluide caloporteur ;
– l’enceinte de confinement constituée selon les centrales d’une ou de deux
parois de béton recouvrant une paroi interne d’acier.
Il existe différentes familles de réacteurs.
1Les réacteurs à eau sous pression (REP) constituent la filière la plus
répandue dans le monde. En France, tous les réacteurs sauf Phénix sont des REP.
Les réacteurs à neutrons rapides (RNR) ont été conçus pour fonctionner
avec la matière fissile de façon plus complète qu’avec les REP. Ils n’utilisent pas
de modérateur et le fluide caloporteur peut être un gaz (hélium) ou un métal
liquide (sodium). Ils peuvent fabriquer de la matière fissile mais aussi d’incinérer
2des déchets à vie longue .
Les réacteurs à caloporteur gaz (RCG) utilisent l’hélium comme caloporteur
ce qui permet d’alimenter directement le groupe turbine-alternateur sans
échangeur intermédiaire. Ils sont susceptibles de fonctionner avec des neutrons rapides,
de permettre de réaliser des unités de petite taille, économiques et sûres.
RENDEMENT D’UNE CENTRALE NUCLÉAIRE
La réaction de fusion libère une puissance thermique P alors que l’alternateur
th
fournit la puissance électrique P < P . Le rendement est le rapport de ces deux
e th
puissances
Per = ------ - .
Pth
REMARQUE
Le gros problème des centrales nucléaires est la gestion des déchets ; pendant
de nombreuses années les déchets ont été enfouis sans connaître précisément leur
devenir. Ils sont classés selon quatre catégories :
– les déchets faiblement contaminés comme des matériaux de construction, de
la terre provenant des abords de centrale. On les retrouve sur des décharges
classiques de façon régulière ;
– les déchets de type A dont la radioactivité est courte c’est-à-dire inférieure à
300 ans. Ils sont déposés dans des fûts métalliques rangés dans des conteneurs
en béton et recouverts de terre. La surveillance est quasi inexistante ! Ils sont
parfois éventrés et risquent de contaminer la terre ou les sources proches ;
– les déchets de type B sont peu radioactifs mais contiennent des éléments
dont la radioactivité perdurera pendant des milliers d’années ;
– les déchets de type C sont très radioactifs, ils sont retraités en France pour
en extraire l’uranium ou le plutonium, lesquels sont stockés ou recyclés.
1. Le fluide caloporteur est ici l’eau.
2. Voir plus loin les différents types de déchets.
© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délit3995_2_ Page 9 Lundi, 23. août 2010 8:03 08
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Les différentes formes d’énergie, leurs transferts et les organes de transformation 9
Les déchets ont été « oubliés » aux débuts de l’aventure du nucléaire puis ils
ont été pensés comme un problème soluble. Ils sont actuellement perçus comme
un danger sérieux auquel il faut trouver la meilleure solution possible, sans se
bander les yeux. Il est urgent de trouver une solution pour l’environnement et
pour l’humanité.
3. La centrale hydroélectrique
C’est l’énergie potentielle de la chute d’eau qui est récupérée et transformée ;
la force de l’eau fait tourner très rapidement une turbine qui couplée à un
alternateur produit de l’énergie électrique.
Transformateur Lignes
haute tension
Centrale électrique
Générateur
Réservoir
d’eau (lac)
Canal Turbine
d’écoulement
de l’eau
Fond du lacFFond du lacond du lac
Figure 3 Principe de fonctionnement d’une centrale hydroélectrique.
REMARQUE
C’est une énergie renouvelable dont le bilan carbone par kWh est faible. Elle
est semble-t-il à privilégier mais attention aux catastrophes environnementales
que cela peut engendrer (voir « barrage des trois gorges » en Chine).
4. La centrale éolienne
Elle fonctionne avec la force du vent qui fait tourner rapidement l’hélice de
l’éolienne en exerçant une forte pression sur les pales. Cette énergie mécanique
est alors transformée en énergie électrique par couplage ave un générateur
électrique.
© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délit

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