Exercice 2 - Combustions · Bac STI2D Physique-Chimie et Mathématiques Métropole 2025

EXERCICE 2 (physique-chimie)

La flamme des jeux olympiques

Le voyage de la flamme olympique depuis son allumage à Olympie en Grèce jusqu'à la vasque de Paris a été une grande aventure.

On s'intéresse dans cet exercice au fonctionnement de la torche olympique portée par les relayeurs, puis au lancement de la grande vasque olympique dans le ciel parisien.

Partie 1 – La flamme olympique

Il y a en réalité deux flammes olympiques:

la torche olympique, que portent les relayeurs, soumise aux aléas météorologiques et susceptible de s'éteindre. Cette torche est alimentée par une cartouche de gaz propane sous pression qu'il faut renouveler toutes les 8 minutes;

la lanterne olympique, qui est protégée par une vitre et manipulée par des officiels. La lanterne est composée d'une mèche trempant dans un réservoir de paraffine qui sert de combustible.

Dans cette partie, on se propose de comparer les propriétés de ces deux dispositifs.

Donnée: la formule chimique brute du propane est $\mathrm{C_3H_8}$.

Donnée

La formule chimique brute du propane est $\mathrm{C_3H_8}$.

Q1.

Écrire l'équation de la réaction de combustion complète du propane par le dioxygène de l'air.

On cherche à évaluer le pouvoir calorifique de la combustion de la paraffine. Pour cela, on introduit un volume d'eau $V_{\text{eau}}$ à la température initiale $\theta_i = 21{,}3\text{ }^\circ\text{C}$ dans une canette de soda dans laquelle on place un thermomètre.

Une bougie allumée, composée de paraffine, de masse $m_i$ est placée sous la canette. Au bout de quelques minutes, on éteint la bougie et on relève la température finale de l'eau $\theta_f$ contenue dans la canette ainsi que la masse finale de la bougie $m_f$.

Données

pouvoir calorifique du propane: $12{,}8\text{ kWh}\cdot\text{kg}^{-1}$;

masse volumique de l'eau liquide: $\rho_{\text{eau}} = 1{,}00\text{ g}\cdot\text{mL}^{-1}$;

volume de l'eau contenue dans la canette de soda: $V_{\text{eau}} = 100\text{ mL}$;

capacité thermique massique de l'eau liquide: $c_{\text{eau}} = 4{,}18\times 10^3\text{ J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$;

température initiale de l'eau: $\theta_i = 21{,}3\text{ }^\circ\text{C}$;

température finale de l'eau: $\theta_f = 44{,}5\text{ }^\circ\text{C}$;

masse initiale de la bougie: $m_i = 11{,}74\text{ g}$;

masse finale de la bougie: $m_f = 11{,}43\text{ g}$;

on rappelle: $1\text{ kWh} = 3{,}6\times 10^3\text{ kJ}$.

Q2.

Montrer que l'énergie thermique reçue par l'eau contenue dans la canette pendant cette expérience vaut $E_{\text{th}} = 9{,}70\text{ kJ}$.

Q3.

En supposant que l'énergie libérée par la combustion de la paraffine est intégralement transmise à l'eau contenue dans la canette, montrer que le pouvoir calorifique de la paraffine mesuré par cette expérience vaut approximativement $PC = 3{,}13\times 10^4\text{ kJ}\cdot\text{kg}^{-1}$.

Q4.

Le pouvoir calorifique de la paraffine publié dans la littérature scientifique est de l'ordre de $4{,}0\times 10^4\text{ kJ}\cdot\text{kg}^{-1}$. Proposer une explication de l'écart observé entre la valeur expérimentale calculée à la question Q3 et la valeur publiée dans la littérature scientifique.

Q5.

Comparer la valeur du pouvoir calorifique de la paraffine à celle du pouvoir calorifique du propane et conclure quant à la pertinence du choix du propane pour faire fonctionner la torche soumise aux aléas météorologiques.