Le programme de physique chimie en terminale stl, spcl, est composé de quatre parties : la partie "physique-chimie" commune avec la série sti2D, "ondes", "chimie et développement durable", "systèmes et procédés" (S & P).





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Systèmes et procédés

Le programme de physique – chimie en terminale STL, SPCL, est composé de quatre parties : la partie "physique-chimie" commune avec la série STI2D, "ondes", "chimie et développement durable", "systèmes et procédés" (S & P). Cette dernière partie ne constitue pas la composante technologique du programme et elle ne vise pas non plus à préparer à une formation de STS spécifique qui serait le prolongement naturel de cette filière.

Par une solide formation scientifique au spectre large rayonnant vers les méthodes de la science, les connaissances, les capacités expérimentales et la démarche de projet, la série STL SPCL prépare les élèves aux études supérieures - classes préparatoires, écoles d'ingénieur, IUT et STS.

Dès lors, le programme de systèmes et procédés est un programme de physique et de chimie qui complète, prolonge et relie les parties « physique-chimie », "ondes" et "chimie et développement durable". Il ne propose pas une étude de la technologie des systèmes choisis, cette dernière étant souvent appelée à évoluer avec les résultats de la recherche et les avancées technologiques. Il ne propose pas non plus une étude fine des procédés mis en place, ceux-ci évoluant pour s'adapter aux contraintes économiques, environnementales et sociétales.

Les notions et contenus de ce module peuvent être en partie traités, lorsque le sujet s’y prête, dans le cadre du cours de physique "ondes" ou de "chimie et développement durable".
L'enseignement de S & P oriente avant tout vers une approche globale des dispositifs complexes fabriqués par l'homme dans leur dimension technologique, sociétale, économique et environnementale. On pose ici que le système transforme de l'énergie, de la matière ou de l'information selon une méthode que l'on nomme le procédé.

Le système constitue l'entrée d'une étude sur laquelle s'adosse très concrètement les domaines de la physique et de la chimie qu'il permet d'aborder. Le système et les procédés mis en œuvre ne sont pas une fin en soi mais constituent des supports industriels ou de laboratoire, à usage public ou privé, dont l'étude vise à développer des connaissances et des compétences scientifiques.

S'il n'est pas toujours possible de pouvoir effectuer des mesures sur des systèmes réels, non didactisés, on étudiera sur des supports didactiques le principe de certaines des fonctions du système. Un support didactique n'est pas nécessairement constitué d'une "maquette" mais peut aussi prendre la forme d'un montage expérimental classique mis en œuvre dans les laboratoires de physique-chimie.

Si une "maquette" est utilisée, elle doit être vue et présentée comme un "modèle expérimental simplifié" d'un système réel, plus complexe, sur lequel l'étude n'est pas aisément possible. L'utilisation pédagogique de ces "modèles expérimentaux" doit permettre dans le cadre d'une démarche scientifique de retrouver ou de découvrir des propriétés générales des systèmes réels. Ainsi, par exemple dans la partie "contrôle et régulation", leur utilisation pour aborder certaines parties du programme ne devrait pas se traduire par des "travaux pratiques" "clés en main", "presse-bouton", bannissant ainsi toute initiative de l'élève. Il n'y a pas, dans un enseignement qui vise à développer l'apprentissage de la démarche scientifique, une partie "cours" et une partie "T.P." déconnectées et dissociées. Les connaissances et les capacités se construisent dans ces "allers-retours" entre l'expérimentation et la décontextualisation, elle-même indispensable à la conceptualisation et la formalisation.

Si la "maquette" est un modèle expérimental, le retour vers le système réel est indispensable, l'objectif n'étant pas d'étudier une maquette, objet purement scolaire ! C'est alors l'occasion de montrer les limites du modèle liées souvent au rapport d'échelle des grandeurs régulées ou commandées.

Dans les lycées équipés de pilotes de génie chimique ou de systèmes utilisés dans des sections de technicien supérieur ou dans d'autres disciplines – STI2D – les mesures peuvent être directement effectuées sur ces systèmes en se gardant bien d'effectuer un traitement aussi détaillé que dans l'ancien programme de STL ou dans des programmes de STS.

L'introduction du programme de S & P précise que les systèmes peuvent ne pas être présents dans l'établissement mais qu'alors une documentation doit permettre les élèves d'en faire une analyse globale en termes de fonctionnalité et, dans une certaine mesure, une analyse des performances voire des choix effectués.
Si l'un des objectifs visés par les exemples pédagogiques présentés est de proposer, à des établissements peu équipés en systèmes, des ressources pour traiter le programme, on espère néanmoins qu'ils les inciteront à compléter leur équipement tout en faisant des choix raisonnables.
Dans les exemples proposés des choix ont été effectués : ils sont rassemblés sous la forme de commentaires sur le programme.




Thermodynamique



Partie thermodynamique

Notions et contenus

Capacités exigibles

Commentaires

Transfert d'énergie d'une source froide à une source chaude.
Transfert d'énergie sous forme de travail et de chaleur.
Modèle du gaz parfait.
Premier principe et second principe de la thermodynamique.

- Pour une pompe à chaleur, un climatiseur ou un réfrigérateur : décrire le principe de fonctionnement ; identifier les transferts d'énergie mis en jeu et réaliser le bilan énergétique.
- Citer l'influence de la différence de température des deux sources sur le coefficient de performance d'une pompe à chaleur ou d'un climatiseur.
- Distinguer un échange d'énergie par travail et par transfert thermique.
- Expliquer comment une compression ou une détente augmente ou abaisse la température d'un gaz.
- Appliquer le principe de conservation de l'énergie à une machine ditherme.
- Énoncer le second principe de la thermodynamique comme l'impossibilité d'un transfert thermique spontané d'une source froide vers une source chaude.
- Énoncer et exploiter, dans le cadre du second principe, la relation entre les énergies échangées par transferts thermiques et les températures des sources pour une machine ditherme.
- Définir, exprimer et calculer le rendement ou l'efficacité d'une machine thermique.
- Distinguer le coefficient de performance d'une machine thermique de son efficacité thermodynamique.

Les capacités du programme ne sont pas nécessairement abordées dans leur ordre de présentation.
Le modèle du "gaz parfait" n'est pas traité en tant que tel mais constitue un modèle mis en œuvre pour expliquer le lien entre une variation de pression et une variation de température lors des phases de compression ou détente d'un cycle d'une machine thermique.
On limite l'utilisation du second principe à la définition qui en est donné dans la capacité exigible correspondante. Ainsi, on s'abstient de tout développement mathématique, à partir du second principe, pour, par exemple, démontrer l'expression du rendement de Carnot.

Le concept d'entropie n'est pas évoqué.

Dans le cas d’une machine thermique, le système reçoit ou fournit du travail.

Le rendement ou l'efficacité d'une machine thermique sont définis par le rapport entre l'énergie constituant un "gain" pour l'utilisateur et celle constituant un "coût".

L’efficacité thermique est abordée qualitativement.

Le coefficient de performance prend en compte les pertes au niveau du compresseur (et il prend donc en compte les organes internes même si cela n’apparait pas dans les calculs).C’est cette donnée que l’on trouve dans les documentations « constructeurs » des pompes à chaleur. On l’aborde de façon globale en faisant le rapport de l’énergie échangée avec la source chaude (ou froide selon la machine étudiée) par l’énergie consommée par la machine thermique.

On peut utiliser un schéma de chaîne énergétique pour illustrer les notions d’efficacité ou de coefficient de performance.


Irréversibilité.

- Identifier des causes d'irréversibilité.

Cette partie sera traitée si le niveau de la classe le permet.

Flux thermique en régime permanent.
Échangeur thermique.

- Déterminer expérimentalement le flux thermique échangé par les fluides dans un échangeur liquide-liquide.
- Évaluer à partir de données expérimentales le coefficient global d'échange.

La notion de flux thermique abordée en tronc commun pour une paroi.

On peut montrer le profil des températures des deux liquides en fonctions des sens de circulations dans un échangeur tubulaire à l’aide d’une simulation numérique.

Aucune relation n'est exigible pour l’évaluation du coefficient global d’échange.

On évitera les calculs de flux thermique à partir du débit massique.

Phénomènes de transport.

- Mettre en évidence expérimentalement le phénomène de diffusion.
- Mettre en évidence expérimentalement l'influence de la température sur la diffusion.
- Mettre en évidence expérimentalement l'effet de la masse molaire moléculaire des espèces sur la diffusion.

Aucun développement théorique n'est exigible. On se contente d'une mise en évidence qualitative.

Le support de travail pourra être une vidéo illustrant la diffusion d’espèces différentes : comme le dibrome, le dioxyde d’azote.
http://www.youtube.com/watch?v=H7QsDs8ZRMI

Diagrammes binaires.
Distillation.

- Réaliser et légender le tracé d'un diagramme isobare d'équilibre liquide-vapeur d'un mélange binaire à partir des courbes d'analyse thermique et de la composition des phases liquide et gaz.
- Exploiter un diagramme isobare d'équilibre liquide-vapeur pour identifier le composé le plus volatil et reconnaître la présence d'un azéotrope.
- Déduire d'un diagramme isobare d'équilibre liquide-vapeur, la composition des premières bulles de vapeur formées.
- Prévoir la nature du distillat et du résidu d'une distillation fractionnée avec ou sans azéotrope.
- Analyser par réfractométrie la composition d'un mélange à partir d'une courbe d'étalonnage.
- Identifier les paramètres agissant sur le pouvoir séparateur des colonnes.
- Expliquer l'intérêt à réaliser une distillation sous pression réduite.
- Identifier dans un système complexe les éléments constituant la distillation.

La fraction molaire en composé le plus volatil (ou titre molaire) est à introduire. On peut aborder la notion de titre massique mais on n'exige pas le passage de l’un à l’autre.
La notion d’hétéroazéotropie est hors programme. Pour les établissements disposant de hall de génie des procédés, il est conseillé d'éviter de distiller des mélanges eau-butanol qui présentent ce phénomène.
La notion de plateau théorique d’équilibre n’est exigible dans aucune distillation.

Distillation fractionnée : on mentionne qu’au sein d’une colonne de distillation fractionnée, on effectue une suite de condensations/vaporisations. Ceci peut être illustré sur le diagramme isobare afin de montrer l’obtention d’un titre molaire dans le distillat plus élevé que pour une distillation simple.
Le théorème des moments chimiques est hors programme.
Le réfractomètre utilisé en 1ère STL (Chimie et développement durable) permet de réinvestir une méthode de mesure déjà étudiée. Il permet de déterminer la composition du liquide avec une faible quantité de produit contrairement au densimètre (qui peut être utilisé aussi).
Sans toutefois introduire la notion de plateau théorique on peut s’appuyer sur des documents (ou une expérience) qui mettent en jeu deux colonnes différentes au moins. Ceci afin de mettre en évidence que la composition du distillat obtenu est différente.
Pour les établissements disposant de hall de génie des procédés : à partir du même mélange de départ, on peut vérifier que la distillation en colonne semi-industrielle est plus performante qu’une distillation simple effectuée en laboratoire.
La distillation sous vide est simplement citée pour rappeler que les températures d’ébullition des composés à séparer seront plus faibles qu’à pression atmosphérique. On pourra alors séparer des composés thermosensibles.
Les schémas normalisés ne sont pas au programme, les différents éléments essentiels d’un dispositif de distillation industrielle (continue ou discontinue) seront nommés littéralement.

Le principe et la fonction d'une colonne, d'un bouilleur et d'un condenseur sont à connaître.


Ressources proposées
Trois ressources sont proposées dans ce document : l'une sur les échangeurs thermiques, l'autre sur les machines thermiques et enfin la troisième sur la distillation et les diagrammes binaires

Elles sont constituées de documents illustrés de questions – avec les réponses – qui peuvent aider le professeur à construire lui-même un autre questionnement ou une autre progression pour l'activité.

Ces documents ne visent pas à imposer une structure de séquence pédagogique mais à proposer des exemples d'activités qui peuvent être conduites sur un thème.
Ce sont des ressources accessibles à tous les lycées, même ceux ne disposant pas d’atelier de génie des procédés.

Certaines étapes permettent toutefois une réflexion plus poussée si le professeur dispose du matériel adapté.
Si possible, les professeurs enseignant en SPCL se rattacheront à des procédés déjà présents dans leur établissement et proposeront une démarche expérimentale.

Mais l’idée de ces ressources est de proposer une base qui soit accessible à tous (vidéos, documents). Elles ne reposent donc pas sur l’utilisation d’un procédé expérimental de grande envergure (comme un échangeur en atelier de génie des procédés) qui risquerait de ne pas être exploitable à moins de disposer du même matériel dans son propre établissement. Elles sont cependant basées sur des procédés réels.
Il appartiendra au professeur de s'inspirer des activités et des questions proposées – certaines, volontairement fermées – pour concevoir une ou des séquences de cours initiant à la démarche scientifique.

Ces documents ne sont ni des documents professeurs, ni des documents élèves.

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