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 est donnée ci-dessous :

$C_6H_{10}O_5$ + 6 $O_2$ –> 6 $CO_2$ + 5 $H_2O$

1.1. Recopier les phrases ci-dessous en choisissant à chaque double propositions « …/… » le terme adapté.

Dans l'équation de la réaction, $C_6H_{10}O_5$ et $O_2$ sont les formules chimiques des « réactifs / produits ». « La molécule / l'atome » $O_2$ est composé (e) de deux « molécules / atomes » d'oxygène.

1.2. 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 heure.

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.

Extrait du catalogue
- bois de chêne fraîchement coupé 60 % d'humidité
- bois de parquet de charme traité 20 % d'humidité
- bois de sapin 20 % d'humidité

3.1. 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.

3.2. 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.

Document 2: 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 phrase de risque suivants.

Document 3: Caractéristiques des différentes essences de bois à 20 % d'humidité.

1.1 Dans l'équation de la réaction, $C_6H_{10}O_5$ et $O_2$ sont les formules chimiques des réactifs. La molécule $O_2$ est composé (e) de deux atomes d'oxygène.

1.2 Lors de la combustion de la cellulose dans le dioxygène, le dioxygène est consommé, car c'est un réactif.

S'il n'y a pas de réactif, la réaction chimique ne peut pas avoir lieu.

Il faut donc apporter constamment du dioxygène (6 molécules de dioxygène pour 1 de cellulose) pour que la réaction se déroule correctement.

Le dioxygène provient de l'air qui en contient environ 20 %.

E en kWh E = 13 000 kWh

P en kW P = 10 kW

t en h

donc

$t = \frac{E}{P} = \frac{13000}{10}$ = 1300 h

La durée de fonctionnement est de 1 300 h

3.1. L'énergie libérée diminue lorsque l'humidité augmente.

3.2. On peut éliminer le parquet de charme traité, car l'insecticide utilisé est nocif. Il peut y avoir un dégagement de vapeurs nocives lors de la combustion.

A 20 % d'humidité le chêne est un meilleur choix par rapport au sapin, car il libère plus d'énergie que le sapin pour la même masse de bois : 15 020 kJ par rapport à 12 720 kJ.

Malheureusement le catalogue ne permet pas de se fournir en chêne avec un pourcentage d'humidité de 20 %.

On remarque que l'énergie libérée est divisée par quand on passe de 20 % à 60 % d'humidité. Le chêne à 60 % d'humidité ne devrait pas fournir 15 020 kJ mais plutôt environ .

Le sapin est donc le meilleur choix.