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Question transversaleMathsSIAsservissement et régulation

Combien de temps un four met-il pour atteindre 180 °C, et pourquoi régler une consigne plus haute ne le fait-il pas chauffer plus vite ?

À pleine puissance, un four tend vers 250 °C avec τ = 15 min, en partant de 20 °C. Il atteint 180 °C après 15 ln(230/70) ≈ 17,8 min. Mettre la consigne à 220 °C ne change rien à la montée jusqu'à 180 °C : tant que la consigne n'est pas atteinte, le four chauffe déjà au maximum.

Grand oral session 2027 : exposé de 10 minutes debout, puis 10 minutes d'échange, sans calculatrice. Plan prévu pour 9,5 min.

Pourquoi cette question : un modèle d'introduction

Le jury attend que vous expliquiez pourquoi vous avez choisi la question. Inspirez-vous de ce modèle, mais racontez votre propre parcours.

Chez moi, quelqu'un règle toujours le four plus chaud que nécessaire « pour qu'il chauffe plus vite », puis baisse la température. Je me suis demandé si cela avait un sens. En sciences de l'ingénieur, nous avons modélisé un four par un système du premier ordre avec une puissance maximale. Le calcul montre que cette habitude est inutile, et pourquoi.

L'enjeu et les notions du programme

Modéliser une montée en température par une équation différentielle, calculer un temps avec le logarithme et comprendre le rôle de la saturation.

Mathématiques

  • Équations différentielles y' = ay + b (terminale)
  • Logarithme népérien, résolution d'équations (terminale)
  • Fonctions définies par morceaux (seconde)

Sciences de l'ingénieur

  • Chaîne de puissance, saturation d'un actionneur (première, terminale)
  • Régulation de température (terminale)

Le plan de l'exposé en 9,5 min

  1. 1. Introduction

    1 min

    Un four chauffe avec une résistance de puissance maximale fixée. Sa régulation coupe ou réduit la puissance quand la consigne est atteinte. Problématique : combien de temps faut-il pour atteindre 180 °C, et le réglage de la consigne change-t-il ce temps ?

  2. 2. Mathématiques : montée à pleine puissance

    4 min

    À pleine puissance, la température vérifie T'=-frac1τ(T-T_∞), où T_∞=250 °C est la température qu'atteindrait le four s'il chauffait sans arrêt, et τ=15 min. Avec T(0)=20 °C : T(t)=250-230 e^(-t/15).

    Atteindre 180 °C : 230e^(-t/15)=70, donc t=15ln230/70≈17,8 min. Atteindre 220 °C : t=15ln230/30≈30,6 min.

    Le point clé : tant que la température est sous la consigne, la régulation commande la puissance maximale, quelle que soit la consigne. La courbe de montée jusqu'à 180 °C est donc la même avec une consigne à 180 °C ou à 220 °C. Une consigne plus haute ne fait que prolonger la chauffe au-delà de 180 °C, et il faudra ensuite attendre que le four refroidisse.

    La commande est une fonction par morceaux : pleine puissance sous la consigne, puissance réduite au-dessus.

  3. 3. SI : saturation et cahier des charges

    3 min

    La puissance est limitée par la résistance et l'installation électrique : c'est une saturation. Pour préchauffer plus vite, il faut plus de puissance (T_∞ plus élevé) ou moins d'inertie thermique (τ plus petit), par exemple avec une chaleur tournante qui homogénéise l'air.

    Les fours à « préchauffage rapide » activent plusieurs résistances à la fois pendant la montée. Le cahier des charges fixe un temps de préchauffage, que l'on vérifie avec ce modèle. Une fois la consigne atteinte, la régulation (tout ou rien ou proportionnelle) maintient la température.

  4. 4. Conclusion

    1,5 min

    Le four atteint 180 °C en 15ln230/70≈17,8 min, que la consigne soit à 180 ou à 220 °C, car il chauffe déjà au maximum. Le logarithme donne le temps, la saturation explique pourquoi l'astuce ne marche pas. J'ouvre sur les plaques à induction, dont la constante de temps très faible change l'expérience de cuisson.

Ce que j'écris au tableau

Pas de calculatrice ni de support numérique : un calcul clé écrit au tableau rend l'exposé concret et montre la solidité des connaissances.

T(t)=250-230 e^(-t/15) T=180⇔ t=15ln230/70≈17,8 min
T=220⇔ t=15ln230/30≈30,6 min commande = P_max T< consigne ; réduite T≥ consigne

Conclusion : la réponse à la question

Une consigne plus haute ne fait pas chauffer plus vite un système déjà saturé. Une équation différentielle, un logarithme et une fonction par morceaux suffisent à le démontrer.

Les questions probables du jury

Pendant les 10 minutesd'échange, le jury vous fait préciser et approfondir, sur tout le programme de vos spécialités en lien avec la question.

Résolvez 230 e^(−t/15) = 70.

e^(-t/15)=7/23, t=15ln23/7≈17,8 min.

Pourquoi atteindre 220 °C prend-il beaucoup plus longtemps ?

On s'approche de l'asymptote 250 °C : la montée ralentit à mesure que l'écart diminue.

Que faudrait-il pour chauffer plus vite ?

Plus de puissance ou moins d'inertie thermique.

Le four peut-il dépasser 250 °C ?

Non dans ce modèle : c'est la température d'équilibre à pleine puissance.

Qu'est-ce qu'une saturation ?

Le fait qu'un actionneur ne puisse pas fournir plus que sa valeur maximale, quelle que soit la commande.

Les pièges qui coûtent des points

  • Croire que la consigne change la vitesse de montée d'un système saturé.
  • Prendre la consigne comme température limite dans l'exponentielle.
  • Oublier la température initiale.

Revoir les notions

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