CONCOURS COMMUN 2006
DES ÉCOLES DES MINES D'ALBI, ALÈS, DOUAI, NANTES
Épreuve de Physique--Chimie
(toutes filières)
Jeudi 11 mai 2006 de 08h00 à 12h00
Barème indicatif : Physique environ 2/3 - Chimie environ 1/3
Instructions générales :
Les candidats doivent vérifier que le sujet comprend : 12 pages numérotées
1/12, 2/12, 12/12
Les candidats sont invités à porter une attention particulière à la rédaction :
les copies illisibles ou
mal présentées seront pénalisées.
Les candidats colleront sur leur première feuille de composition l'étiquette à
code à barres
correspondante.
Toute application numérique ne comportant pas d'unité ne donnera pas lieu à
attribution de points.
N.B. Les deux problèmes de physique sont indépendants. Les diverses parties
peuvent être traitées
dans l'ordre choisi par le candidat. Il prendra toutefois soin de bien
numéroter les questions. Les
questions de chimie sont aussi indépendantes.
La dernière feuille est à découper et à rendre avec la copie. N'oubliez pas d'y
inscrire votre code
candidat
Autour de la voiture
NB : Si l'ensemble du sujet gravite autour de ce thème, les différents
problèmes proposés sont
néanmoins totalement indépendants et à l'intérieur de ceux-ci les différentes
parties numérotées
A- B-. .. le sont aussi.
PHYSIQUE
Problème N°1 : Etude d'un moteur à essence
Afin de simplifier le problème, on suppose que le moteur est constitué d'un
seul cylindre dont le
schéma en coupe est représenté ci--dessous :
S : soupapes d'admission
et d'échappement
B : dispositif d'allumage
P : piston mobile
Les contraintes de fabrication et d'utilisation imposent de ne pas dépasser une
pression de 50 bars
dans le cylindre. '
Dans tout le problème, les gaz, quels qu'ils soient, sont assimilés à des gaz
parfaits de rapport
y = 1,4 et R = 8,314 J.K".mol".
Les transformations seront considérées comme mécaniquement réversibles.
A--Quelgues questions préliminaires sur les moteurs thermiques
En 1824, Carnot postulait le principe suivant « Pour qu'un système décrive un
cycle moteur, il doit
nécessairement échanger de l'énergie avec au moins deux sources à des
températures
différentes. .. »
A--1 Justifier le fait qu'un cycle monotherme ne puisse être moteur.
A-2 On considère un système décrivant un cycle moteur ditherme. La machine
reçoit de la
source chaude 81, à la température T1, le transfert thermique Q1 et de la
source froide 82,
de température T2, le transfert thermique Q2.
A-2-a A quelle condition le rendement d'un tel moteur est--il maximal ? Le
définir et
l'exprimer en fonction de T1 et T2.
A-2-b- Dans quels sens s'effectuent les transferts thermiques ? Quels sont les
signes de Q1
et Q2 ? Justifier. (pour cette justification on pourra se placer dans le cas du
A-2-a)
A-3 Dans le cas où le cycle décrit n'est pas réversible :
A-3-a Exprimer la création d'entropie Sgoe'ég sur un cycle en fonction de Q1,
Q2, T1 et T2.
A-3-b Déterminer alors le rendement du moteur en fonction de T1, T2, Q1 et
Scréée
B- Le moteur à explosion
Le principe de fonctionnement est le suivant :
O --> A : Phase d'admission.
Le mélange gazeux est constitué d'air et de n'=2.10'4 mol d'essence. Il est
admis de façon isobare à
la pression PA dans le cylindre. La soupape d'admission est refermée.
Le mélange air-carburant se trouve alors dans les conditions VA = lL, PA = 1
bar, TA = 293K= 20°C
Le gaz subit alors la suite de transformations suivantes :
o A ----> B : compression adiabatique réversible. VB = VA/ 8
0 B --> C : une étincelle provoque la combustion isochore, instantanée, de
toute l'essence.
. C --> D : détente adiabatique réversible ; on donne VD = VA ;
.
D ---> A : refroidissement isochore. (la pression chute à cause de l'ouverture
du cylindre
vers l'extérieur)
A --> O : refoulement isobare des gaz vers l'extérieur à la pression PA. C'est
l'échappement.
Dans toute l'étude de ce modèle de moteur à explosion, on suppose constant le
nombre total de
males gazeuses.
B-1 Représenter l'ensemble des transformations sur un diagramme ( P, V ).
Indiquer le sens
de parcours. Commenter.
B-2 Pourquoi parle-t-on de moteur à combustion interne ?
B--3 Pourquoi parle--t-on de moteur à 4 temps '? Préciser les 4 temps.
Les étapes d'admission et de refoulement se compensent et on raisonnera donc
sur le système fermé
effectuant le « cycle » ABCD
B--4 Calculer m,, le nombre de moles de gaz initialement admis dans le cylindre.
Le mélange gazeux est assimilé à un gaz parfait de rapport y = 1,4
B-5 '
B-5--a Déterminer la pression du mélange dans l'état B.
B--5-b Déterminer la température du mélange dans l'état B.
B--5--c On devrait en réalité prendre y = 1,34. Suggérer une justification.
B-5-d Le mélange air--essence s'enflamme spontanément à 330°C, ce que l'on
souhaite
éviter Calculer le taux de compression t = VANB maximal permettant d'éviter
cet « autoallumage » entre A et B. Pour l'application numérique de cette
question -
uniquement - on prendra y = 1,34.
B-6 L'étude détaillée de la combustion sera faite dans la partie chimie de
l'épreuve. On
supposera ici TC = 2100 K. Calculer PC. Respecte-t--on la contrainte de pression
mentionnée en introduction ? En réalité la pression maximale est légèrement
inférieure.
Proposer une justification.
B-7 Calculer la température en D.
B-8
B--8-a Exprimer, en fonction de CV,... , n et des températures puis en fonction
de n, R, y et
des températures, le travail fourni par le gaz au système mécanique au cours
d'un
cycle. Le calculer. C..., représente la capacité thermique molaire à volume
constant
du mélange gazeux.
B-8-b Définir le rendement du cycle, l'exprimer en fonction des différentes
températures,
le calculer.
B--9 Le moteur effectue 2500 cycles par minute. Quelle est sa puissance ? La
calculer.
Combien le piston effectue-t--il d'allers-retours par minute ?
C-Bilan entropigue
C-1 Le refroidissement isochore DA s'effectue au contact de l'atmosphère, à la
température TA.
C-l-a Exprimer la variation d'entropie AS du gaz lors de cette transformation
en fonction
des différentes températures.
C-l-b Exprimer l'entropie échangée.
C-l-c En déduire l'entropie créée au sein du mélange gazeux, la calculer.
C-1-d Commenter le résultat : quelle est la cause d'irréversibilité '?
C-2 Y-a--t-il eu création d'entropie au sein du gaz lors des évolutions : AB,
BC et CD '? Dans
l'affirmative, quel type d'irréversibilité en est la cause '?
D- Changements d' 'tats d'un corps pur
A T = TA = 293 K, l'essence dans le mélange est sous forme vapeur et se
comporte comme un corps
pur gazeux de pression P A= 5.10"3 bar
D-1 Tracer le diagramme d'équilibre P = f(T) d'un corps pur en y indiquant le
point critique
ainsi que les différents états du corps dans les différentes parties du
diagramme.
Placer (qualitativement) le point A sur ce diagramme.
D-2 Tracer dans le diagramme de Clapeyron P = f(V) la courbe de vaporisation
d'un corps
pur. Indiquer les zones de vapeur sèche, de vapeur saturante, de liquide
pur, etc
Placer aussi sur ce diagramme le point critique.
Placer (qualitativement) le point A sur ce diagramme.
Problème N°2 : Quelques éléments de sécurité d'une voiture
A-Etude de la suspension d'un véhicule
Le véhicule étudié est modélisé par un parallélépipède, de centre de gravité G
et de masse M,
reposant sur une roue par l'intermédiaire de la suspension dont l'axe OG reste
toujours vertical.
__.)
L'ensemble est animé d'une vitesse horizontale v = v ux .
La suspension, quant à elle, est modélisée par un ressort de raideur constante
k = 1,0.105 N.m'l (de
longueur à vide lo) et un amortisseur fluide de constante d'amortissement
constante
À =4,0.103 U.S.I. La masse de l'ensemble est M = 1000 kg .
La position verticale du véhicule est repérée par 26 dans le référentiel
galiléen proposé ayant son
origine sur la ligne moyenne des déformations du sol. On note 20 la cote du
centre de la roue par
rapport au niveau moyen de la route.
fig 2 : la route est ondulée
niveau moyen de la
route
fig 1 : la route est parfaitement horixontale
L'amortissement entre M et la roue introduit une force de frottement fluide,
exercée par
l'amortisseur sur M, qui s'écrit :
.. d2o dZo
F À.( dt dt .
_)
A-I La route est parfaitement horizontale (fig 1)
A-I-l La route ne présente aucune ondulation et le véhicule n'a aucun mouvement
vertical.
Déterminer la position ZGeq de G lorsque le véhicule est au repos.
A-I--2 Suite à une impulsion soudaine, le véhicule acquiert un mouvement
d'oscillations
verticales. On cherche dans cette question à établir l'équation différentielle
caractéristique du mouvement par une méthode énergétique.
On étudie le mouvement par rapport à la position d'équilibre établie
précédemment.
On posera z = ZG --- zGeq
A-I-2-a Etablir l'expression de l'énergie potentielle de pesanteur.
A-I--2-b Etablir l'expression de l'énergie potentielle élastique.
Les énergies potentielles seront exprimées en fonction de z et à une constante
additive près.
A-I-2--c Appliquer le théorème de l'énergie cinétique à la masse et en déduire
l'équation
différentielle en z caractéristique du mouvement.
A-I--2-d Dessiner, qualitativement, les allures envisageables de la fonction
z(t). (la
résolution de l'équation différentielle n'est pas demandée)
A-II-- La route est ondulée (fig 2)
Le véhicule se déplace à vitesse horizontale constante v sur un sol ondulé.
L'ondulation est
assimilée à une sinusoïde de période spatiale L et d'amplitude A. zo peut alors
s'écrire
zo = R + Acosoet
On étudie maintenant le mouvement par rapport à la position d'équilibre établie
précédemment.
On posera z = 26 -- 2%,
Pour les applications numériques on prendra L = 1 m ; A = 10 cm
A-II-l Quelle est l'unité de ?» '?
A-II--2 Exprimer ou en fonction de v et L. Vérifier l'homogénéité du résultat.
A-II--3 En appliquant le principe fondamental de la dynamique à la masse M dans
le référentiel
terrestre supposé galiléen, établir l'équation différentielle en z régissant le
mouvement.
A-II--4 Justifier qualitativement le fait que l'on recherche la solution z(t)
de cette équation
différentielle sous une forme sinusoïdale z(t) = zmaX.cos(oet+d)).
A-II-5 Résolution par la méthode des complexes
On pose _z_ = _Z_.eÏOEÎ, réponse complexe du véhicule à l'excitation
sinusoïdale et _z_g- R= _Ae"".
Z (fifi--®) ,
A-II--5-a Montrer que Î=--------ÀÀÎ avec j le complexe tel que j = -1 puis que
l'on
-- ("'°'+J'°Wfi)
Z 1+j--® HI .
peut mettre sous la forme --Â--=TCÙ------=--= ; Exprimer alors 000, on et Q en
" 1----------+j--oe-- --2
0 QOEO
fonction de k, 7e et M.
A-II-5-b Calculer numériquement (oo, (... et Q. N'oubliez pas les unités.
A-II-5-c Donner l'expression du module en fonction de (00, on et Q.
É
A-II-6 Etude fréquentielle
On souhaite maintenant étudier l'amplitude des oscillations en fonction de la
vitesse de la
lHÿ
n__z_;
A
voiture. Pour cela on étudie donc sous la forme en fonction de w.
A-II--6--a Tracer le diagramme de Bode asymptotique relatif à%. Tracer l'allure
de %.
Remarque : on pourra tracer au préalable les diagrammes relatifs à IH_L | puis à
lflzl-
A-II-6-b oe... valeur de 00 pour laquelle l'amplitude est maximale, est de
l'ordre de
grandeur de 000. Quelle est la valeur de v correspondante ? calculer l'amplitude
des oscillations du véhicule pour m = coo .
A--II-7 Application
Dans le film « le salaire de la peur >>, Yves Montand conduit un camion (030
z25 s'1) chargé
de nitroglycérine. Il passe sur une tôle ondulée de période spatiale lm et pour
laquelle
A=lOcm. Afin d'éviter l'explosion du chargement il doit traverser la taule à
une vitesse
inférieure à 5km/h ou supérieure à 50 km/h. Justifier qualitativement ceci à
l'aide des
résultats précédents.
B- Un autre élément de sécurité : le rétroviseur
Toutes les constructions seront réalisées sur la feuille annexe à rendre avec
la copie.
Le champ d'un miroir est la portion de l'espace qu'un observateur voit dans un
miroir. Ainsi, un
rétroviseur de voiture ne permet pas au conducteur de voir une autre voiture
qui se situerait hors
de cette portion ; c'est ce que l'on appelle l'angle mort.
B-I Le rétroviseur est un miroir plan
Le rétroviseur est un miroir plan de largeur L. L'observateur place son oeil,
supposé ponctuel, en un
point A' de l'axe du miroir à une distance D de celui-ci.
B--I-1 Positionner le point A dont l'image est A' par le miroir.
B-I-2 Où se situent les points que l'observateur peut espérer voir par
réflexion dans le
miroir '? Faire apparaître cette portion d'espace sur la construction.
B-I--3 Préciser la valeur de l'angle ou qui caractérise la portion d'espace
accessible àla vision ;
c'est le champ du miroir.
B-I-4 Application numérique : calculer oc, avec L = 20 cm , D = 50 cm
B--II Le rétroviseur est un miroir sphérique convexe
Le miroir plan est remplacé par un miroir sphérique convexe, de rayon de
courbure R = 50 cm et de
même largeur L. L'oeil de l'observateur est toujours placé en A'
B-II-1 Effectuer la construction graphique du point A dont l'image est A' par
le miroir.
B-II--2 Faire apparaître le champ du miroir sur la construction.
B-II-3 Préciser la valeur de l'angle oc' qui caractérise le champ de vision.
B-II-4 Application numérique : calculer oc', avec L = 20 cm , D = 50 cm, R =
50cm
B-III Comparaison des deux dispositifs
B-III--l Comparer les champs angulaires des deux types de rétroviseur.
B-III-2 Un objet, de taille lm, est situé à une distance D' = 10 m du
rétroviseur. Faire une
construction graphique de l'image dans les deux cas. Déterminer puis calculer
les
angles apparents sous lesquels l'automobiliste voit l'objet avec les deux types
de
rétroviseur. Commenter.
B-IV Angle mort
Le motard est-il vu dans le rétroviseur de l'automobiliste '? Vous justifierez
votre réponse à l'aide
d'un tracé. Le rétroviseur est considéré comme un miroir plan, son axe étant
symbolisé par NN' sur
la figure. Les yeux du conducteur sont représentés par le point 0.
FIN DE LA PHYSIQUE
* CHIMIE
Problème N°1 : Etude de la combustion isobare du mélange air-carburant
Dans cette partie, on reprend l'étude du moteur à explosion et plus précisément
celle de l'étape BC
de combustion du mélange air-carburant
Rappel : Le mélange gazeux est constitué de n = 4.10'2 mol d'air et de n' =
2.10"4 mol d'essence et
se trouve alors dans les conditions V3 = 0,125 L ; TB = 673 K ; PB = 18,4 bar
Le gaz subit alors la transformation: B --> C: une étincelle provoque la
combustion isobare,
instantanée, de toute l'essence; cette évolution est également adiabatique pour
l'ensemble du
système réactif.
Remarque : la combustion étant en réalité isochore et non isobare, on ne s
'étonnera pas de trouver
une température T c sensiblement dfie'rente de celle proposée dans le problème
de physique.
Données : R = 8,314 J .K'l.mol'1
A 298 K csHls(-) cox) H20(-)
Les Cp,m , capacités thermiques molaires à pression constante, seront
considérées indépendantes de
la température.
Le carburant utilisé est de l'octane Cngg.
1 Ecrire et équilibrer la réaction de combustion d'une mole d'octane avec le
dioxygène de
l'air pour former C02(g) et H20(g).
2 Calculer l'enthalpie standard de cette réaction à 298K
3 Exprimer puis calculer l'enthalpie standard de cette réaction à TB
4 L'air est composé, en pourcentage molaire, de 20% de 02 et de 80% de N2 .
4-a Justifier que l'énergie thermique dégagée par la combustion de l'octane
sert a
échauffer les gaz de combustion de T3 à TC .
4--b Faire un bilan -molaire-- des espèces présentes en début puis en fin de
combustion.
4-c Justifier la phrase: « Dans toute l'étude de ce modèle de moteur à
explosion, on
suppose constant le nombre total de moles gazeuses »
4-d En déduire la température TC en fin de combustion.
Problème N°2 : Boire ou conduire
Ce problème traite de la cinétique de dégradation de l'alcool dans l'organisme
et de la détection
d'alcool dans l'air expiré. Les différentes parties sont largement
indépendantes : les 3 premières
traitant de la cinétique, la 4eme de la détection et d'oxydoréduction.
Un homme boit 66 cL d'une bière forte. L'objet des trois premières parties sera
de savoir combien
de temps il devra attendre avant de reprendre sa voiture sachant qu'en France
il n'est autorisé à
conduire que si la teneur en alcool de son sang est inférieure à 0,5 g.L'1.
La cinétique de décomposition de l'alcool se fait en deux phases et peut être
modélisée de la façon
suivante :
lÎoe phase : passage de l'alcool à travers la paroi stomacale dans le sang.
2EURmEUR phase : oxydation de l'alcool dans le sang.
Nous allons étudier successivement ces deux phases avant d'en tirer les
conclusions quant aux
conseils à donner à notre automobiliste.
1-- Passage de l'alcool à travers la paroi stomacale
La réaction peut se modéliser de la façon suivante : CH3CH20H estomac -->
CH3CH2OH sang
On adopte les conventions suivantes :
- l'estomac est considéré comme un milieu réactionnel de volume constant V1
égal pour
chaque expérience au volume d'alcool absorbé.
- on note [CH3CH2OH estomac] = C1 = CO -- x ; (Co étant la concentration
initiale, c'est à dire
au moment de l'absorption)
On réalise l'expérience suivante : un homme boit 250 mL d'un apéritif contenant
] mole d'éthanol.
On mesure la concentration C1 de l'éthanol dans l'estomac en fonction du temps.
Les résultats sont
re ° romés dans le tableau ci-dessous
___--__--
I-1 Définir la vitesse de disparition de l'alcool dans l'estomac. Cette Vitesse
sera notée v1
I--2 Montrer que V1 suit une loi cinétique d'ordre 1. Déterminer la valeur de
la constante de
vitesse k1 (sans oublier son unité !)
1--3 Le sang et les autres liquides contenus dans le corps seront considérés
comme un milieu
réactionnel unique, dénommé «sang », de volume V2 = 40 L constant pour toutes
les
expériences. Calculer la concentration C2 de l'alcool dans le sang à t = 18 min
dans le cas
où on admet qu'aucune oxydation de l'alcool ne s'est produite.
I-4 Démontrer la relation existant entre la vitesse de disparition de l'alcool
dans l'estomac et la
vitesse d'apparition, notée v, de l'alcool dans le sang en fonction de V1 et V2.
11- Oxydation de l'alcool dans le sang
On injecte directement une certaine quantité d'alcool dans le sang et on
détermine la concentration
en fonction du temps. (on suppose que l'injection est instantanée et que la
concentration de l'alcool
dans le sang est uniforme)
___--...
-----------_
II-l Définir la vitesse d'oxydation de l'alcool dans le sang. Cette vitesse
sera notée V2.
II-2 Montrer que l'oxydation suit une loi cinétique d'ordre 0, c'est à dire que
V2 = k2.
Déterminer k2 (avec son unité !)
III- Boire ou conduire
Pour déterminer le temps que la personne devra attendre avant de conduire, on
est amené à étudier
le phénomène absorption-oxydation de l'alcool dans son ensemble. On fait alors
l'hypothèse
simplificatrice que les lois de vitesse démontrées séparément restent valables.
III-1 Calculer la concentration maximale, en mol.L'l, tolérée en France de
l'alcool dans le
sang. (La masse molaire de l'éthanol vaut 46 g.mol", et le taux maximal
d'alcoolémie est
fixé à 0,5 g.L"1).
III-2 Exprimer la vitesse d'apparition de l'alcool dans le sang, dC2/dt, en
fonction des vitesses
v et V2 puis en fonction de la concentration C1 de l'alcool dans l'estomac au
temps t, des
constantes k1 et k2, des volumes V1 et V2.
III-3 En déduire que C2= COV1/V2(l- e'k1t) -- k2t.
En buvant ses 2 bières à 8% notre homme absorbe 66cL et 0,9 mole d'alcool
III--4-a Déterminer l'instant, t,..., pour lequel la concentration en éthanol
est
maximale dans le sang.
III-4-b Calculer cette concentration. Peut-il conduire ?
III--4-c Le tracé de la courbe C2 (t) a l'allure suivante :
. Cz©
tmax t
On remarquera que au delà de tmax la courbe peut s'apparenter à une droite.
Quelle est la
pente de cette droite '? En déduire le temps au bout duquel notre homme pourra
reprendre
sa voiture.
IV- Contrôle d'Alcoolémie
Environ '/2 heure après avoir été consommé, ! 'alcool parvient dans ! 'intestin
grêle où il passe dans
le sang. Le coeur propulse le sang veineux vers les poumons pour qu'il s'y
oxygène. Dans les
alvéoles pulmonaires, les échanges gazeux s 'effectuent : le sang se charge en
dioxygène et se libère
du dioxyde de carbone ainsi que d'une partie de l'alcool. Ces vapeurs sont
expirées dans l'air.
L'air alvéolaire est environ 21 00 fois moins concentré en alcool que le sang.
Dans les stations services ou en pharmacie, on peut acheter des alcootests
jetables. Ils sont
constitués d'un sachet gonflable de capacité 1L et d'un tube en verre contenant
des cristaux jaunes
de dichromate de potassium en milieu acide. Ceux-ci se colorent en vert au
contact de l'alcool.
L'automobiliste souffle dans le ballon et fait passer l'air à travers le tube.
Si la coloration verte
dépasse le trait témoin sur le tube, le seuil toléré des 0,5 g.L'1 est dépassé.
Données :
Potentiel standard:
Masse molaire: ..."
Numéro atomique : Cr Z=24 RT/F.Ln10 = 0,06 V
IV-1 Ecrire l'équation de la réaction responsable du changement de couleur
IV--2 Quelle est l'espèce oxydée '? Quelle est l'espèce réduite ?
IV-3 Calculer la constante d'équilibre de la réaction. Commenter.
(démonstration non exigée).
IV-4
IV--4--a Déterminer le nombre de moles d'alcool expiré par litre d'air dans
l'hypothèse
d'une alcoolémie de 0,5 g d'alcool par litre de sang.
lV--4-b En déduire la masse de dichromate de potassium devant être placée avant
le trait
de jauge afin que celui-ci indique le seuil limite des 0,5g d'alcool par litre
de
sang.
IV-5 A propos du chrome
IV-5-a Quels sont les nombres d'oxydation du chrome dans les espèces Cr2072' et
Cr3+ ?
IV-5-b Proposer une configuration électronique pour le chrome. Combien
possède--t-il
d'électrons de valence ?
IV-5-c Dans l'ion Cr2072", les deux atomes de chrome ont le même environnement
spatial et sont de plus reliés par l'intermédiaire d'un atome d'oxygène. On a
donc
l'enchaînement « Cr-O--Cr ». Proposer une structure de Lewis pour l'ion Cr2072'
IV-5-d En utilisant la méthode V.S.E.P.R (ou théorie de Gillepsie), proposer une
géométrie pour chaque atome de chrome de l'ion Cr2072'. Représenter son
environnement dans l'espace.
FIN DE L'EPREUVE
Les schémas proposés ne sont pas à l'échelle
!../.
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CODE CANDIDAT
IV
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FEUILLE ANNEXE A RENDRE AVEC LA COPIE
(N'oubliez pas d'inscrire votre code candidat en haut de la page)
