Mines Physique et Chimie toutes filières 2003

Thème de l'épreuve Circuit RL, satellites, thermodynamique. L'élément oxygène.
Principaux outils utilisés électrocinétique, second principe de la thermodynamique, problème à deux corps, atomistique, cinétique chimique, dosage
Mots clefs analyse dimensionnelle, impédance complexe, filtre passe-bas, fonction de transfert, diagramme de Bode, montage suiveur, loi de Kirchhoff, loi de Kepler, satellite, énergie potentielle efficace, force centrale, condition de réversibilité, méthode de Winkler, ozone, cFC, oxygène

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CONCOURS COMMUN 2003 DES ÉCOLES DES MINES D'ALBI, ALÈS, DOUAI, NANTES Épreuve de Physique Chimie (toutes filières) Mercredi 21 mai 2003 de 08h00 à 12h00 Barème indicatif : Physique environ 2/3 -- Chimie environ 1/3 Instructions générales : Les candidats doivent vérifier que le sujet comprend : 14 pages numérotées 1/14, 2/14, ...14/14 La dernière page (feuille annexe) est à découper et à joindre à la copie. Les candidats sont invités à porter une attention particulière a 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 l'attribution de points. Partie A : Étude de quelques montages Une bobine réelle est un dipôle constitué par enroulement cylindrique d'un fil électrique. Elle est caractérisée par son autoinductance L et sa résistance interne r. La bobine est dite parfaite si sa résistance interne est négligeable. A.]. Donner la relation entre le courant i qui traverse une bobine parfaite et la tension u--L à ses homes (on précisera à l'aide d'un schéma les conventions d'orientation adoptées pour i et uL). Les valeurs usuelles des inductances rencontrées s'échelonnent de quelques henrys à quelques millihenrys. ' A.2. On se propose d'étudier la réponse d'un circuit (RL) à une tension en créneaux délivrée par un générateur basse fréquence (G.B.F.).' Le circuit représenté sur la figure 1 comporte une bobine parfaite d'inductance L, une résistance R et un G.B.F. délivrant une tension en créneaux u représentée sur la figure 2. Figure 1 O "PQ T 3sz 2T 5T!2 % Figure 2 A.2.1. On définit la constante de temps 1:, exprimée en secondes, du circuit (RL) par une relation du type "C = L°'.RB où oc et B sont deux constantes réelles. Par analyse dimensionnelle rapide, déterminer la valeur des exposants ou et B (on raisonnera à partir des caractéristiques entre u et i). A.2.2. Pour 0 S t < -- , établir l'equat10n d1fferent1elle regrssant les var1aüons de l 1ntens1te 1 dans le 2 circuit. L'intégrer en justifiant soigneusement la détermination de la (des) constante(s) d'intégra- tion. En déduire l'expression de uL(t). Tracer l'allure des courbes représentatives de i(t) et de uL(t) en précisant les valeurs vers lesquelles ces fonctions tendent en régime permanent, ainsi que les pentes des tangentes à l'origine. A.2.3. Déterminer complètement l'expression de i(t) et de uL(t) pour Î-- S t < T . 2 A.2.4. Le G.B.F. est réglé sur la fréquence f = 1,0 kHz, la bobine a pour inductance L= 1,0H et R= 1,0.103 Q. Comparer la période T de la tension délivrée par le G.B.F. et la constante de temps t du circuit. Tracer qualitativement l'évolution des graphes de i(t) et uL(t) sur quelques périodes. A.3. Dans le circuit de la figure 1, le G.B.F . est à présent en mode sinusoïdal. En utilisant les analogies transitoire-alternatif écrire, à partir de l'équation différentielle établie en A.2.2., la loi d'Ohm complexe liant les amplitudes complexes _l_]_ et [ respectivement de la tension aux bornes du dipôle AB et de l'intensité du courant le traversant. En déduire l'impédance complexe _Z_ du dipôle AB. A.4. On s'intéresse au quadripôle de la figure 3, constitué de deux cellules (RL) enchaînées, alimenté par une tension sinusoïdale de pulsation oe. L:: O «fifi-""' ...-"=: ..:---- L % dll---- "= \\\\ È'--s\\\* Figure3 A.4.1. En étudiant le comportement asymptotique du quadripôle aux hautes et basses fréquences, préciser la nature du filtre ainsi constitué. A.4.2. Déterminer la fonction de transfert _11 ( jx) de ce quadripôle en fonction de X = --L2 , après R avoir précisé la dimension de X. A.4.3. Tracer le diagramme de Bode asymptotique de ce filtre, en le justifiant. Tracer ensuite, sur les mêmes graphes, l'allure des courbes réelles gdB = f(log X), où gdB désigne le gain en décibel, et (p = f(log X) où (p désigne l'argument de la fonction de transfert. A.4.4. Comment modifier le montage pour obtenir un filtre dont la fonction de transfert s'écrirait comme le carré de la fonction de transfert d'un filtre (RL) ? FIN DE LA PARTIE A Partie B : Étude du mouvement de satellites Pour cette partie, vous aurez à compléter, et à rendre avec la copie, la feuille annexe se trouvant enfin de sujet La Terre possède un seul satellite naturel : la Lune. De nombreux satellites artificiels sont par ailleurs placés en orbite autour de la Terre, dans des buts variés tels que les télécommunications, la météorologie, la défense. . . Cette partie se propose d'étudier quelques caractéristiques du mouvement des satellites terrestres. Dans cette partie, on désignera par MT et RT respectivement la masse et le rayon de la Terre. On donne RT = 6370 km, MT = 5,98.1024 kg. On rappelle que la constante de gravitation universelle a pour valeur G = 6,67.10'11 N.m2.lçg'2 . B.]. Mouvement de la Lune autour de la Terre On précise que cette question ne nécessite aucune connaissance préalable d'astronomie. B.1.1. Le centre L de la Lune décrit, de manière uniforme, autour de la Terre, une orbite circulaire de centre T telle qu'en un jour le segment [TL] balaie un angle de 0,230 radian. B.1.1.a. Déterminer, en jours, la période TL de ce mouvement circulaire de la Lune autour de la Terre. B.1.l.b. Sachant que le rayon RTL de l'orbite circulaire décrite par la Lune est de 3,84.105 km, en déduire la valeur de la masse de la Terre (on justifiera la réponse). Le résultat est--il cohérent avec les données ? '- B.1.2. On sait que la Lune, dans son mouvement autour de la Terre, nous présente toujours la même face. En déduire les caractéristiques du mouvement propre de la Lune. B.1.3.a. Le schéma (1) de la feuille annexe représente les différentes phases de la Lune. On dit que la Lune est nouvelle lorsque la face qu'elle présente à la Terre n'est pas éclairée. Identifier la nouvelle Lune sur ce schéma, et préciser comment elle est alors vue depuis la Terre. B.1.3.b. Le cycle des phases de la Lune, appelé lunaison, dure TN = 29,5 jours. Pour expliquer la différence entre cette durée, et la période du mouvement circulaire de la Lune autour de la Terre, on doit prendre en compte le mouvement de la Terre autour du Soleil. Sur le schéma (II) de la feuille annexe, dessiner les positions de la Lune lors des nouvelles lunes successives à t et t + TN. Dessiner aussi la position de la lune à la date t + TL. Sachant que la Terre est en orbite circulaire de période TT = 365 jours autour du Soleil, retrouver la valeur de TN = 29,5 jours pour la lunaison. B.2. Quelques aspects de la satellisation En l'absence de précision explicite, on négligera tout frottement dû à l'atmosphère sur le satellite. B.2.1. On s'intéresse à un satellite artificiel, de masse m, en orbite circulaire de rayon R autour de la Terre. B.2.l.a. Montrer que le mouvement du satellite autour de la Terre est uniforme, et exprimer littéralement la vitesse vo. On exprimera d'abord vo en fonction de G, MT et R, puis en fonction de go, RT et R, où go désigne l'intensité du champ de pesanteur terrestre à la surface de la Terre. B.2.l.b. Le satellite SPOT (Satellite sPécialisé dans l'Observation de la Terre) est en orbite circulaire à l'altitude h =' 832 km au--dessus de la Terre. Calculer numériquement la vitesse vo de SPOT sur son orbite. B.2.2. La vitesse de libération v1 d'un satellite est la plus petite vitesse qu'il faut lui communiquer à la surface de la Terre pour qu'il aille à l'infini (en « se libérant » de l'attraction terrestre). Exprimer vl en fonction de G, MT et'RT et calculer sa valeur. B.2.3. Dans le cas d'une orbite circulaire du satellite autour de la Terre, montrer que l'énergie mécanique E... du satellite est liée à son énergie cinétique Ec par : E... = - EC. Si l'on tient à présent compte de la force de frottement de l'atmosphère sur le satellite, en déduire, en le justifiant, son effet sur la vitesse du satellite. B.2.4. Pour un satellite de masse m en mouvement (quelconque) autour de la Terre, et uniquement soumis à la force gravitationnelle terrestre, l'énergie mécanique peut s'écrire de la même façon que celle d'un point matériel en mouvement rectiligne placé dans un potentiel effectif Ugff(Ï) dont la courbe représentative est donnée sur la figure 4 : 2 E = lm(9Ï] + U 817 (r) avec r la distance du satellite au centre de la Terre. 2 dt EUR (5) (4) (3) (2) (1) Figure 4 Après avoir justifié que l'énergie mécanique E du satellite est une constante de son mouvement, préciser, pour chacune des valeurs de E (notées de (l) à (S)) représentées sur la figure 4, la nature de la trajectoire du satellite et celle de son état, lié ou de diffusion. FIN DE LA PARTIE B Partie C : Étude de quelques phénomènes irréversibles Dans cette partie, les questions C.1., C.2. et C.3. sont indépendantes. C.1. Préliminaire Définir ce qu'est une transformation réversible. Donner deux exemples de phénomènes à l'origine de l'irréversibilité d'une transformation. C.2. Illustration du principe d'entropie maximale Deux cylindres de même section S, contenant deux gaz qui peuvent être différents, sont fermés par deux pistons étanches. Ces deux pistons sont solidaires en ce sens que leurs axes restent verticaux et sont attachés aux bras d'un levier dont le point fixe est deux fois plus près du premier cylindre que du second, comme indiqué sur la figure 5. Les deux cylindres reposent sur une table qui conduit la chaleur (une table métallique) et a pour seul effet de permettre les échanges de chaleur entre les deux systèmes, c'est-à-dire entre les gaz contenus dans les deux cylindres. Le système complet formé par ces deux cylindres est isolé et n'est pas soumis à une pression extérieure. Les capacités thermiques des cylindres et de la table sont négligeables. 23 Cylindre 2 l'dl _?ÆË... W # ;: ... .. Èf? Figure 5 C.2.1. Déterminer la relation imposée par la présence du levier sur les variations de volumes dV1 et dV2 des deux cylindres. C.2.2. Écrire l'expression de la variation infinitésimale (18 du système complet formé par les deux cylindres en fonction des températures T1 et T2 des gaz contenus dans les deux cylindres, des pressions P1 et P2 qui règnent dans les deux cylindres et des seules variations dV1 (variation de volume du gaz contenu dans le cylindre 1) et dU1 (variation de l'énergie interne du gaz contenu dans le cylindre 1). C.2.3. Que vaut dS lorsque le système complet est à l'équilibre '? En déduire la relation entre les températures T1 et T2, puis celle entre les pressions P1 et P2 des gaz dans les cylindres 1 et 2 lorsque l'équilibre est atteint. C.3. Échauffement d'un solide On considère un solide de masse m = 1,0 kg, de capacité thermique massique c = 10 J .kg'l.K'l, se trouvant initialement à la température T1 = 273 K, placé dans une grande quantité d'eau (constituant un thermostat) à la température T2 = 373 K. C.3.]. Lorsque l'équilibre thermodynamique est atteint : - quelle est la température du solide ? - quelle est la température du thermostat ? C.3.2. Déterminer la variation d'entropie AS...ide du solide lors de ce processus, en fonction de m, c, T1 et T2 ; puis faites l'application numérique. C.3.3. Déterminer la variation d'entropie AS... de l'eau lors de ce processus, en fonction de m, c, T1 et T2 ; puis faites l'application numérique. C.3.4. En déduire la variation de l'entropie de l'univers ASunivm, constitué par l'ensemble {solide + thermostat}, lors de ce processus ; puis faites l'application numérique. Commentez votre résultat. C.3.5. On découpe le processus précédent en une infinité de petits processus au cours desquels on élève la température du solide de T à T + AT (avec AT << T) par contact avec une infinité de thermostats de températures infiniment proches les unes des autres. Montrer que, pour une étape intermédiaire, on peut écrire : ASUÏIÏVQÏS : mc ln 1+£ _ AT . T T + AT , , .. AT . . En developpant ce resultat au deux1eme ordre en ---- , montrer que AS...VEURrs est proportmnnelle a T T température AT entre deux thermostats successifs tend vers zéro. 2 AT , . , , . . . . . . . (-----) . En dedu1re que ce processus peut etre rendu rever31ble a la 11m1te ou la variation de On rappelle que, lorsque x << 1 : x2 Olnl+x zx------. ( ) 2 .(l+x)n z1+nx+sz. 2 FIN DE LA PARTIE C Partie D : Chimie, autour de l'élément oxygène L'oxygène est un élément d'une énorme importance, tant biologique qu'industrielle (respiration, combustions ...). C'est, par ailleurs, l'élément le plus abondant (49,5 % en masse) dans l'écorce terrestre. Cette partie s'intéresse donc à l'élément, à diverses molécules et à diverses réactions dans lesquelles il intervient. Chimie structurale D.1.1. Donner la structure électronique de l'atome 120 dans son état fondamental. D.1.2. L'oxygène existe sous la forme de trois isotopes de nombre de masse respectifs 16, 17 et 18. Après avoir rappelé la définition du terme «isotope >>, préciser la composition du noyau de chacun des isotopes de l'oxygène. D.1.3. Le plus important des corps purs simples formés avec l'oxygène est le dioxygène 02. Proposer une formule de Lewis pour la molécule de dioxygène. L'ozone 03 est un gaz se caractérisant par son odeur forte (ozone, du grec azein : sentir). Proposez une formule de Lewis pour cette molécule et préciser la géométrie de la molécule (on précise que la molécule d'ozone n'est pas cyclique). D.1.4. L'eau HZO et l'eau oxygénée, ou peroxyde d'hydrogène, H202 sont deux molécules contenant l'élément oxygène. Proposer une formule de Lewis pour ces deux molécules. Une expérience amusante consiste à faire dévier de sa trajectoire un mince filet d'eau à l'aide d'une règle électrisée. Comment interpréter simplement cette expérience '? Solutions agueuses Dosage du dioxygène par la méthode de Winkler L'eau contient en permanence du dioxygène dissous ; ce dernier y est consommé à la fois par les systèmes chimiques et biologiques qui s'y trouvent. Le dosage du dioxygène dissous dans une eau donnée permet de déterminer sa qualité : une concentration en dioxygène trop faible est en effet signe de pollution. La méthode de Winkler, présentée ici, est une méthode de dosage en retour, par iodométrie, du dioxygène dissous en solution aqueuse. 1°"étape : On place, dans un grand cristallisoir, destiné à récupérer l'excès de produits introduits, un erlenmeyer de 250 mL rempli à ras bord de l'eau à analyser. On introduit également un barreau magnétique. , On ajoute 1,0 g de soude (ou hydroxyde de sodium) NaOH et 1,4 g de chlorure de manganèse solide MHC12(S). On bouche alors rapidement l'erlenmeyer en veillant à ne pas y emprisonner d'air, et on agite le mélange pendant 30 minutes environ. D.2.1. Écrire l'équation traduisant la précipitation des ions Mn2+, provenant du chlorure de manganèse, et des ions hydroxyde HO', provenant de la soude, en hydroxyde de manganèse (II). Le produit de solubilité correspondant vaut Ks = 2. 10'13 . Montrer que les ions hydroxyde sont en excès par rapport aux ions manganèse (II) et calculer le pH de début de précipitation en supposant une concentration initiale en ions manganèse de 5,0.10'2 mol.L'l. Cette réaction peut être considérée comme quantitative, le manganèse au degré d'oxydation (Il) est alors présent exclusivement sous forme de son hydroxyde. ème : 2 etape : Le dioxygène présent dans l'eau oxyde alors Mn(OH)2(S) en Mn(OH)3(S) selon la réaction quantitative d'équation, notée (l) : 4 Mn(OH)2(S) + O2(aq) + 2 H20 9 4 Mn(OH)3(S) (1) Ceci se traduit par l'apparition d'un précipité brun dans l'erlenmeyer. D.2.2. Quel est le degré d'oxydation (ou nombre d'oxydation) de Mn dans Mn(OH)2(S) et Mn(OH)3(S) ? Pourquoi a-t-on pris soin de boucher rapidement, et sans emprisonner d'air, l'erlenmeyer après avoir...ajouté la soude et le chlorure de manganèse (Il) ? D.2.3. Le but de la manipulation étant le dosage du dioxygène dissous, quel composé, de Mn(OH)Z® et de Oz(aq), doit être en excès ? On supposera cette condition réalisée pour le dosage de l'exercice. 3°'"°étape : On ouvre alors l'erlenmeyer, et on ajoute rapidement de l'acide sulfurique concentré. Ceci a pour effet de rendre la solution acide et de dissoudre les hydroxydes du manganèse selon les réactions quantitatives et rapides suivantes : Mn(OH)3(S) formé + 3 I'I+ % Mn3+ + 3 H20 (2) Mn(OH)2(S) + 2 H+ % Mn2+ + 2 H20 (3) On admet qu'au pH où se trouve à présent la solution, le dioxygène dissous ne peut plus oxyder le manganèse au degré d'oxydation (Il). D.2.4. Pourquoi l'ajout d'acide sulfurique doit--il être rapide ? Est-il nécessaire de reboucher l'erlenmeyer après cet ajout ? 4ème ' etape : On ajoute alors 3 g de iodure de potassium KI(S). D.2.5. Écrire l'équation, notée (4), traduisant la réaction d'oxydoréduction se produisant entre les ions iodure I' et les ions manganèse (III) Mn3+. Calculer sa constante d'équilibre. Cette réaction est- elle quantitative '? 5èmeétape: On pipette alors exactement V0 = 50,0 mL de cette solution que l'on dose par une solution de thiosulfate de sodium de concentration C = 1,0.10'2 mol.L"', en présence d'empois d'amidon. Soit Ve le volume à l'équivalence. D.2.6. Écrire l'équation, notée (5), traduisant cette réaction de dosage. À quoi sert l'empois d'amidon ajouté ? D.2.7. En utilisant les équations redox écrites, déterminer la relation entre la concentration initiale en oxygène dissous dans cette eau, [O2(aq)], le volume équivalent Ve, le volume pipetté Vo et la concentration en thiosulfate de sodium C. D.2.8. On obtient un volume équivalent V6 = 11,0 mL. Déterminer la concentration en dioxygène dissous dans cette eau. Qualifier l'eau dosée d'après le tableau présenté ci-après. Classement Eau Eau potable Eau Eau médiocre d'excellente industrielle qualité Usages Tous usages Industrie alimentaire, Irrigation Navigation, souhaitables abreuvage des animaux, refroidissement. ' isciculture, bai. nade. 02 dissous en >7 5à7 3à5 <3 m_.L'1 D.2.9. En considérant les équations redox écrites, trouver la relation bilan entre O2 et I'. Quel est donc le rôle des ions Mn3+ ? Données : Masses molaires (en g.mol'l) : NaOH : 40 MnCl2: 126 O2: 32 Couples redox : Mn"/ Mn2+ 12 /1' s4oô2' / s2032'. Potentiels standards d'oxydoréduction : Mn'+/ Mm2+ E1° = 1,51 v I2 / I' E2° = 1,23 V %=0,06 àT=298K Cinétique chimique Décomposition de l'ozone atmosphérique L'air atmosphérique est un mélange de gaz dont les constituants essentiels sont le diazote et le dioxygène. À ces deux constituants s'ajoutent en quantités variables, mais faibles, d'autres gaz dont l'ozone 03. Cet ozone forme une fine couche protectrice permettant de filtrer des rayonnements nocifs arrivant sur Terre. Le but de cette partie est d'étudier le mécanisme de la décomposition de l'ozone, et l'influence des chlorofluorocarbures (C.F.C.) sur cette décomposition (qui mène au problème actuel du « trou » dans la couche d'ozone). D.3.1. L'ozone est thermodynamiquement instable par rapport au dioxygène. Il peut se décomposer, en l'absence de catalyseur, suivant la réaction très lente : 2 Ûa(g) 9 3 02(g) pour laquelle on peut proposer le mécanisme suivant : k1 O3.:: 02 + °O' k...1 o,+°0°--îà--+zo, D.3.l.a. Rappeler la définition d'un intermédiaire réactionnel. Illustrez votre définition d'un exemple tiré du mécanisme précédent. D.3.l.b. Déterminer la loi de vitesse de la réaction précédente en fonction de [03], [02] et des constantes de vitesse. On appliquera pour cela le principe de Bodenstein, ou des états quasi- stationnaires. D.3.1.c. On dit que le dioxygène joue le rôle d'inhibiteur de cette réaction. Justifier cette affirmation. D.3.2. Il y a une petite vingtaine d'années, on a commencé à soupçonner les C.F.C. d'accroître cette destruction de l'ozone atmosphérique. En effet, la vitesse de décomposition de l'ozone est fortement accrue en présence de dichlore. Le mécanisme proposé est le mécanisme de réaction en chaîne suivant : C1, + 0, -À-> ClO' + (310; (l) c10; + @, --kz--+ (310, + 0, (2) (310, + 0, --'fâ--+ 010; + 2 o, (3) (310; + 010; --k4--+ C1, + 3 o, (4) (Le radical ClO' formé dans (1) se détruit sans participer à la propagation de la chaîne). D.3.2.a. Rappeler les différentes étapes, ainsi que leur signification, que comporte un mécanisme de réaction en chaîne. Identifiez-les dans le mécanisme ici proposé. D.3.2.b. La loi de vitesse obtenue à partir de ce mécanisme peut s'écrire : k v = ,/Ê: k3 [0121"2[031". Justifier alors le rôle catalytique du dichlore dans la décomposition de l'ozone. D.3.2.c. On définit la longueur moyenne de chaîne, notée !, par : l _ vitesse globale de décomposition de 03 _ vitesse d' initiation Déterminer l'expression de l en fonction de [03], [Cl2] et des ki (i = 1, 2, 3 ou 4). Quelle est l'influence de [Clz] sur cette longueur de chaîne '? D.3.2.d. Montrer, en utilisant la relation du 3.2.b., que la réaction globale obéit à la loi d'Arrhénius. En déduire l'expression de son énergie d'activation en fonction des énergies d'activation des différentes étapes. FIN DE LA PARTIE D FIN DE L'EPREUVE FEUILLE ANNEXE A RENDRE AVEC LA COPIE La feuille est à joindre avec la copie ( ! N'oubliez pas d'inscrire votre code candidat en bas dela page !) Rayo ns du Soleil Denver quartier ----------------+ ...e... ___--"_" F »- " .-- \ \ ___-_-- ' ! ___--___-- '|* | \ l' .. f ,. ? .... '. l \ |' \ .' ----------------F \ '__ H"--._'_ 5 F_ædææJ .... __ ( â_- Pnemierqüarfier Schéma (I) ; \\ _ Positi on de la Terme à la date t+TN Position de la Terre à la date t Schéma (11) Code candidat : ....

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 Mines Physique et Chimie toutes filières -- Corrigé Ce corrigé est proposé par Aurélien Fraisse (ENS Cachan) et François-Xavier Coudert (ENS Ulm) ; il a été relu par Jean-Julien Fleck (ENS Ulm), Jérémie Mercier (ENS Lyon), Arnaud Gossart (Professeur en CPGE) et Mickaël Profeta (ENS Cachan). Ce sujet se compose de quatre parties indépendantes couvrant les aspects les plus importants du programme de première année : · La première partie consiste en une étude simple d'une cellule RL puis de l'association en cascade de deux telles cellules. Cette partie est une application directe du cours, sans raisonnement ou calcul délicat. Seule la dernière question invite à une réflexion plus poussée mais qui reste tout à fait abordable. · La deuxième a pour objectif de faire retrouver au candidat les caractéristiques essentielles du mouvement des satellites autour de la Terre. Il s'agit également d'un exercice d'une difficulté abordable, avec une dernière question faisant appel à une réflexion originale à partir de la notion d'énergie potentielle efficace. · La troisième consiste en une étude thermodynamique de phénomènes irréversibles sous forme de deux petits exercices. Après avoir illustré le principe d'entropie maximale, ce sujet permet de trouver comment chauffer réversiblement un solide. Cette partie demande un peu plus de réflexion et de calculs que les précédentes, mais elle est construite de telle sorte qu'une erreur se voit très rapidement. · La quatrième partie traite de la chimie de l'élément oxygène. Après avoir établi les formules de Lewis de quelques composés oxygénés courants, dont le dioxygène, elle propose l'étude d'un titrage du dioxygène dissous en solution aqueuse. Le protocole de titrage est relativement complexe, et chaque étape en est détaillée. Enfin, le sujet aborde le problème de la décomposition radicalaire de l'ozone. On étudie sa cinétique, ainsi que l'effet catalytique des CFC (soupçonnés d'agrandir le trou de la couche d'ozone). Indications A.2.2 Pour calculer la (les) valeur(s) de la (des) constante(s) d'intégration, penser au fait que l'énergie, en particulier celle emmagasinée par la bobine, est nécessairement une fonction continue du temps. A.4.1 Pour retrouver le comportement des éléments du circuit à hautes et basses fréquences, penser à utiliser l'impédance complexe de chaque composant. A.4.2 En général, on ne peut pas multiplier les fonctions de transfert de quadripoles montés en cascade. Préférer l'utilisation des théorèmes généraux pour calculer H (j x). A.4.4 Pour le montage demandé, penser à utiliser un montage à amplificateurs opérationnels. B.1.1.b Pour calculer la masse de la Terre, penser à la troisième loi de Kepler, dont on redémontrera l'expression. B.2.1.a Il est pratique de se placer dans la base de Frenet pour étudier les caractéristiques du mouvement du satellite. B.2.2 Montrer que calculer la vitesse de libération du satellite revient à trouver une condition pour que son énergie mécanique totale soit positive. B.2.3 Pour établir la relation littérale demandée, penser au fait que le mouvement étant circulaire, les résultats de la question B.2.1.a s'appliquent. B.2.4 Compte tenu de la courbe donnée, de la définition de l'énergie totale et de la contrainte imposée par l'existence du carré dans cette définition, rechercher l'ensemble des valeurs accessibles de r et de dr/dt , et en déduire la nature du mouvement, en se souvenant que l'on se trouve dans le cas d'une force unique, centrale et en 1/r2 s'appliquant au système. C.2.1 Penser à orienter les angles et les longueurs pour éviter les problèmes de signes ! C.2.2 L'utilisation de l'identité thermodynamique donne rapidement la formule demandée. C.3.4 Attention : la transformation n'est pas réversible. On peut toutefois se rappeller que l'identité thermodynamique est, elle, valable dans tous les cas. C.3.5 On peut habilement utiliser les résultats de la question C.3.4 pour établir rapidement la relation demandée. D.1.3 La formule de Lewis de la molécule d'ozone respecte la règle de l'octet, mais elle comporte des charges formelles. D.1.4 La molécule d'eau est un dipôle. D.2.6 L'empois d'amidon forme un complexe bleu sombre avec le diiode. D.3.1.b Le principe de Bodenstein s'applique à · O· , et s'écrit d[· O· ] =0 dt D.3.2.d Les actes chimiques élémentaires (comme les étapes d'un mécanisme) sont supposés suivre chacun une loi d'Arrhénius. A. Étude de quelques montages A.1 Pour étudier la bobine de ce circuit, on se place dans la convention récepteur, c'est-à-dire que le courant traversant la bobine et la tension aux bornes de celle-ci sont pris en sens opposé comme indiqué sur la figure ci-contre. Avec cette convention, la relation entre uL et i est uL = L i uL di dt Dans le cas où l'on tient compte d'une résistance r non nulle pour la bobine (ce qui revient à ajouter une résistance r en série avec l'inductance parfaite), la relation s'écrit simplement uL = L di +ri dt di A.2.1 D'après la question A.1, on a uL = L . En utilisant les équations aux dt dimensions, on a donc [U] = [L] [I] [T]-1 où U désigne une tension, L une inductance, T un temps et I une intensité. En outre, la loi d'Ohm donne, concernant les dimensions, [U] = [R] [I] R désignant une résistance. En combinant ces deux équations, on obtient [L] [T]-1 = [R] Ainsi, = LR -1 soit =1 = -1 A.2.2 Représentons le circuit étudié : uR i U GBF R L uL Avec les notations du schéma, la loi des mailles donne uL + uR = U. Or uR = R i (loi d'Ohm) et avec la question A.1, il vient di + Ri = U dt Comme pour 0 6 t < T/2, U = E, l'équation cherchée est L L di + Ri = E dt Une solution particulière de cette équation est i = E/R puisque E est constante. De plus, l'équation sans second membre associée à cette équation différentielle s'écrit di L + Ri = 0 dt Rt t qui a pour solution i(t) = I0 exp - = I0 exp - L où I0 est une constante que l'on va déterminer. La solution de l'équation complète est donc t E i(t) = I0 exp - + R À t = 0, on met en route l'alimentation (GBF) ; ainsi, auparavant, i = 0. Or, le circuit contient une bobine dont l'énergie emmagasinée est E = L i2 /2. L'énergie devant être une quantité variant continûment, il y a continuité de l'intensité dans la bobine et donc dans le circuit puisqu'il s'agit d'un circuit série. Ainsi, i(t = 0) = 0 En injectant cette condition dans la solution de l'équation complète, il vient E E I0 + = 0 soit I0 = - R R E t d'où i(t) = 1 - exp - R Rappelons que seule la solution de l'équation complète vérifie les conditions initiales. C'est donc d'elle et d'elle seule qu'il faut se servir pour calculer la constante d'intégration. di dt LE t t exp - = E exp - uL = R D'après la question A.1 d'où uL = L Le régime permanent est atteint pour t où l'on a i(t) --- t E R et uL (t) --- 0 t Les pentes des tangentes à l'origine sont, pour i(t) et uL (t), di(t) E E (t = 0) = = dt R L et duL (t) E (t = 0) = - dt