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  • 8/9/2019 06-epr

    1/8

    Concours National Commun Session 2006 Filiere MP

    Lepreuve est composee de deux problemes independants et peuvent etre traites dans un ordre

    quelconque. Dans les applications numeriques, qui ne doivent pas etre negligees, une attentionparticuliere sera pretee au nombre de chiffres a utiliser pour afficher les resultats. Ce nombre, quidepend en general du niveau de precision recherche, ne doit en aucun cas depasser le nombre dechiffres significatifs permis par les donnees. La valeur numerique de toute grandeur physique doitetre accompagnee de son unite dans le systeme international des unites (SI).

    Si, au cours de lepreuve, un candidat repere ce qui lui semble etre une erreur denonce, il le signale sur sacopie et poursuit sa composition en indiquant les raisons des initiatives quil est amene a prendre.

    On dispose dun reservoir Rde temperature constante de grande capacite, contenant un gazdiatomique

    , sous une pression

    et une temperature ! $ &

    constantes.On admettra dans la suite que le volume de ce reservoir est tel que lon pourra lassimiler

    a un generateur de gaz comprime parfait. Cest-a-dire que la pression dans le reservoir Restindependante de la quantite de gaz qui peut en sortir.

    On admettra de plus dans tout le probleme que

    est un gaz parfait diatomique rigide demasse molaire (

    1 4 6 8 @ B D E G 4 P. On prendra pour valeur de la constante des gaz parfaits

    R

    1 T $ V B & 4 P B D E G 4 P

    .

    1ere partie

    Etude dun reservoir a gaz

    Un cylindre indeformable C isole thermiquement de lexterieur est separe, a laide dun piston`

    a parois athermanes, en deux compartiments CP

    et Ca , de volumes respectifs bP

    etb

    a

    . Le piston`

    , de masse negligeable, peut glisser sans frottement tout en restant perpendiculaire a laxe c ducylindre C(figure 1).

    CP

    peut etre mis en communication avec le reservoir Rpar lintermediaire dune vanne VP

    etavec Ca par lintermediaire dune vanne V

    P

    a.

    Ca peut etre mis en communication avec un autre reservoir R!

    au moyen dune vanne Va .

    On negligera systematiquement tout transfert thermique a travers une vanne fermee.

    de d e

    On note g le rapport des capacites calorifiques a pression et a volume constant et on donne,pour les gaz diatomiques rigides,

    g i

    .

    pq p q p q

    Donner un exemple de gaz diatomique.

    pq p q s q

    Exprimer les capacites calorifiques molaires a volume constant tu

    et a pression constantet

    w

    pour un gaz parfait diatomique rigide en fonction deg

    etR

    . Application numerique.

    de y e

    Le piston`

    est bloque. Le compartiment CP

    de volume bP

    constant contient le gaz

    a la temperature

    ! $ &

    et sous la pression

    !

    . Les vannes VPa

    et Va

    etant fermees,on ouvre brutalement la vanne V

    P

    afin de remplir le compartiment CP

    avec le gaz

    .

    Epreuve de Physique I 1 / 8 Tournez la page S.V.P.

    Premier probleme : Thermodynamique

    www.marocprepas.com

    M.A FEKIR

    [email protected]

  • 8/9/2019 06-epr

    2/8

    Concours National Commun Session 2006 Filiere MP

    C

    CP

    b

    P

    Ca b a

    c

    `

    VP

    Va

    VP

    a

    R

    R!

    Figure 1: Reservoirs relies a un cylindre a piston.

    pq s q p q

    Exprimer la quantite de matiere

    P

    du gaz contenu initialement dans le compartimentC

    P

    en fonction des donnees du probleme. Application numerique.

    pq s q s q

    Que vaut la pression P

    dans le compartiment CP

    a la fin de loperation ?

    pq s q q

    Exprimer de meme la quantite de matiere

    du gaz qui passe du reservoir Rdans lecompartiment C

    P

    en fonction deR

    , !

    ,

    , bP

    , !

    et de la temperature P

    du gaz contenu dans CP

    ala fin de loperation.

    On considere comme systeme le gaz contenu initialement dans CP

    (quantite de matiere

    P

    ) et legaz qui passe de Ra C

    P

    (quantite de matiere

    ).

    pq s q q

    Exprimer la variation c

    de lenergie interne du systeme en fonction de

    ,

    P

    , !

    , P

    , get

    R

    .

    pq s q q

    Exprimer le travail

    recu par le systeme en fonction de la pression

    et du volume b

    quoccupait la quantite de matiere

    du gaz dans le reservoir R.

    pq s q q

    En deduire la temperature finale

    P

    du gaz. Pour cela on pourra appliquer le premierprincipe de la thermodynamique apres avoir montre que la transformation peut etre consideree

    comme adiabatique. On exprimera P

    en fonction de , ! , ! et g . Application numerique.

    de e

    Le piston`

    etant toujours bloque et le compartiment Ca parfaitement vide, on ferme la vanneV

    P

    puis on ouvre la vanne VP

    a . La tuyauterie est thermiquement isolee de lexterieur, mais permetlechange thermique entre C

    P

    et Ca quand VP

    aest ouverte. On donne

    b

    P

    etb

    a A T

    . Soit

    a

    la temperature du gaz lorsque lequilibre est atteint.

    pq q p q

    Comment appelle-t-on une telle transformation ?

    pq q s q

    En appliquant le premier principe de la thermodynamique, montrer que a

    P

    .

    pq q q

    La transformation du gaz est-elle reversible ? Determiner lexpression de la variationdentropie c

    en fonction de

    , b

    P

    , ba

    et P

    . On justifiera soigneusement la methode utilisee.

    Epreuve de Physique I 2 / 8

  • 8/9/2019 06-epr

    3/8

    Concours National Commun Session 2006 Filiere MP

    Commenter le resultat obtenu.

    pq q q

    Calculer numeriquement c

    et commenter le resultat obtenu. On donne G

    5 T 1 .

    pq q q

    Letat final du systeme depend-il de lordre de fermeture et douverture des vannes VP

    etV

    P

    a ? Expliquer brievement.

    de

    e

    Le piston`

    etant bloque et la vanne VP

    a fermee, le compartiment CP

    de volume bP

    estrempli a laide du reservoir R. La temperature du gaz contenu dans C

    P

    est alors ! $ &

    .

    Le compartiment Ca est rempli a laide dun reservoir R!

    contenant un gaz parfait

    ! a lapression

    . On donnet u $

    R

    la capacite calorifique molaire a volume constant de

    !

    et on noteg

    !

    son rapport de capacites calorifiques a pression constante et a volume constant.

    Dans letat initial, la temperature du gaz

    ! contenu dans Ca est ! $ & et on note le volumeb

    a

    du compartiment Ca sous la forme b a

    b ! ou b

    C ! T et

    est un parametre reelpouvant varier de a max.

    Les vannes VP

    a et Va restant fermees, la vanne VP

    est a nouveau ouverte. On debloque le piston`

    et on le bloque a nouveau des que la pression est la meme dans les deux compartiments.p

    q q p q

    Determiner la quantite de matiere a

    du gaz

    ! dans le compartiment Ca en fonction de

    , b

    !et

    !.

    pq q s q

    Donner lexpression du volumeb a

    occupe par le gaz de Ca dans letat final en fonctionde sa temperature ainsi que de

    !et b

    !.

    pq q q

    En appliquant le premier principe de la thermodynamique, montrer que la temperature

    du gaz

    !contenu dans Ca est donnee par :

    $"

    % !

    pq q q

    En deduire lexpression deb a

    en fonction deb

    !

    et

    .

    pq q q

    Determiner la variation dentropiec

    du gaz

    !contenu dans Ca en fonction de , b ! ,

    !

    et

    .

    pq q q & ( ( 1 2 3 4 6 2 9 @ B @ E F G

    IP

    2 Q E

    I

    B

    pq q q p q

    Calculer numeriquement et c

    pour

    . On donne G

    T S U

    et G $

    T

    .

    pq q q s q

    Determiner la valeur numerique de c

    pour

    et pour tendant vers zero.

    pq q q q

    Determiner max ainsi que la valeur numerique de c lorsque max. On donne

    G D X

    %

    1T U

    .

    pq q

    Yq

    Representerc

    en fonction de

    et commenter le graphique obtenu.

    2eme partie

    Etude dun moteur a piston

    Un moteur a piston est constitue dun cylindre calorifuge de volume b`

    T 1

    , muni de deuxsoupapes b

    P

    et ba

    et dun piston`

    athermane pouvant glisser sans frottement le long de laxe du

    cylindre (figure 2). Le cylindre est relie a laide de la soupapeb

    P au reservoir a gaz Retudie en 1,rempli du gaz parfait

    .

    Epreuve de Physique I 3 / 8 Tournez la page S.V.P.

  • 8/9/2019 06-epr

    4/8

    Concours National Commun Session 2006 Filiere MP

    `

    R

    b

    P

    ba

    & b

    Figure 2: Moteur a piston.

    ye d e

    Initialement le piston est place contre la culasse&

    et le volume de gaz enferme dans lecylindre est nul. La soupape ba

    etant fermee, on ouvre la soupape bP

    pour mettre le cylindre encommunication avec le reservoirR. Le piston se deplace alors vers la droite jusqua ce que le volume

    b du gaz enferme dans le cylindre soit egal a

    . Pour les applications numeriques, on prendra

    .

    sq p q p q

    Que vaut la pression a linterieur du cylindre a la fin de cette premiere etape ? Commentappelle-t-on une telle transformation ?

    sq p q s q

    Exprimer la quantite de matiere

    !

    admise dans le cylindre a la fin de cette etape enfonction de

    , b ` , et de la temperature

    P

    du gaz dans le cylindre.

    sq p q q

    En appliquant le premier principe de la thermodynamique, exprimer

    P

    en fonction de

    !.

    sq p q q

    Calculer numeriquement ! .

    ye y e

    A la fin de la premiere etape, alors que la soupape b a est toujours fermee, la soupape bP

    seferme et le gaz enferme subit une detente adiabatique, que lon suppose reversible, jusqua ce quele volume du cylindre soit egal a

    b`

    .

    sq s q p q

    Exprimer la pression a

    dans le cylindre a la fin de cette deuxieme etape en fonction

    ,g

    et

    . Application numerique. On donne

    i

    UT

    .s

    q s q s q

    Exprimer le travail

    a recu par le gaz au cours de cette etape en fonction de

    , b ` , g et .

    ye e

    A la fin de la deuxieme etape, la soupapeb

    a

    souvre mettant le gaz contenu dans le cylindreen communication avec lexterieur ou la pression est

    !

    . Le piston reste dabordimmobile ( b

    b` ) tant que la pression

    !, ensuite il est ramene vers la culasse jusqua b

    .

    Un nouveau cycle peut alors commencer.

    sq q p q

    Tracer lallure du diagramme de WATT donnant la pression du gaz, en ordonnee, en

    fonction du volumeb

    quil occupe. Indiquer les points remarquables et preciser le sens de parcoursdu cycle.

    Epreuve de Physique I 4 / 8

  • 8/9/2019 06-epr

    5/8

    Concours National Commun Session 2006 Filiere MP

    sq q s q

    Determiner lexpression du travail

    ! fourni au gaz par le piston au cours dun cycle enfonction de

    !

    ,

    ,b `

    ,g

    et . Application numerique.

    sq q q

    Quel doit etre, en regime stationnaire, le debit massique

    P

    du gaz pour que la puissancemecanique du moteur soit P 8 ? On donnera lexpression litterale de

    P

    en fonction de P, ! ,

    ,b `

    ,

    !

    ,(

    ,R

    ,g

    et et on calculera numeriquement

    P

    en8

    @

    .

    sq q q p q

    Calculer numeriquement la duree c

    dun cycle dans ces conditions.

    3eme partie

    Etude dun moteur a turbine

    Un moteur a turbine (figure 3) est constitue dune tuyere

    calorifugee, au milieu de laquelle setrouve une turbine T. Le gaz

    du reservoir Rde la partie 1, est injecte a lentree de la tuyere. Ilactionne la turbine puis sort dans latmosphere, a la pression

    !

    avec une vitesse negligeable. Onsinteresse au regime de fonctionnement stationnaire.

    R

    !

    T

    Figure 3: Moteur a turbine.

    e d e

    On suppose que le gaz

    subit une detente adiabatique reversible. Soit

    le travail fournia une mole de gaz par la turbine.

    q p q p q

    Rappeler lexpression du premier principe de la thermodynamique pour un systemeouvert.

    q p q s q

    En deduire que, dans le cas du modele de moteur a turbine etudie, le travail

    estsimplement relie a la variation denthalpie molaire du gaz entre lentree et la sortie de la tuyere.

    q p q q

    En deduire lexpression de

    en fonction de

    !

    , !

    ,

    ,g

    etR

    . Application numerique.Preciser le signe de

    et commenter le resultat obtenu. On donne

    i

    T

    .

    q p q q

    Quel doit etre le debit massique

    a pour que la turbine ait une puissance P 8 ? On

    exprimera a en fonction de P, et la masse molaire ( du gaz

    . Application numerique.

    e y e

    Pour tenir compte des irreversibilites, on admet que lors de la detente adiabatique, lapression

    et le volume

    bsont relies par la loi polytropique :

    b constante avec

    T S

    q s q p q

    Determiner, dans ces conditions, le travail

    fourni a une mole de gaz par la turbine.Application numerique. On donne

    "

    a$

    T S

    .

    q s q s q

    Quel est le debit massique correspondant&

    a

    assurant une puissance P 8

    de laturbine ?

    Epreuve de Physique I 5 / 8 Tournez la page S.V.P.

  • 8/9/2019 06-epr

    6/8

    Concours National Commun Session 2006 Filiere MP

    4eme partie

    Etude dun moteur a reaction

    On utilise le reservoir Rpour faire fonctionner un moteur a reaction. Le gaz

    est envoye dansune tuyere calorifugee

    a la sortie de laquelle regne la pression

    !

    et ou la vitesse dugaz nest plus negligeable (figure 4). On sinteresse au regime de fonctionnement stationnaire et onneglige la vitesse du gaz a la sortie du reservoir.

    R

    !

    Figure 4: Moteur a reaction.

    Pour tenir compte des irreversibilites, on admet la loi devolution polytropique :

    b

    constante avec

    T

    %

    e d e

    En appliquant le premier principe de la thermodynamique pour un systeme ouvert, exprimerla vitesse dejection des gaz en fonction de

    (,

    g,

    R

    ,

    !

    , !

    ,

    et

    . Application numerique. Ondonne

    P

    P 6

    % T $.

    e y e

    Quel est le debit massique

    6

    du gaz permettant davoir une puissance cinetique dejectionP 8 ?

    On considere le systeme mecanique represente figure 1.

    est une barre homogene de masse et de longueur

    . Lextremite

    de la barre est assujetie a se deplacer, sans frottement, le longde laxe materialise par

    . On note

    le centre dinertie de la barre repere par ses coordonneescartesiennes

    T . Lorientation de la barre dans le plan

    est reperee par langle

    quelle fait

    avec la verticale. Le champ de pesanteur est uniforme et donne par :

    En plus de son poids, la barre est soumise a laction dune force de rappel appliquee au point

    etschematisee par un ressort de raideur

    et de longueur !

    a vide. Au passage de lextremite

    de labarre par lorigine

    (

    `

    ), la longueur du ressort est egale a sa longueur a vide

    !.

    On sinteresse aux mouvements doscillation de la barre

    dans le plan

    . Toute letude seramenee dans le referentiel du laboratoire suppose galileen.

    On donne le moment dinertie

    de la barre

    par rapport a un axec

    perpendiculaire a labarre et passant par son centre dinertie

    :

    a

    $

    Epreuve de Physique I 6 / 8

    Deuxieme probleme : Mecanique

  • 8/9/2019 06-epr

    7/8

    Concours National Commun Session 2006 Filiere MP

    `

    Figure 1: Systeme mecanique.

    1ere partie

    Mise en equation

    de d e

    pq p q p q

    Exprimer

    en fonction de

    et

    .

    pq p q s q

    Exprimer de meme la coordonnee `

    donnant la position de lextremite

    de la barre,

    `

    , en fonction de

    ,

    et

    .

    de y e

    On se propose de determiner les equations du mouvement de la barre.

    pq s q p q

    Faire le bilan des efforts exerces sur la barre en mouvement et representer schematique-ment leurs resultantes sur une figure.

    pq s q s q

    Ecrire le theoreme de la resultante cinetique (TRC) applique a la barre

    .

    pq s q q

    En deduire lexpression de la reaction

    R

    de laxe

    en fonction de , ,

    ,

    ,

    et

    ainsi

    quune equation du mouvement reliant

    ,

    et

    . On posera :

    P

    pq s q q

    Ecrire le theoreme du moment cinetique (TMC) en

    .

    pq s q q

    En deduire, a laide dune projection convenable, une deuxieme equation du mouvementde la barre reliant

    ,

    ,

    et

    . On posera :

    a

    $

    2eme partie

    Etude des petites oscillations de la barre

    On sinteresse aux petits mouvements de la barre

    . Dans ce cas,

    et

    ainsi que toutes leursderivees temporelles sont supposes etre des infiniment petits de premier ordre.

    Epreuve de Physique I 7 / 8 Tournez la page S.V.P.

  • 8/9/2019 06-epr

    8/8

    Concours National Commun Session 2006 Filiere MP

    ye d e

    En linearisant les equations du mouvement obtenues precedemment, montrer que, dans cecas, le mouvement general de la barre est decrit par :

    "

    a

    P

    a

    P

    " $

    a

    P

    "

    a

    a

    $

    a

    P

    ou lon a pose

    .

    ye y e

    On cherche les modes propres doscillation de la barre sous la forme, en notation complexe :

    ou

    est le nombre complexe de module et dargument "

    a

    .

    et

    sont deux constantes complexes.

    sq s q p q

    Montrer que

    et

    sont solutions du systeme lineaire homogene suivant :

    a

    P

    a

    a

    P

    $

    a

    P

    " $

    a

    P

    "

    a

    a

    a

    sq s q s q

    A quelle condition ce systeme admet-il des solutions non identiquement nulles ?

    sq s q q

    En deduire que

    est solution de lequation :

    %

    a

    P

    "

    a

    a

    a

    "

    a

    P

    a

    a

    sq s q q

    Montrer alors que, dans le cadre des petites oscillations, le mouvement libre le plusgeneral est donne par :

    P

    P

    "

    a

    a

    P

    P

    "

    a

    a

    et donner les expressions de

    P

    et

    a en fonction de P

    et a . On prendra

    P

    a . Commentdetermine-t-on

    P

    ,

    a

    ,

    P

    et

    a

    ?

    ye e

    Initialement (

    ), lextremite

    etant au repos en

    , on ecarte la barre

    dun angle !

    tres faible par rapport a la verticale et on la lache sans vitesse initiale.

    sq q p q

    Determiner les constantes

    P

    ,

    a

    ,

    P

    et

    a

    .

    sq q s q

    Que vaut

    ? Commenter.

    sq q q

    En deduire lexpression de

    en fonction de

    P

    ,

    a,

    !

    et

    . Lexpression obtenuesemble-t-elle en accord avec le resultat de la question 2

    B3

    B2

    B? Expliquer.

    FI N D E LEPREUVE

    Epreuve de Physique I 8 / 8 FIN