CCINP Physique 2 PSI 2013

SESSION 2013 PSIP208

.i- CONCOURS COMMUNS

-=- POLYTECHNIQUES

EPREUVE SPECIFIQUE - FILIERE PSI

PHYSIQUE 2

Durée : 4 heures

N .B. : Le candidat attachera la plus grande importance à la clarté, a la 
précision et a la concision de
la rédaction. Si un candidat est amené à repérer ce qui peut lui sembler être 
une erreur d 'e'nonce', il le

signalera sur sa copie et devra poursuivre sa composition en expliquant les 
raisons des initiatives
qu 'il a été amené à prendre.

Les calculatrices sont autorisées

PROBLEME DE PHYSIQUE CHIMIE

L'ALUMINIUM

De par ses propriétés physiques et chimiques, l'élément aluminium est un 
composé très
présent dans notre environnement moderne. Nous nous proposons ici d'étudier ses 
propriétés
intrinsèques et d'en voir quelques applications.

Un formulaire global se trouve en fin d'énoncé, pages 14 et 15.

1/15

PARTIE CHIMIE

A) Etude cristallographique de l'aluminium :

L'aluminium comme de nombreux métaux cristallise suivant la structure cubique à 
face
centrée.

1) Représenter l'allure d'une maille élémentaire.

2) Comment s'effectue le contact entre les atomes ? En déduire la relation 
entre le paramètre de
maille a et le rayon atomique RA1.

3) Combien y a-t-il d'atomes par maille ?
4) Définir la compacité C puis l'évaluer numériquement.

5) Soient M la masse molaire de l'aluminium, RA1 son rayon atomique, Na le 
nombre
d'Avogadro et p A] la masse volumique de l'aluminium, déterminer la relation 
entre M, RA1,

Na et p A] . Application numérique : évaluer la densité dA1 de l'aluminium.

B) Détermination expérimentale de constantes d'équilibre :
On considère les équilibres chimiques suivants de constantes d'équilibre KS et 
B :
AI(OH)3 (,, = A13+ + 3 OH" K,
A13+ + 4 OH" = AI(OH).{ [5

6) Comment nomme-t-on ces deux constantes d'équilibre KS et B ? Comment 
nomme-t-on le
complexe Al(OH).{ ?

7) On considère l'équilibre thermodynamique suivant :
AI(OH)3(S) + OH" : Al(OH).{ ,de constante d'équilibre K.
Exprimer K en fonction de KS et de B .

On réalise le dosage, suivi par pHmétrie, de 40 mL d'une solution aqueuse 
d'acide nitrique à
0,1 mol.L'1 et de sulfate d'aluminium (2 Al3+, 3 8042") de concentration c 
inconnue, par de
la soude à 1 mol.L".

8) Faire un schéma du dispositif du dosage et nommer la verrerie utilisée.
9) Quelle grandeur physique, mesurée par le pHmétre, est l'image du pH de la 
solution ?
La figure 1 donne le pH de la solution titrée en fonction du volume de soude 
versé. On peut

distinguer différentes étapes au cours de ce titrage.

2/15

14

10

/ V(mL)

() l l l l l l
0 5 10 15 20 25 30

Figure 1 : courbe de dosage, pH en fonction du volume de soude versé

PourV = 3,7 mL, on apH = 3,7 et pourV = 13,8 mL, on apH : 11,2.

Observations :

Etape 1 : 0 < V < 3,7 mL, la solution est claire et limpide. Etape 2 : 3,7 mL < V < 13,8 mL, la solution devient de plus en plus trouble. Etape 3 : 13,8 mL < V < 17,2 mL, a la fin de cette étape, la solution est a nouveau claire et limpide. 10) Associer à chacune de ces étapes une réaction prépondérante. 11) Evaluer la concentration c en sulfate d'aluminium de la solution utilisée. 12) En déduire les valeurs des deux constantes d'équilibre KS et [3 . On donnera aussi les valeurs de sz et de log...(l3 ). Dans la suite du problème, on admettra que sz : 32 et que logoe(B) = 34. C) Diagramme E-pH de l'eau : L'eau (ou ses ions) peut agir comme oxydant ou comme réducteur. Dans cette partie, on supposera les pressions partielles des constituants gazeux égales à la pression standard, soit PH2 = P02 = P0 , avec P° = 1 bar ou 105 Pa. 13) Ecrire les deux demi--réactions rédox dans lesquelles interviennent les couples de l'eau. En déduire les deux équations des deux droites E : f(pH), figurant dans le diagramme E-pH de l'eau. 3/15 14) Tracer le diagramme E-pH de l'eau, on veillera à bien préciser les domaines de prédominance de chacune des espèces étudiées. D) Diagramme E-pH de l'aluminium : Les espèces chimiques envisagées ici sont Al(OH)3(S), Al3+, Al(S) et Al(OH)4. On donne le diagramme potentiel-pH de l'aluminium à 298 K, pour une concentration totale en espèces dissoutes de 10"2 mol .L'1 (figure 2). Le point A a pour ordonnée : E = - 1,71 V, le point B a pour abscisse pHB : 10. A E(V) 1,5 _ 1 _ 0,5 _ 0 | | >
_05 _ ...........................................

--1

--1,5

Figure 2 : diagramme E-pH de l'aluminium

15) Préciser le degré d'oxydation de l'aluminium dans chacune des espèces 
envisagées et
attribuer à chacun des quatre domaines numérotés de 1 à 4 l'espèce qui lui est 
rattachée.

16) Déterminer l'abscisse, notée pH A, du point A.
17) Préciser les valeurs des pentes des trois segments figurant sur ce 
diagramme.
18) Déterminer la valeur du potentiel standard E°(Al"7Al).

19) Définir en quelques mots les termes : passivation, immunité et corrosion. 
Attribuer à chacun
de ces termes une zone dans le diagramme E-pH.

20) Par ajout de poudre d'aluminium dans une solution d'acide concentrée, on 
assiste à une vive
réaction accompagnée d'un dégagement gazeux.

De quel gaz s'agit-il ? Préciser l'équation bilan de cette réaction.

4/15

21) Peut-on laisser sans protection particulière une barre d'aluminium en 
contact avec de l'eau
de pluie ?

E) Utilisation de l'aluminium pour les structures métalliques :

22) Pourquoi l'aluminium est-il couramment utilisé pour les cadres de vélo, les 
structures de
remorque, les lignes électriques à haute tension, etc ?

F) Aluminothermie :

Le soudage par aluminothermie consiste à générer un très fort dégagement 
d'énergie
thermique par réaction de poudre d'aluminium sur un oxyde métallique. Le métal 
en fusion permet
alors de réaliser des soudures de grande qualité. Cette technique est 
particulièrement bien adaptée
au soudage des rails de chemin de fer.

On considère la réaction chimique : Fe203(5) + 2 Al(s) : 2 Fe(s) + Al2O3(S).

23) Sachant que l'aluminium se trouve dans la 136 colonne, et 3EUR période de 
la classification
périodique des éléments, décrire la configuration électronique de l'aluminium. 
Quel est son
degré d'oxydation maximal ? Justifier que l'alumine A1203 est une forme oxydée 
de
l' aluminium.

24) Déterminer l'enthalpie standard de réaction,A,H°(298 K), de la réaction 
précédente.
Commenter son signe.

25) Lorsqu'on mélange dans un creuset de l'oxyde de fer (III) et de la poudre 
d'aluminium dans
des proportions stoechiométriques, après un amorcage de la réaction, celle-ci 
est
extrêmement violente et peut être considérée comme totale et instantanée. Pour 
justifier qu'il
y a effectivement fusion des phases solides, on se propose d'évaluer un ordre 
de grandeur de
la température atteinte par le mélange en fusion en fin de réaction. On adopte 
un modèle
simple dans lequel on néglige la capacité thermique du creuset et on considère 
le système
comme adiabatique.

Déterminer dans ces conditions la température T des produits obtenus. Justifier 
qu'il y a
effectivement eu fusion des produits de la réaction.

26) Dans le cadre du soudage des rails de chemin de fer, quel(s) phénomène(s) 
physique(s) est

(sont) a l'origine de la solidification du cordon de soudure ?

Fin de la partie chimie

5/15

PARTIE PHYSIQUE

Bon conducteur, moins ductile et moins onéreux que le cuivre, l'aluminium est 
largement
employé dans le domaine du génie électrique. On l'utilise en particulier sous 
forme d'alliage,
l'almélec, pour la fabrication des lignes électriques.

On se propose ici d'étudier une unité de production d'énergie électrique 
renouvelable, une
éolienne, puis d'analyser la ligne qui assure le transport de cette énergie.

Etude de l'éolienne :

G) Préliminaire :
Bilan d'énergie pour un système ouvert en écoulement permanent :
Expression générale du premier principe de la thermodynamique pour un systéme 
fermé :

27) Rappeler l'équation générale traduisant la conservation de l'énergie pour 
un systéme fermé
en mouvement.

Bilan enthalpique lors de l'écoulement unidimensionnel d'un fluide en régime 
permanent :

On considère un fluide parfait, en écoulement permanent, de débit massique Dm 
qui traverse

une partie active (figure 3) qui lui fournit une puissance utile Pu et une 
puissance thermique P....

Partie

active

Figure 3 : partie active

On note respectivement P1, eC1, ep1, u1, h1 et v1 : la pression, l'énergie 
cinétique massique,
l'énergie potentielle massique, l'énergie interne massique, l'enthalpie 
massique et le volume
massique du fluide en amont de la partie active.

Ces mêmes grandeurs sont notées P2, eC2, ep2, u2, h2 et V2 en aval de la partie 
active.

6/15

On considère comme système fermé à la date t l'ensemble constitué du fluide 
contenu dans
la partie active à la date t et du fluide, de masse dm1, qui va entrer pendant 
l'intervalle de temps dt
dans cette partie active.

28) a) Définir le système àla date t + dt.

b) En notant dm2 la masse qui est sortie de la partie active entre t et t + dt, 
comparer dm1 et
dm2. Que conclure quant au débit massique Dm ?

29) Donner les expressions des travaux des forces de pression ôW1 et ôW2 
respectivement en
amont et en aval du système pendant l'intervalle de temps dt.

30) En s'appuyant sur l'équation de conservation de l'énergie, montrer qu'on 
peut établir une
nouvelle équation (E) de la forme :

Dm |:(X2 -- x1)+(e02 --ecl) + (ep2 --ep1)] =Pu + P... . (El)

Préciser a quoi correspond la fonction x ainsi que son unité.

Dans toute la suite du problème, on négligera les variations d'énergie 
potentielle de sorte
que le bilan précédent s'écrira sous la forme suivante :

D [+]=Pu+P....

m

Bilan de quantité de mouvement pour un système unidimensionnel en écoulement
permanent:

De même, l'établissement d'un bilan de quantité de mouvement sur un volume de 
contrôle
(figure 4) délimité par deux sections droites S1 et 82, d'un tube de courant où 
le fluide entre avec

-->

une vitesse V1 supposée uniforme sur la section 81 et en ressort avec une 
vitesse V2 également

uniforme sur la section 52, permet d'établir une équation (E2) du type :

1î (E»

Ym(v,_vl)

où R est la résultante des forces exercées sur le fluide considéré par les 
éléments en contact
avec celui--ci.

Volume de contrôle délimité par les sections 81 et SZ

W<_ \/V 81 SZ Figure 4 : volume de contrôle 31) Par analyse dimensionnelle, préciser l'unité de Ym et préciser à quoi correspond ce terme. 7/15 H) Application à l'éolienne : Modélisation : L'éolienne sera assimilée à ses pales qui récupèrent une puissance mécanique Pég] provenant de l'écoulement de l'air avoisinant. L'étude est faite dans le référentiel terrestre supposé Galiléen où les pales sont animées d'un mouvement de rotation uniforme autour de l'axe x'x de vecteur unitaire ëX (figure 5). Les effets de la pesanteur sont négligeables. L'air est assimilé à un gaz parfait. L'écoulement de l'air autour des pales est supposé stationnaire, parfait, incompressible et à symétrie de révolution autour de l'axe x'x. On note p la masse volumique de l'air. La figure 5 représente le tube de courant passant par les extrémités des pales de l'hélice. . /\ & SA ,: >
___--,

--------________
----
--

--
-----------_----_

l
1

_--_--------..----_--____
---- _--
-- '--

\
--____
___--_--
--_
_______---------

;

\
--___
------------------------ ------------------

/.

21 SB

&

Figure 5 : pales de l'éolienne et tube de courant

La vitesse de l'air est supposée uniforme sur une section perpendiculaire au 
tube de courant.

Elle vaut respectivement: YA =VAëX, sur la section SA située loin en amont des 
pales et

vaut YB = VBëX sur la section SB située loin en aval des pales. A grande 
distance des pales, en

amont ou en aval, la pression de l'air est égale à la pression atmosphérique P° 
et la température
égale à TO.

Les sections 21 et 22, situées au voisinage immédiat des pales, l'une en amont 
et l'autre en
aval, ont leurs aires quasiment identiques. De sorte que l'on supposera 21 = 22 
= S, au premier
ordre. La pression du fluide est supposée uniforme sur chacune de ces sections 
et vaut P1 sur 21 et
P2 sur 22.

Au voisinage des pales, il y a continuité de la composante normale, (suivant 
ë,), de la

vitesse de l'air. Cette composante sera notée: Y =Vëx. On néglige la 
dissipation d'énergie par

frottement de l'air le long des pales.

8/15

Puissance récupérable par les pales de l'éolienne :
32) Ecrire deux relations liant tout ou partie de ces grandeurs : S A, V A, SB, 
VB, S et V.
33) Exprimer les pressions P1 et P2 en fonction de P°, p, VA, VB et V.

34) On se propose d'appliquer l'équation (E2) sur le fluide contenu dans le 
tube de courant
compris entre les sections voisines 21 et 22 situées de part et d'autre des 
pales de l'éolienne.

a) On note R12 =R12ëX : la résultante des forces exercées sur l'air considéré et

Fpâles % air

= FéX : la force exercée par les pales de l'éolienne sur l'air.
Exprimer R12 en fonction de F, P1, P2 et de S.

b) Par application de l'équation (E2), en déduire que Ë12 =0 .

c) Exprimer alors F en fonction de P1, P2 et S.

d) Puis exprimer F en fonction de p, S, V A et VB.

35) On se propose d'appliquer l'équation (E2) sur le fluide contenu dans le 
tube de courant
compris entre les sections éloignées SA et SB situées en amont et en aval des 
pales de
l'éolienne, en admettant que la résultante des forces de pression est nulle.

Exprimer F en fonction de p, S, V, V A et VB.

36) Déduire de ce qui précède une relation simple entre VA, VB et V.

37) On se propose d'appliquer l'équation (E) sur la portion du tube de courant, 
délimitée par les
sections S A et SB, considérée comme une partie active.

Quelle(s) hypothèse(s) justifie(nt) le fait que P... = 0 ?
Quelle(s) hypothèse(s) justifie(nt) le fait que hB -- hA : 0 ?

38) Quelle est la puissance algébrique utile fournie par les pales de 
l'éolienne au fluide
considéré ? En déduire l'expression de la puissance mécanique, Pé01, fournie 
par le vent à

l'éolienne en fonction de p, S, V A et VB.

39) En posant x = & , exprimer Pé01 en fonction de p, S, VA et x. Pour quelle 
valeur de x, Pég]
A

est--elle maximale ? Exprimer cette valeur maximale en fonction de p, S et V A.
40) Application numérique :

a) Evaluer la puissance maximale récupérable par une éolienne dont les pales 
ont un
diamètre D = 60 m pour une vitesse du vent de 40 km.h".

b) Combien faudrait-il d'éolienne de ce format, dans les mêmes conditions
météorologiques pour produire la même puissance qu'une tranche de centrale 
nucléaire
de l 500 MW ?

9/15

Etude d'une ligne électrique :
I) Optimisation de la section des conducteurs, mise en parallèle :
Problématique et modélisation globale :

La ligne électrique est assimilable à un conducteur rectiligne électriquement 
neutre, de
longueur infinie, suivant l'axe Z'Z, de section S (figure 6). Il transporte un 
courant sinusoïdal

i(t) : Im cos(oet) de pulsation 00 et de fréquence f = 50 Hz.

Z'\ \-
S j/

Figure 6 : ligne électrique

Z

On se propose d'étudier le vecteur densité de courant Î qui circule dans le 
conducteur et
d'optimiser la section S de ce conducteur.
Pour tout point M du conducteur, compte-tenu de la géométrie du problème, on 
pose:

Î(M,t) : j(r,t) cos(oet + (p(r))eÎ, où r est la distance à l'axe Z'Z.
Modèle local :

On suppose que la longueur caractéristique des variations de la fonction j(r,t) 
est faible
devant le rayon du conducteur. On adopte donc un modèle local où le conducteur 
est supposé semi
infini avec lequel on travaillera en coordonnées cartésiennes.

Dans ce modèle local, le conducteur occupe le demi-espace x > 0 (figure 7).

On pose :Î(M,t) : j(x) cos(oet + (p(x))eÎ. On lui associe la densité de courant 
complexe :
î(M,t) : i(x) exp(ioet)eÎ, où i(x) est une fonction à valeur complexe, i2 = -1 
et j(M,t) : ReQ(M,t))
où Re désigne l'opérateur partie réelle.

On a comme condition aux limites: Î(O,t) : j(0) cos(oet)eÎ, ce qui donne en 
complexe:

î(0,t) = 1(0) exp(ioet)eÎ, soit j(0) = j(O) .

Z /\ milieu

3,7, conducteur
"'
Il,
/ x > 0
I,,
l' \
7

Figure 7 : milieu semi infini.

10/15

Effet de peau :

Soit y la conductivité électrique du conducteur.

41) Rappeler les unités de la densité de courant Î et de la conductivité 
électrique y.

42) Comment s'écrivent les quatre équations de Maxwell dans le conducteur '?

-->

--_ E
43) Montrer que pour un conducteur en almélec, le courant de déplacement: jD = 
80 8_ est
t

négligeable devant le courant de transport : Î= yË, à la fréquence de 50 Hz.

44) En déduire que Î(M,t) vérifie l'équation aux dérivées partielles : AÎ -- 
u0y% =0 .

Comment nomme-t-on ce type d'équation '? L'avez--vous déjà rencontré dans 
d'autre(s)
domaine(s) de la physique '? Si oui le(s)quel(s) '?

45) a) Déterminer l'équation différentielle vérifiée par la fonction : j(x).
b) En déduire l'expression de j(x) et de j (M,t) à deux constantes 
multiplicatives près.

46) En remarquant que le module de Î(M,t) reste fini et par application de la 
condition aux
limites en x = 0, donner l'expression de j(x). En déduire l'expression de la 
densité de

courant :Î(M,t) : j(x) cos(oet + (p(x))é£. On fera apparaître une longueur 
caractéristique

notée ô appelée épaisseur de peau.
47) Applications numériques :

a) Evaluer 5 pour un conducteur en almélec à 50 Hz.

b) Pour limiter les pertes Joule, on limite les densités de courant à 0,7 
A/mm2. Quel
serait l'ordre de grandeur du rayon du conducteur d'une ligne électrique haute
tension, de courant de transport nominal égal à l 500 A '?

c) Pourquoi cette ligne est en pratique composée de plusieurs conducteurs en 
parallèle '?

J) Effet Ferranti :

Pour des lignes électriques dont la longueur est inférieure à 400 km, on peut 
utiliser le
modèle global de la figure 8, où R, L et C désignent la résistance, 
l'inductance et la capacité de la
ligne.

11/15

1, 1, = 0
--+ 7\
A A

R L

Figure 8 : modèle global de ligne électrique courte

La ligne électrique est alimentée par un générateur de tension d'impédance 
nulle qui délivre
une tension sinuso'1'dale : V@ (t) = Vem cos(oet) de fréquence f = 50 Hz.

A une grandeur sinuso'1'dale X(t), on associe classiquement la grandeur 
complexe X(t) telle
que X(t) = Re (X(t)), où Re désigne l'opérateur partie réelle.

La ligne électrique est à vide, de sorte que IS = O.

48) Que représente la grandeur RL,2 '? Où est-elle localisée dans la réalité '?

Que représente la grandeur % LL,2 '? Où est-elle localisée dans la réalité '?

49) Rappeler les modèles équivalents, en basse et en haute fréquence, d'une 
bobine parfaite et
d'un condensateur. En déduire sans calcul à quel type de filtre s'apparente la 
ligne électrique.

&

50) Déterminer en fonction de R, L, C et 00 la fonction de transfert complexe 
:fl(joe) = V ... .

51) La tension de sortie est de la forme : VS (t) = Vsm cos(oet + (p) . 
Préciser l'expression de Vsm et

de (p en fonction de V..., ou, R, L et C.

52) Application numérique :

On note respectivement : r, l et c la résistance linéique, l'inductance 
linéique et la capacité
linéique de la ligne électrique.

sm

a) Déterminer le rapport pour une ligne de longueur d, en fonction des grandeurs

linéiques de la ligne, de d et de ou.
b) Pour quelle valeur critique notée d...tique, ce rapport est-il maximal '?
c) Evaluer ce rapport pour une ligne de longueur d = 400 km. Commenter.

12/15

K) Ligne quart d'onde :

Pour des lignes de longueur plus importante, on utilise le modèle réparti dans 
lequel une
portion de longueur dz de ligne peut être modélisée par le schéma de la figure 
9, dans lequel on
néglige la résistance élémentaire rdz devant l'impédance élémentaire iloedz.

On notera d la longueur globale de la ligne.

I(z ,t) I(Z+dZ ,t)

4

ldz

cdz V(z+dz ,t)
V(Z,t) _--

Figure 9 : modèle réparti

53) a) Expliciter le système d'équations aux dérivées partielles vérifié par 
les fonctions V(Z,t)
et I(Z,t).
b) En déduire les deux équations aux dérivées partielles, découplées, vérifiées 
par la
fonction V(Z,t) d'une part, puis par la fonction I(z,t) d'autre part.

La tension en entrée de ligne est toujours sinuso'1'dale de fréquence f = 50 Hz 
et d'amplitude
Ve(t) =Vem cos(oet). On se propose de déterminer la tension V(z,t) en tout 
point de la ligne,

lorsqu'aucun récepteur n'est branché en bout de ligne, c'est-à-dire lorsque 
I(L,t) = O .

54) On cherche pour V(Z,t) une solution de la forme : V(Z,t) : [a cos(kz) + b 
sin(kz)]cos(oet).

a) Comment nomme-t-on ce type d'onde '?

b) Déterminer la dépendance entre k, 1, c et ou.

c) Préciser les conditions aux limites et en déduire les expressions de a et de 
b en fonction
de V k et L.

em'

55) Application numérique :
a) Evaluer la longueur d'onde 7».
b) Est--il raisonnable de construire sans précaution particulière des lignes de 
longueur

proche de %? Expliquez pourquoi la mise sous tension de la ligne électrique

Vietnam Sud -- Vietnam Nord, longue de 1 490 km, a posé des problèmes.

Fin de la partie physique.

Fin de l'énoncé

13/15

FORMULAIRE

Données pour la partie chimie :

Masse molaire de l'aluminium : M = 27 g.mol'l.
Rayon atomique de l'aluminium : RA1 : 143 pm.
Nombre d'Avogadro : Na : 6,02 1023 mol--1.

On rappelle que l'acide nitrique est un mono acide fort, c'est-à-dire qu'il se 
dissocie entièrement
dans l'eau.

On a : E°(H+/H2) : 0 V ; EO(O2/H2O) : 1,23 V.
On admettra que : R--fîln(x) : O,Oôlog10 (X) .
Avec R la constante des gaz parfaits, T la température et F la constante de 
Faraday.

On donne à 298 K :
AfH° (A12o3) = - 1 673 kJ.mol'l.

AÎH° (Fe203) = - 824 kJ.mol'l.

A toute température, on a :
Cp°(Fe(s)) = Cp°(Fe...) = 25 J.K'1.mol'l.
Cp°(A12o3(s)) = Cp°(A12o3...) = 120 J.K'1.mol'l.

On donne :
AH°qu (A12o3) = 110 1<10'2 Q.km'l. Inductance linéique : l = 1,5 mH.km'l. Capacité linéique : o = 10 nF.km'l. Conductivité électrique de l'almélec : y = 3.107 8.1. Constantes physiques : ..., = 4n.10'7 H.m'1. 1 -1 e =_ F.m ° 36.7t.109 c = 3.108 m.s'1. Opérateurs vectoriels en coordonnées cartésiennes : 82U 82U 82U = + AU + dX2 dy2 822 Aä = (AaX )üX +(Aay)üy +(Aaz )üZ rôt[rôt(ä)] = gräd[div(ä)] -- Aä 15/15