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Correction - physique-chimie - CCP TSI 2016Problème I - Mirages acoustiquesI.1 - La propagation du son
I.1.aUne onde est la propagation de proche en proche d"une grandeur physique dans un milieu. Elle se fait sans transport macroscopique de matière. L"amplitude de la grandeur varie en fonction de l"espace et du temps, les deux variations étant reliées par l"équation différentielle décrivent la propagation de l"onde. A une onde acoustique est associé la variation de pression et de vitesse des couches de fluide. I.1.bSon milieu de propagation est un milieu matériel (pas de propagation dans le vide). On peutciter les ondes à la surface de l"eau suite à une perturbation, ou les ondes le long d"une corde
tendue. I.1.cOndes sonores audibles : entre 20Hz et 20kHz.Les ultrasons correspondent à des fréquences supérieures à 20kHz. Ils sont utilisés dans les sonars,
l"échographie...I.1.dLa vitesse de propagation de la lumière de l"éclair est de 300000km/s, très supérieure à celle du
son, et on suppose donc qu"elle est instantanée. Soitt0l"instant d"émission de l"éclair et du son à l"endroit de l"impact. t0est donc aussi l"instant de réception de l"éclair lumineux.
L"instant de réception du tonnerre a lieu à un instantt1=t0+dc air.D"après le texted=t1t03
avecden km ett1t2en secondes. On a donc par identification,cair= 1000=3 = 333m/s.I.2.aLe sonar émet une onde sonore, s"il y a présence d"un objet ou obstacle à l"avant du sonar alors
l"onde est réfléchie et revient vers le sonar. Le sonar enregistre l"onde reçue. Du temps mis par
la propagation on en déduit la distance entre l"objet et l"obstacle.I.2.bL=tecmer2
= 29:1m. I.2.cOn a 2.5 périodes dans l"intervalleti. DoncT=ti2:5, puisf=2:5ti= 3:13kHz.I.2.dx=cmerti= 1:2m.
I.2.eÀ l"instantt1= 12ms le signal s"étend dex=t1ceau= 16:8m (début de l"impulsion, c"est le
premier maximum àt= 0de la figure 2) jusqu"àx= (t1+ti)ceau= 18m (fin de l"impulsion, c"est le dernier minimum àt= tide la figure 2).I.2.fMême chose que la figure 2, mais décalé dans le temps : le signal commence àt=L=cmer=
19:4ms.
I.3.ac0= 347:0m/s.
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I.3.bc0=r
RT 0M . On noteT=T0+ Tetc=c0+ c.On a doncc=r
RT M =rR(T0+ T)M
=r RT 0M r1 + TT 0=r RT 0M1 +T2T0
c 01 +T2T0
D"oùc=c0T2T0. On trouve0:6m/s pourT= 1K.
I.3.cIl fait plus froid en haut que proche du sol. La vitesse du son est donc plus faible en haut, plus
grande proche du sol. Il en résulte que les "rayons" sonores sont incurvés comme sur le schéma
ci-dessous. zone d'ombre : quelqu'un dans cette zone n'entendra pas le tonnerre rayon limiteProblème II - Eau oxygénée et propulsionII.1 - Concentration d"une eau oxygénée
II.1.aZdonne le nombre de protons dans le noyau, et donc également le nombre d"électrons pour un
atome neutre. Adonne le nombre de nucléons dans le noyau (donc de protons + neutrons). On a donc ici, pour l"hydrogène H : 1 proton, 1 électron. Et pour l"oxygène O : 8 protons,168 = 8neutrons, 8 électrons. II.1.bHydrogène H :1s1. Il y a un électron de valence :1s1. Lewis :H Oxygène O :1s22s22p4. Il y a six électrons de valence :2s22p4. Lewis :OII.1.cSchémas de Lewis :HO
H OO HOOHPrenons un atome d"hydrogène d"hydrogène dans la molécule d"eau. Il est entouré d"un doublet,
et possède donc deux électrons : la règle du duet est satisfaite.Prenons l"atome d"oxygène de la molécule d"eau. Il est entouré de 4 doublets, il possède donc 8
électrons : la règle de l"octet est vérifiée. correction - CCP physique TSI 20162 / 9Pierre de Coubertin | TSI2 | 2017-2018Mickaël Melzani -www.mmelzani.fr
II.1.d?DansH
2O:n:o:(H) = +I;n:o:(O) =II(cas classique, pas d"exception ici).
DansO2:n:o:(O) = 0(en posantx=n.o.(O), on a2x= 0doncx= 0).
DansH 2O2: n.o.(H) = +I (cas classique), mais un n.o. de -II est impossible pour O car sinon
on aurait une charge totale de21 + 2(2) =2, orH 2O2est neutre. Il faut donc poser
x=n.o.(O), on a21 + 2x= 0, doncx=1, d"oùn:o:(O) =I:?Il y a donc existence du coupleH 2O 2/H2O, où le n.o. de l"oxygène est de -I dans l"oxydant
H 2O2et de -II dans le réducteurH
2O. ?Il y a également existence du coupleO 2/H 2O2, où le n.o. de l"oxygène est de 0 dans l"oxydant
O2et de -I dans le réducteurH
2O 2.II.1.eCoupleO
2/H 2O 2:O2(g)+ 2H
(aq)+ 2e=H 2O2(aq):
CoupleH
2O 2/H 2O:H 2O2(aq)+ 2H
(aq)+ 2e= 2H 2O (l): On somme les deux demi-équations afin d"éliminer les électrons. On obtient : 2H 2O2(aq)= 2H
2O (l)+O 2(g):II.1.fUne dismutation est une réaction dans laquelle une même espèce chimique est consommée en
jouant à la fois le rôle d"oxydant et de réducteur. Une réaction de médiamutation est la réaction inverse.Ici on est en présence d"une dismutation, carH
2O2joue à la fois le rôle d"oxydant et de réducteur.
II.1.gOn peut placer les deux couples sur l"échelle desE0(on place l"oxydant à gauche, le réduc-
teur à droite). La règle du gamma est alors respectée, et on en déduit que la réaction (3) sera
thermodynamiquement favorisée dans le sens direct (sonK0est grand devant 1). II.1.hPrenons un volumeVde solution. La masse de cette solution estm= (d)V, avecla masse volumique de l"eau etdla densité de la solution.La masse deH
2O2dans cette solution est doncmH2O2=x(d)Vavecx= 3%.
La quantité de matière deH
2O2estn=mH2O2M
H2O2=xdVM
H2O2.Et la concentration estC=nV
, soitC=xdMH2O2= 0:92mol=L:(Attention pour l"A.N. à mettreMen kg/mol, et au fait que le résultat est enmol=m3par
défaut.)II.2 - Décomposition de l"eau oxygénée
II.2.aLa vitesse de la réaction estv=kC(t)car on fait l"hypothèse d"un ordre 1 par rapport à l"eau
oxygénée.Et on sait également que
dCdt=d[H 2O 2] dt=iv, aveci=2le coefficient stoechiométrique deH 2O 2.On a donc
dCdt=2kC(t):D"autre part, la vitesse de disparition deH 2O2estvdisp;H2O2=d[H
2O 2] dt=dCdt.On a doncvdisp;H2O2= 2kC(t):kest ens1.
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II.2.b
dCdt=2kC(t):II.2.cSolution :C(t) =C0e2kt:II.2.dLe temps de demi-réaction est défini par la relationC(t1=2) =C0=2.
On a doncC0e2kt1=2=C0=2, soitt1=2=ln(2)2k= 1:73102s;soit 2min et 53s.II.2.eOn ne peut pas commenter grand chose...
II.3 - Propulseur à eau oxygénée
II.3.aOn utilise la loi de Hess. On obtientrH0(298K) =196kJ=mol:Le signe négatif indique que la réaction est exothermique, ce qui implique que l"on peut s"en
servir comme carburant (il y aura donc potentiellement montée en température et en pression).II.3.bTableau d"avancement, en moles:
2H 2O2(l)= 2H
2O (g)+O2(g)E.I. 1 0 0
122 E.F. (=max= 0:5) 0 1 0.5Dans l"état final, le réactif est épuisé car on indique que la réaction est totale. L"avancement est
donc maximal. Il est donné par l"épuisement du réactif, soit12max= 0, doncmax= 0:5mol. On complète alors les deux cases pour les produits dans l"E.F.II.3.cOn considère le système {ensemble des composants physico-chimiques}. La transformation est
un avancementmaxde la réaction. On la suppose ici isotherme et isobare. ?Réaction chimique d"avancementmax, isotherme à 25°C :H=maxrH0. ?Premier principe version isobare etp=pext:H=Qreçu=Qcédé. ?On a doncQcédé=maxrH0. Application numérique avecmax= 0:5mol (ce qui correspond à 1 mole deH 2O2consommée) :
Q cédé= 98kJ. On a donc un transfert thermique cédé, par mole deH 2O2consommée,Qm=rH02
= 98kJ=mol:Soit, par unité de masse deH 2O2consommée,q=rH02MH2O2= 2:88MJ=kg:II.3.dLe catalyseur accélère la réaction, qui sinon est lente. Il est donc indispensable.
II.3.e?Le premier principe indique que, entre l"entrée et la sortie d"un système en écoulement
stationnaire : h+ ec+ ep=wi+q; avech=hshela variation d"enthalpie massique,ec=12 (v2sv2e)la variation d"énergie cinétique massique,ep=g(zsze)la variation d"énergie potentielle de pesanteur,wile travailmassique indiqué reçu (travail autre que celui des forces de pression d"admission et de refoulement,
donc travail fourni par les parties mobiles dans le système), etqtransfert thermique massique reçu. correction - CCP physique TSI 20164 / 9Pierre de Coubertin | TSI2 | 2017-2018Mickaël Melzani -www.mmelzani.fr
?Pour l"appliquer il faut choisir le système. On prend ici le fluide en écoulement dans la tuyère.
On awi= 0car il n"y a pas de parties mobiles dans la tuyère, etq= 0car la tuyère est calorifugée. On néglige égalementep.On a doncec=h.
Or la température en sortie de tuyère est plus faible que celle en entrée (car les gaz arrivant en
entrée ont été chauffés par la réaction chimique précédente). Donch <0. Doncec>0;il y
a bien accélération des gaz.II.3.fOn aec=12
(v2gaz,maxv2e)'v2gaz,max2D"oùvgaz,max=p2(hehs):II.3.g?Si on suppose les gaz parfaits, on ahehs=cp,tot(TcTf)avecTc= 1350°C la tempéra-
ture des gaz en entrée de la tuyère (température obtenue grâce à la décomposition exothermique
de l"eau oxygénée), etTf= 400°C la température des gaz en sortie de la tuyère.?Il faut trouver la capacité thermiquemassiqueà pression constantecp,totdu mélange s"écoulant
dans la tuyère, c"est-à-dire du mélange deO 2etH2Oproduit par la réaction. Attention, les
capacités massiques ne s"ajoutent pas, seules les capacités molaires le font. Il faut donc passer
par celles-ci.On considère une mole deH
2O2consommée, ceci représente une masse
m= 1molMH2O2= 34:02g:Ceci produit 0.5 mole deO
2et 1 mole deH
2O, soit une capacité thermique totale
C tot= 0:5molCp;m(O2(g)) + 1molCp;m(H
2O (g)):quotesdbs_dbs50.pdfusesText_50[PDF] corrigé ccp 2017 physique
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