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> Prog. de colles > Du 28/05 au 01/06/2018

Du 28/05 au 01/06/2018

Cette semaine, les colles de Physique sont consacrées aux changements d'état, et à la statique des fluides (en questions de cours comme en exercices).

QUESTIONS DE COURS DE CETTE SEMAINE

Q1

Qu’appelle-t-on pression de vapeur saturante ? De quoi dépend-elle ?

Q2

Tracer l'allure du diagramme des phases (P,v) d’un corps pur (on se limitera aux phases liquide et vapeur). Tracer quelques isothermes et justifier leur allure.

Q3

Tracer le diagramme des phases (P,h) d’un corps pur (on se limitera aux phases liquide et vapeur). Tracer quelques isothermes et justifier leur allure.

Q4

Expliquer comment déterminer graphiquement les titres en liquide et en vapeur x_V et x_L d’un système diphasé liquide-vapeur à partir de son point représentatif dans le diagramme (P,v) ou (P,h) (on ne demande pas de démonstration).

Q5

Expliquer la problématique du stockage des fluides, du point de vue de la sécurité.

Q6

[question longue] Démontrer la relation fondamentale de la statique des fluides :

\overrightarrow{\textrm{grad}}(P)=\rho\overrightarrow{g}


Q7

Déterminer le champ de pression P(z) dans un fluide homogène et incompressible de masse volumique \rho, à partir de la relation fondamentale de la statique des fluides.

Q8

Déterminer le champ de pression P(z) dans un gaz parfait isotherme (température T uniforme), à partir de la relation fondamentale de la statique des fluides.

Q9

Qu'est-ce que le facteur de Boltzmann, et quelle est sa signification ?
Donner quelques exemples de situations physiques où ce facteur apparaît.

 

COMPÉTENCES ÉVALUABLES CETTE SEMAINE DANS LES EXERCICES
Travail des forces de pression. Transformations isochore, monobare.
- Calculer le travail par découpage en travaux élémentaires et sommation sur un chemin donné dans le cas d’une seule variable.
- Interpréter géométriquement le travail des forces de pression dans un diagramme de Clapeyron.Transfert thermique. Transformation adiabatique. Thermostat, transformations monotherme et isotherme.
- Distinguer qualitativement les trois types de transferts thermiques : conduction, convection et rayonnement.
- Identifier dans une situation expérimentale le ou les systèmes modélisables par un thermostat.
- Proposer de manière argumentée le modèle limite le mieux adapté à une situation réelle entre une transformation adiabatique et une transformation isotherme.Premier principe de la thermodynamique : \Delta U + \Delta {\cal E}_M = Q + W.
- Définir un système fermé et établir pour ce système un bilan énergétique faisant intervenir le travail et le transfert thermique Q.
- Exploiter l’intensivité de l’énergie interne.
- Distinguer le statut de la variation d’énergie interne du statut des termes d’échange.
- Calculer le transfert thermique Q sur un chemin donné connaissant le travail W et la variation de l’énergie interne \Delta U.Enthalpie d’un système. Capacité thermique à pression constante dans le cas du gaz parfait et d’une phase condensée incompressible et indilatable.
- Exprimer l’enthalpie H_m(T) du gaz parfait à partir de l’énergie interne.
- Comprendre pourquoi l’enthalpie H_m d’une phase condensée peu compressible peu dilatable peut être considérée comme une fonction de l’unique variable T.
- Exprimer le premier principe sous forme de bilan d’enthalpie dans le cas d’une transformation monobare avec équilibre mécanique dans l’état initial et final.
- Connaître l’ordre de grandeur de la capacité thermique massique de l’eau liquide.

Loi de Laplace.
- Connaître la loi de Laplace et ses conditions d’application.

Deuxième principe : fonction d’état entropie, entropie créée, entropie échangée. \Delta S = S_{ech} + S_{cr} avec S_{ech}=\sum_{i} \frac{Q_i}{T_i}.
- Définir un système fermé et rétablir pour ce système un bilan entropique. Relier l’existence d’une entropie créée à une ou plusieurs causes physiques d’irréversibilité.
- Interpréter qualitativement l’entropie en terme de désordre en s’appuyant sur la formule de Boltzmann (a fait l’objet en classe d’une activité documentaire).

Variation d’entropie d’un système.
- Utiliser l’expression fournie de la fonction d’état entropie.
- Exploiter l’extensivité de l’entropie.

Application du premier principe et du deuxième principe aux machines thermiques cycliques dithermes : rendement, efficacité, théorème de Carnot.
- Donner le sens des échanges énergétiques pour un moteur ou un récepteur thermique ditherme.
- Analyser un dispositif concret et le modéliser par une machine cyclique ditherme.
- Définir un rendement ou une efficacité et la relier aux énergies échangées au cours d’un cycle.  Justifier et utiliser le théorème de Carnot.
- Citer quelques ordres de grandeur  des rendements des machines thermiques réelles actuelles.

Corps pur diphasé en équilibre. Diagramme de phases (P,T). Cas de l’équilibre liquide-vapeur : diagramme de Clapeyron (P,v), titre en vapeur.
- Analyser un diagramme de phase expérimental (P,v).
- Proposer un jeu de variables d’état suffisant pour caractériser l’état d’équilibre d’un corps pur diphasé soumis aux seules forces de pression.
- Positionner les phases dans les diagrammes (P,T) et (P,v).
- Déterminer la composition d’un mélange diphasé en un point d’un diagramme (P,v).
- Expliquer la problématique du stockage des fluides.

Equilibre liquide-vapeur de l’eau en présence d’une atmosphère inerte.
- Utiliser la notion de pression partielle pour adapter les connaissances sur l'équilibre liquide-vapeur d'un corps pur au cas de l'évaporation en présence d'une atmosphère inerte.

Enthalpie associée à une transition de phase : enthalpie de fusion, enthalpie de vaporisation, enthalpie de sublimation.
- Exploiter l’extensivité de l’enthalpie et réaliser des bilans énergétiques en prenant en compte des transitions de phases.

Deuxième principe : bilan d’entropie. Cas particulier d’une transition de phase.
- Connaître et utiliser la relation entre les variations d’entropie et d'enthalpie associées à une transition de phase : \Delta h_{12}(T)= T\Delta s_{12}.

Exemples d'études de machines thermodynamiques réelles à l'aide de diagrammes (P,h).
- Utiliser le 1er principe dans un écoulement stationnaire sous la forme h_2-h_1 = w_u+q, pour étudier une machine thermique.

STATIQUE DES FLUIDES

Forces surfaciques, forces volumiques
Distinguer le statut des forces de pression et des forces de pesanteur.

Statique dans le champ de pesanteur uniforme : relation \frac{dP}{dz}=-\rho g
- Connaître des ordres de grandeur des champs de pression dans le cas dans le cas de l’océan et de l’atmosphère.
- Exprimer l’évolution de la pression avec l’altitude dans le cas d’un fluide incompressible et homogène et dans le cas de l’atmosphère isotherme dans le modèle du gaz parfait.

Facteur de Boltzmann
- S’appuyer sur la loi d’évolution de la densité moléculaire de l’air dans le cas de l’atmosphère isotherme pour illustrer le signification du facteur de Boltzmann.
- Reconnaître un facteur de Boltzmann ; comparer  aux écarts d’énergie dans un contexte plus général.

Résultante des forces de pression
- Exprimer une surface élémentaire dans un système de coordonnées adapté.
- Utiliser les symétries pour déterminer la direction d’une résultante des forces de pression.
- Evaluer une résultante des forces de pression.

Poussée d’Archimède
- Expliquer l’origine de la poussée d’Archimède.
- Exploiter la loi d’Archimède.

Equivalent volumique des forces de pression. Equation locale de la statique des fluides.
- Exprimer l’équivalent volumique des forces de pression à l’aide d’un gradient.
- Etablir l’équation locale de la statique des fluides.

Bon travail à tous !

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