Agrégation chimie externe 2023, épreuve 2Sujet et rapport du jury
Agrégation externe section physique-chimie option chimie - Sujet de la deuxième épreuve écrite de la session 2023
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Sujet officiel Agrégation externe en chimie, session 2023.
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SESSION 2023
AGRÉGATION
CONCOURS EXTERNE
Section : PHYSIQUE-CHIMIE
Option : CHIMIE
COMPOSITION DE PHYSIQUE
Durée : 5 heures
Calculatrice autorisée selon les modalités de la circulaire du 17 juin 2021 publiée au BOEN du 29 juillet 2021.
L'usage de tout ouvrage de référence, de tout dictionnaire et de tout autre matériel électronique est rigoureusement interdit.
Il appartient au candidat de vérifier qu'il a reçu un sujet complet et correspondant à l'épreuve à laquelle il se présente.
Si vous repérez ce qui vous semble être une erreur d'énoncé, vous devez le signaler très lisiblement sur votre copie, en proposer la correction et poursuivre l'épreuve en conséquence. De même, si cela vous conduit à formuler une ou plusieurs hypothèses, vous devez la (ou les) mentionner explicitement.
NB : Conformément au principe d'anonymat, votre copie ne doit comporter aucun signe distinctif, tel que nom, signature, origine, etc. Si le travail qui vous est demandé consiste notamment en la rédaction d'un projet ou d'une note, vous devrez impérativement vous abstenir de la signer ou de l'identifier.
Le fait de rendre une copie blanche est éliminatoire
Le fait de rendre une copie blanche est éliminatoire
INFORMATION AUX CANDIDATS
Vous trouverez ci-après les codes nécessaires vous permettant de compléter les rubriques figurant en en-tête de votre copie.
Ces codes doivent être reportés sur chacune des copies que vous remettrez.
| Concours | Section/option | Epreuve | Matière |
| E|A|E | 1/5/0/0/B | 1|0|2 | 0|3|8|5 |
Formulaire et notations
Notations :
x˙ désigne la dérivée temporelle de
x
la représentation complexe d'une grandeur physiquex(t) en régime harmonique est notée
x_–
i est le nombre complexe tel que
i^2 = − 1
la représentation complexe d'une grandeur physique
Trigonométrie :
Fonctions hyperboliques :
Dérivées des fonctions hyperboliques :
Développement limité :
Données
| Constante de Planck |
|
| Constante de Planck réduite |
|
| Constante de Boltzmann |
|
| Nombre d'Avogadro |
|
| Constante des gaz parfaits |
|
| Masse molaire du cuivre |
|
Oscillateurs et modes propres
Ce problème se compose de 4 parties. La partie 1-Préliminaire, pose les bases de l'oscillateur harmonique à un degré de liberté. La partie 2 permet d'illustrer la notion de mode propre dans le cas de deux oscillateurs mécaniques couplés. La partie 3 généralise ces résultats à N puis une infinité d'oscillateurs couplés. La partie 4 propose une application de ces notions à des modèles permettant de calculer la capacité thermique de solides cristallins.
Ces 4 parties sont largement indépendantes.
Tout objet physique, comme une corde vibrante, un pont, un bâtiment ou encore une molécule possède un certain nombre, parfois infini, de modes de vibration, appelés modes propres, qui dépendent de sa structure, de ses constituants ainsi que des conditions aux limites qui lui sont imposées.
Le mouvement le plus général d'un tel système est une superposition de modes propres. Chacun de ces modes peut vibrer indépendamment des autres, c'est-à-dire que l'excitation du système dans un mode donné ne provoquera pas l'excitation des autres modes. Ainsi, le système pourra être considéré comme un ensemble d'oscillateurs harmoniques indépendants. Si le système est soumis à une excitation externe, il peut entrer en résonance à chacune des fréquences propres associées aux différents modes propres.
Un tel système peut également stocker de l'énergie dans ses modes, c'est ce qui permet d'établir les modèles de calcul de capacités thermiques des solides cristallins.
Le mouvement le plus général d'un tel système est une superposition de modes propres. Chacun de ces modes peut vibrer indépendamment des autres, c'est-à-dire que l'excitation du système dans un mode donné ne provoquera pas l'excitation des autres modes. Ainsi, le système pourra être considéré comme un ensemble d'oscillateurs harmoniques indépendants. Si le système est soumis à une excitation externe, il peut entrer en résonance à chacune des fréquences propres associées aux différents modes propres.
Un tel système peut également stocker de l'énergie dans ses modes, c'est ce qui permet d'établir les modèles de calcul de capacités thermiques des solides cristallins.
1 Préliminaire - Oscillateur harmonique
□ Q1 - Définir la notion de référentiel galiléen.
□ Q2 - Définir la notion de référentiel terrestre.
□ Q3 - Indiquer dans quelle(s) condition(s) expérimentale(s) on peut considérer le référentiel terrestre comme galiléen.
□ Q4 - Énoncer les trois lois de Newton de la mécanique.
□ Q2 - Définir la notion de référentiel terrestre.
□ Q3 - Indiquer dans quelle(s) condition(s) expérimentale(s) on peut considérer le référentiel terrestre comme galiléen.
□ Q4 - Énoncer les trois lois de Newton de la mécanique.
On étudie le mouvement d'une masse ponctuelle
m située au point
M , attachée à un ressort de raideur
k dont l'autre extrémité est attachée en un point
O à un support fixe du référentiel terrestre. La masse
m est assujettie à se déplacer sans aucun frottement le long d'un axe horizontal
Ox , dans ce référentiel, considéré comme galiléen. On appelle
l_0 la longueur à vide du ressort et on choisit l'origine des
x de telle sorte que
x = 0 à la position d'équilibre de la masse.
□ Q5 - Faire un schéma de la situation en faisant apparaître clairement la variablex et la grandeur
l_0 . Expliciter alors la force de rappel du ressort (norme, direction et sens) à l'aide des grandeurs précédentes.
□ Q6 - Montrer que l'équation du mouvement de la masse peut s'écrire :
□ Q5 - Faire un schéma de la situation en faisant apparaître clairement la variable
□ Q6 - Montrer que l'équation du mouvement de la masse peut s'écrire :
Donner l'expression de la pulsation propre
ω_0 de cet oscillateur harmonique, en fonction de
k et
m .
□ Q7 - On choisit les conditions initiales suivantes :x(0) = x_0 et
x˙(0) = 0 . Expliciter la solution
x(t) .
□ Q7 - On choisit les conditions initiales suivantes :
2 Modes propres de deux oscillateurs mécaniques couplés
On étudie maintenant le système suivant, représenté figure 1. Deux masses ponctuelles identiques
M_1 et
M_2 , de masse
m = 100 g , sont reliées d'un côté à deux parois fixes par deux ressorts identiques de raideur
k et entre elles par un ressort de couplage de raideur
k^′ . L'axe
Ox est horizontal et la distance entre les parois fixes est telle qu'à l'équilibre les ressorts ont une longueur correspondant à leur longueur à vide. Les masses sont assujetties à glisser sans frottement le long de l'axe
Ox . On note
x_1(t) et
x_2(t) les déplacements des masses par rapport à leur position d'équilibre.

Figure 1
□ Q8 - Montrer que la force exercée par le ressort de raideur
k^′ sur la masse
M_1 s'écrit :
F⃗_1^′ = − k^′(x_1 − x_2)u⃗_x , où
u⃗_x désigne le vecteur unitaire correspondant à l'axe
Ox orienté vers les
x croissants. On justifiera soigneusement le signe et la dépendance en
(x_1 − x_2) .
□ Q9 - Écrire de même, en la justifiant, l'expression de la forceF⃗_2^′ exercée par le ressort de raideur
k^′ sur la masse
M_2 .
□ Q10 - Montrer que les déplacementsx_1(t) et
x_2(t) qui décrivent le mouvement des masses sont solutions du système d'équations couplées :
□ Q9 - Écrire de même, en la justifiant, l'expression de la force
□ Q10 - Montrer que les déplacements
□ Q11 - On effectue le changement de variables :
s = x_1 + x_2 et
d = x_1 − x_2 . Écrire les deux équations différentielles satisfaites par
s et
d . Commenter.
□ Q12 - Donner la forme générale des solutions en(s, d) . On fera en particulier apparaître deux pulsations caractéristiques
Ω_s et
Ω_a > Ω_s dont on donnera les expressions en fonction de
m, k et
k^′ . On ne cherchera pas à exprimer les constantes d'intégration figurant dans les expressions de
s(t) et
d(t) .
Ω_s et
Ω_a sont appelées pulsations propres du système des deux oscillateurs couplés.
□ Q13 - En déduire les expressions générales des déplacementsx_1(t) et
x_2(t) . Commenter.
□ Q14 - On choisit des conditions initiales symétriques pourx_1 et
x_2 :
□ Q12 - Donner la forme générale des solutions en
□ Q13 - En déduire les expressions générales des déplacements
□ Q14 - On choisit des conditions initiales symétriques pour
Expliciter
s(t) et
d(t) . Pour plus de commodité, on cherchera ces fonctions sous la forme générale
Acos(ωt) + Bsin(ωt) , avec
ω, A et
B à déterminer.
□ Q15 - En déduirex_1(t) et
x_2(t) . Le mouvement correspondant est appelé mode symétrique.
□ Q16 - Décrire qualitativement dans ce cas le mouvement relatif des deux masses. On illustrera le propos par un schéma.
□ Q17 - Commenter le fait queΩ_s ne dépende pas de
k^′ .
□ Q18 - Proposer des conditions initiales permettant d'exciter uniquement le mode de pulsation propreΩ_a , appelé mode antisymétrique. Décrire à l'aide d'un schéma le mouvement des deux masses dans ce mode.
□ Q19 - Les figures 2a et 2b représentent les chronogrammes des positionsx_1(t) et
x_2(t) pour chacun des deux modes. A quel mode correspond chacune de ces figures ? On justifiera la réponse.
□ Q20 - Déterminer entièrement les conditions initiales correspondant à chaque situation décrite par ces chronogrammes.
□ Q21 - Calculer, en utilisant les chronogrammes, les valeurs numériques des pulsations propresΩ_s et
Ω_a , et en déduire les constantes de raideur
k et
k^′ . On ne cherchera pas à évaluer les incertitudes sur ces valeurs mais on sera attentif au nombre de chiffres significatifs du résultat proposé.
□ Q22 - Le chronogramme de la figure 3 donnex_1(t) et
x_2(t) pour les conditions initiales suivantes :
□ Q15 - En déduire
□ Q16 - Décrire qualitativement dans ce cas le mouvement relatif des deux masses. On illustrera le propos par un schéma.
□ Q17 - Commenter le fait que
□ Q18 - Proposer des conditions initiales permettant d'exciter uniquement le mode de pulsation propre
□ Q19 - Les figures 2a et 2b représentent les chronogrammes des positions
□ Q20 - Déterminer entièrement les conditions initiales correspondant à chaque situation décrite par ces chronogrammes.
□ Q21 - Calculer, en utilisant les chronogrammes, les valeurs numériques des pulsations propres
□ Q22 - Le chronogramme de la figure 3 donne
Comment appelle-t-on le phénomène caractérisé par ce type d'évolution temporelle? Citer une autre situation dans laquelle on retrouve ce phénomène.
□ Q23 - Retrouver les valeurs numériques des deux pulsations propresΩ_s et
Ω_a grâce à ces chronogrammes. Conclure. Cette question nécessite de l'initiative et plusieurs étapes, on explicitera clairement la démarche utilisée.
□ Q23 - Retrouver les valeurs numériques des deux pulsations propres

Figure 2

Figure 3
□ Q24 - RÉSOLUTION NUMÉRIQUE :
Le chronogramme montré figure 3 a été tracé à l'aide du programme PYTHON ci-après.
Le chronogramme montré figure 3 a été tracé à l'aide du programme PYTHON ci-après.
- a)Que permet de définir la ligne 21 du programme ?
- b)Exprimer les coefficients
a etb figurant lignes 11 et 12 du programme, en fonction dek ,k^′ etm . - c)Compléter la ligne 25 :
Y_0 = … . permettant d'obtenir le tracé de la figure 3.
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from scipy . integrate import odeint
from math import *
" " "
DOCUMENTATION :
odeint(f,YO,t) résout l’équation différentielle dY/dt=f(Y,t) où YO est la
condition initiale et t un tableau contenant les valeurs du temps
choisies pour la résolution.
"""
# Définition des coefficients, en unités SI, du système d’équations diffé
rentielles défini lignes 20 à 22 :
a=11
b=-1
# Définition de la variable temps
T=2*pi/a
t = np.linspace(0,100*T,1000)
# Définition du système d'équations différentielles couplées
def f(Y,t):
[v1,x1,v2,x2]=Y
return([-a*x1-b*x2,v1,-a*x2-b*x1,v2])
# Compléter la valeur du vecteur YO
# distances en cm et vitesses en m/s
Y0 = [? , ? , ? , ?]
# Résolution du système d'équations différentielles
Sol=odeint(f,Y0,t)
# Tracé des chronogrammes :
plt.figure(0)
plt.subplot(2,1,1)
plt.plot(t,Sol[:,1],label=u'x1’)
plt.grid(b=True, which=’major’, linestyle=’-’)
plt.minorticks_on()
plt.grid(b=True, which=’minor’,linestyle=’-’, alpha=0.2)
plt.ylabel(u'$x_1 (cm)$', fontsize=15, rotation=90)
plt.subplot(2,1,2)
plt.plot(t,Sol[:,3],label=u'x2')
plt.grid(b=True, which=’major’, linestyle=’-’)
plt.minorticks_on()
plt.grid(b=True, which=’minor’,linestyle=’-’, alpha=0.2)
plt.xlabel(u’$t (s)$’, fontsize=15)
plt.ylabel(u'$x_2 (cm)$', fontsize=15, rotation=90)
plt.show()
3 Modes de vibration d'une chaîne d'atomes
Nous allons dans cette partie augmenter le nombre d'oscillateurs couplés et envisager une chaîne unidimensionnelle de masses reliées par des ressorts.
Les ondes acoustiques dans les solides ou le comportement thermique des solides cristallins peuvent être décrits en utilisant un modèle simple de milieu déformable constitué d'un assemblage microscopique à 3 dimensions de type masses-ressorts.
On exploite dans ce qui suit un modèle simplifié, à 1 dimension : on représente le solide cristallin par une chaîne linéaire d'atomes identiques de masse
m , alignés sur l'axe
Ox . A l'équilibre, ils sont séparés par une distance
a et l'atome
n se trouve à l'abscisse
x_n = na . Une perturbation longitudinale se propageant selon l'axe
Ox modifie la position des atomes, l'atome
n étant déplacé, à
t , d'une quantité
u_n(t) telle que
|u_n|≪a (voir figure 4). On suppose que dans la chaîne unidimensionnelle, l'atome
n subit uniquement l'action de ses deux plus proches voisins, les atomes
(n − 1) et
(n + 1) . Si les déplacements sont de faible amplitude, on peut modéliser l'interaction entre deux atomes voisins par une force de rappel élastique correspondant à un ressort de raideur
α .

Figure 4
3.1 Chaîne supposée infinie
Par application de la relation fondamentale de la dynamique, on montre que, dans ce cadre, l'équation différentielle du mouvement de l'atome
n s'écrit :
□ Q25 - On veut montrer qu'une onde élastique longitudinale de pulsation
ω , de vecteur d'onde
k peut se propager le long de la chaîne, en induisant un déplacement longitudinal de l'atome
n sous la forme :
où
A est une constante, indépendante de
n et de
t . Qualifier cette onde le plus précisément possible.
□ Q26 - Définir la notion de relation de dispersion.
□ Q27 - Établir la relation de dispersion de cette onde. On pourra utiliser la relation de trigonométrie :cos(u) = 1 − 2sin^2(u/2) .
□ Q28 - Montrer qu'on peut limiter l'étude de la relation de dispersion à des valeurs dek dans l'intervalle
[0; π/a] , c'est-à-dire
ka ∈ [0; π] . Tracer le graphe donnant
ω en fonction de
ka pour
ka ∈ [0; π] .
□ Q29 - Montrer qu'il existe une pulsation maximaleω_M des ondes pouvant se propager dans ce milieu. On exprimera
ω_M en fonction de
α et
m .
□ Q30 - Préciser la relation existant entreu_(n + 1) et
u_n pour
ω = ω_M . Décrire alors le mouvement relatif des atomes.
□ Q31 - Qu'advient-il dek pour des pulsations supérieures à
ω_M ? Comment nomme-t-on ce type d'ondes?
□ Q32 - Définir la notion de vitesse de phasev_φ et la vitesse de groupe
v_g d'une onde plane progressive harmonique et donner leur signification physique.
□ Q33 - Calculer les vitesses de phase et de groupe pour cette onde élastique, en fonction dea, α, m et de la variable réduite
ka .
□ Q34 - Le milieu est-il dispersif ? Justifier votre réponse.
□ Q35 - Les graphes dev_φ et
v_g sont donnés figure 5. On a représenté les vitesses de phase et de groupe, adimensionnées par
v_0 = a√(α/m) en fonction du vecteur d'onde adimensionné
ka . Commenter les limites de
v_φ et
v_g pour
ka → 0 et
ka → π .
□ Q26 - Définir la notion de relation de dispersion.
□ Q27 - Établir la relation de dispersion de cette onde. On pourra utiliser la relation de trigonométrie :
□ Q28 - Montrer qu'on peut limiter l'étude de la relation de dispersion à des valeurs de
□ Q29 - Montrer qu'il existe une pulsation maximale
□ Q30 - Préciser la relation existant entre
□ Q31 - Qu'advient-il de
□ Q32 - Définir la notion de vitesse de phase
□ Q33 - Calculer les vitesses de phase et de groupe pour cette onde élastique, en fonction de
□ Q34 - Le milieu est-il dispersif ? Justifier votre réponse.
□ Q35 - Les graphes de

Figure 5 - En trait continu :
v_g/v_0 - En pointillés :
v_φ/v_0
On se place maintenant dans l'approximation des milieux continus, dans laquelle la distance entre atomes
a est très petite devant la longueur d'onde des ondes élastiques étudiées.
□ Q36 - Comment cette approximation se traduit-elle sur la valeur de la variable adimensionnéeka ?
□ Q36 - Comment cette approximation se traduit-elle sur la valeur de la variable adimensionnée
Dans cette approximation, le déplacement
u_n de l'atome
n , situé en
x = na au repos, peut être remplacé par une fonction continue
u(x, t) où la variable
x représente la position de cet atome au repos.
On peut alors, en utilisant la formule des accroissements finis en remplaçant
dx par
a , écrire :
□ Q37 - En reprenant l'équation 11, montrer que la fonction
u(x, t) est solution de l'équation aux dérivées partielles :
On exprimera
V en fonction de
a, α et
m .
□ Q38 - Comment appelle-t-on ce type d'équation aux dérivées partielles ? Citer deux autres domaines où on retrouve cette équation (on précisera la ou les grandeurs physiques concernées).
□ Q39 - Que représente physiquementV ?
□ Q40 - Application numérique pour un cristal de silicium :
a = 4, 0.10^(− 10) m, M_(Si) = 28 g ⋅ mol^(− 1), α = 25 N ⋅ m^(− 1) . Calculer
f_M = ω_M/2π et
V . De quel type d'onde s'agit-il?
□ Q38 - Comment appelle-t-on ce type d'équation aux dérivées partielles ? Citer deux autres domaines où on retrouve cette équation (on précisera la ou les grandeurs physiques concernées).
□ Q39 - Que représente physiquement
□ Q40 - Application numérique pour un cristal de silicium :
3.2 Chaîne finie
La chaîne est à présent finie, limitée à
2N + 1 atomes, identiques aux précédents, numérotés de
n = − N à
n = + N . Les atomes aux extrémités de la chaîne, de longueur
L = 2Na , sont maintenus fixes et on se propose d'étudier les modes de vibration de ce système d'oscillateurs couplés, sous la forme d'une onde stationnaire de pulsation
ω , de vecteur d'onde
k .
On se place encore dans l'approximation des milieux continus et on s'intéresse à l'analogie entre les modes stationnaires de la chaîne d'atomes et ceux de la corde de Melde.
On se place encore dans l'approximation des milieux continus et on s'intéresse à l'analogie entre les modes stationnaires de la chaîne d'atomes et ceux de la corde de Melde.

Figure 6
On étudie une corde infiniment souple de longueur
L , de masse linéique
μ , attachée à ses extrémités
x = 0 et
x = L à des supports fixes dans le référentiel d'étude galiléen (voir figure 6), et sur laquelle s'exerce une tension
T_0 . On note
y(x, t) le déplacement transversal de la corde par rapport à sa position au repos. On envisage les ondes stationnaires susceptibles d'exister sur cette corde.
□ Q41 - Dans le dispositif expérimental représenté figure 6, par quel moyen peut-on modifier la valeur de la tensionT_0 ?
□ Q42 - Donner la définition générale d'une onde stationnaire et écrire la forme générale dey(x, t) pour une telle onde sur la corde.
□ Q43 - Écrire les conditions aux limites imposées à la fonctiony(x, t) sur la corde de Melde et en déduire l'expression du module des vecteurs d'onde propres
k_p de cette corde, en fonction de
L et d'un entier naturel non nul
p .
□ Q44 - Donner la relation entrek, ω et
V_M célérité des ondes élastiques sur la corde. En déduire l'expression de la pulsation
ω_p correspondant au mode
p , en fonction de
L et
V_M .
□ Q45 - Expliciter la fonctiony_p(x, t) , onde stationnaire correspondant au mode
p .
□ Q46 - Définir la notion de noeud et de ventre de vibration et donner l'interprétation physique dep .
□ Q47 - Représenter sur le même graphe l'allure dey_3(x, t) correspondant au mode
p = 3 en fonction de
x ∈ [0, L] , à différents instants.
□ Q48 - En reproduisant et complétant le tableau ci-dessous, expliciter l'analogie entre la chaîne d'atomes et la corde de Melde, de masse linéiqueμ , soumise à une tension
T_0 .
□ Q41 - Dans le dispositif expérimental représenté figure 6, par quel moyen peut-on modifier la valeur de la tension
□ Q42 - Donner la définition générale d'une onde stationnaire et écrire la forme générale de
□ Q43 - Écrire les conditions aux limites imposées à la fonction
□ Q44 - Donner la relation entre
□ Q45 - Expliciter la fonction
□ Q46 - Définir la notion de noeud et de ventre de vibration et donner l'interprétation physique de
□ Q47 - Représenter sur le même graphe l'allure de
□ Q48 - En reproduisant et complétant le tableau ci-dessous, expliciter l'analogie entre la chaîne d'atomes et la corde de Melde, de masse linéique
| Chaîne d'atomes | Corde de Melde | |
| Grandeur de propagation |
|
|
| Equation de propagation | ||
| Conditions aux limites | ||
| Vitesse de phase |
|
□ Q49 - En revenant à la chaîne d'atomes, utiliser l'analogie pour calculer les pulsations
ω_p des modes propres de la chaîne d'atomes.
□ Q50 - Comparer les résultats de cette partie et ceux de la partie 3.1, on discutera en particulier l'influence des conditions aux limites.
□ Q50 - Comparer les résultats de cette partie et ceux de la partie 3.1, on discutera en particulier l'influence des conditions aux limites.
4 Application : calcul de la capacité thermique des solides
L'étude des modes de vibration des réseaux cristallins est indispensable dans la description et le calcul de la capacité thermique des solides cristallins.
Dans un premier temps, on se propose dans cette partie, de mesurer la capacité thermique du cuivre.
On étudiera ensuite un modèle permettant de calculer la capacité thermique d'un solide cristallin, et retrouver en particulier la loi de Dulong et Petit.
Enfin, on verra comment la prise en compte des modes de vibration du réseau cristallin permet de modéliser correctement le comportement de la capacité thermique des solides en fonction de la température.
□ Q51 - Définir la capacité thermique molaire à volume constantC_(Vm) d'un système thermodynamique.
□ Q52 - Définir de même la capacité thermique molaire à pression constanteC_(pm) .
□ Q53 - Dans l'approximation des solides incompressibles indilatables, quelle relation approchée peut-on écrire entreC_(Vm) et
C_(pm) ? Donner, dans ce cadre, l'expression de l'énergie interne et de l'enthalpie molaires d'un solide.
□ Q54 - Définir la notion de système fermé et de système isolé.
□ Q55 - Définir la notion de transformation monobare et de transformation isobare.
□ Q56 - Énoncer le premier principe de la thermodynamique.
□ Q57 - Dans le cas d'un système fluide subissant une transformation monobare, avec équilibre mécanique avec l'extérieur dans les états initial et final, exprimer le premier principe de la thermodynamique à l'aide de la fonction d'état appropriée.
Dans un premier temps, on se propose dans cette partie, de mesurer la capacité thermique du cuivre.
On étudiera ensuite un modèle permettant de calculer la capacité thermique d'un solide cristallin, et retrouver en particulier la loi de Dulong et Petit.
Enfin, on verra comment la prise en compte des modes de vibration du réseau cristallin permet de modéliser correctement le comportement de la capacité thermique des solides en fonction de la température.
□ Q51 - Définir la capacité thermique molaire à volume constant
□ Q52 - Définir de même la capacité thermique molaire à pression constante
□ Q53 - Dans l'approximation des solides incompressibles indilatables, quelle relation approchée peut-on écrire entre
□ Q54 - Définir la notion de système fermé et de système isolé.
□ Q55 - Définir la notion de transformation monobare et de transformation isobare.
□ Q56 - Énoncer le premier principe de la thermodynamique.
□ Q57 - Dans le cas d'un système fluide subissant une transformation monobare, avec équilibre mécanique avec l'extérieur dans les états initial et final, exprimer le premier principe de la thermodynamique à l'aide de la fonction d'état appropriée.
4.1 Mesure de la capacité thermique massique d'un solide
Afin de mesurer la capacité thermique massique du cuivre, on propose d'utiliser la méthode des mélanges. Le protocole expérimental est décrit dans le document 1, qu'on trouvera en fin d'énoncé.
□ Q58 - On notec la capacité thermique massique du cuivre, et
c_(eau) celle de l'eau liquide. En justifiant soigneusement votre démarche, exprimer
c en fonction de
c_(eau), T_1, T_2, T_f, m_1, m_2 et
m_c masse en eau du calorimètre (voir les notations sur le document 1). Effectuer l'application numérique avec un nombre raisonnable de chiffres significatifs. Les questions suivantes ont pour but de déterminer l'incertitude sur cette mesure.
□ Q58 - On note
Données numériques :
où on note
u_g l'incertitude-type sur la mesure de la grandeur physique
g .
Pour calculer l'incertitude-type sur la mesure de
c par l'expérience décrite dans le document 1, on utilise le programme Python ci-dessous.
import numpy as np
import numpy.random as rd
import matplotlib.pyplot as plt
" " "
DOCUMENTATION :
La commande np.random.normal(m,s,N) renvoie une liste de N échantillons pris
au hasard, correspondant à la réalisation d'une variable aléatoire
gaussienne (loi normale), centrée autour de la valeur m et d'écart-type s
.
La commande np.random.uniform(min,max,N) renvoie une liste de N échantillons
pris au hasard, uniformément distribués (variable aléatoire suivant une
loi uniforme)dans l'intervalle [min;max[.
"""
# Entrée des différentes masses mesurées à la balance (en g)
m1 = 202.60 # masse d'eau dans le calorimètre
u_m1 = 0.10 # incertitude-type sur la mesure de m1
mc = 24.0 # valeur en eau du calorimètre
u_mc = 4.0 # incertitude-type sur la valeur en eau du calorimètre
m2 = 79.90 # masse de l’échantillon de cuivre
u_m2 = 0.10 # incertitude-type sur la masse de cuivre
# Entrée des valeurs des températures en Celcius:
T1 = 22.07 # température initiale de l’eau et du calorimètre
u_T1 = 0.15 # incertitude-type sur la mesure de T1
T2 = 99.0 # température initiale de l’échantillon de cuivre
u_T2 = 1.0 # incertitude-type sur la valeur de T2
Tf = 24.70 # température d'équilibre
u_Tf = 0.20 # incertitude-type sur la mesure de Tf
# Capacité thermique de l'eau (valeur tabulée)en J/(K.kg) :
c_eau = 4180
# Terme de températures
DT=(Tf-T1)/(T2-Tf)
# Terme de masses
DM = (m1+mc)/m2
# Simulation de N = 50000 mesures par la méthode Monte-Carlo
N =50000
m1_sim = np.random.uniform(m1-np.sqrt(3)*u_m1,m1+np.sqrt(3)*u_m1, N)
m2_sim = np.random.uniform(m2-np.sqrt(3)*u_m2,m2+np.sqrt(3)*u_m2, N)
mc_sim = np.random.uniform(mc-np.sqrt(3)*u_mc,mc+np.sqrt(3)*u_mc, N)
T1_sim = np.random.normal(T1,u_T1, N)
T2_sim = np.random.normal(T2,u_T2, N)
Tf_sim = np.random.normal(Tf,u_Tf, N)
# simulation des valeurs de c
c_sim = c_eau * (m1_sim+mc_sim)/m2_sim * (Tf_sim-T1_sim)/(T2_sim-Tf_sim)
# simulation sur le terme de températures
DT_sim = (Tf_sim-T1_sim)/(T2_sim-Tf_sim)
# simulation sur le terme de masses
DM_sim = (m1_sim+mc_sim)/m2_sim
# Analyse statistique des résultats de la simulation Monte-Carlo
c_moy = np.average(c_sim) # Calcul de la valeur moyenne de c_sim
u_c = np.std(c_sim,ddof=1) # Ecart-type sur c_sim
print(’c={:3.2f} et u_c={:2.2f}’.format(c_moy, u_c))
DT_moy = np.average(DT_sim) # Moyenne du terme de températures DT
u_DT = np.std(DT_sim,ddof=1) # Ecart-type du terme DT
u_DTrel = u_DT/DT_moy # Incertitude relative
print(’DT={:1.4f};u_DT={:1.4f};incertitude relative sur le terme DT={:2.2%}’
.format(DT_moy, u_DT,u_DTrel))
DM_moy = np.average(DM_sim) # Moyenne du terme de températures DM
u_DM = np.std(DM_sim,ddof=1) # Ecart-type du terme DM
u_DMrel = u_DM/DM_moy # Incertitude relative
print(’DM={:1.3f};u_DM={:1.3f};incertitude relative sur le terme DM={:2.2%}’
.format(DM_moy, u_DM,u_DMrel))
□ Q59 - Expliquer en quelques lignes la méthode de Monte-Carlo mise en œuvre dans ce programme pour calculer la valeur de
c et l'incertitude-type sur la mesure. Indiquer dans quelle(s) ligne(s) de ce programme cette méthode est mise en œuvre.
□ Q60 - Indiquer quelle ligne du programme permet de déterminer le résultat de la mesure dec et quelle ligne permet d'obtenir l'incertitude-type sur cette mesure.
□ Q60 - Indiquer quelle ligne du programme permet de déterminer le résultat de la mesure de
Le résultat de la compilation de ce programme est donné ci-dessous :
In [1]: (executing lines 1 to 76 of "Capacite_Cu_normale.py")
c=420.08 et u_c=42.03
DT=0.0354;u_DT=0.0035; incertitude relative sur le terme DT=9.84%
DM=2.836;u_DM=0.050;incertitude relative sur le terme DM=1.77%
□ Q61 - Donner le résultat de la mesure de
c par cette méthode, avec son incertitude-type.
□ Q62 - Quelle est la source principale de l'incertitude sur la mesure? Que pourrait-on proposer pour améliorer la précision de la méthode des mélanges? Pour la réponse, on pourra se référer au résultat de la compilation.
□ Q62 - Quelle est la source principale de l'incertitude sur la mesure? Que pourrait-on proposer pour améliorer la précision de la méthode des mélanges? Pour la réponse, on pourra se référer au résultat de la compilation.
4.2 Loi de Dulong et Petit - Oscillateurs classiques indépendants
En 1819, Pierre Louis Dulong et Alexis Petit mesurent la capacité thermique massique à pression constante
c_p de divers corps simples à l'état solide.
Les 13 éléments étudiés (S, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ag, Sn, Te, Pt, Au, Pb, Bi) ont une masse molaireM comprise entre 32 et
209 g ⋅ mol^(− 1) . Leurs résultats montrent que, pour ces corps purs solides, le produit
Mc_p est pratiquement indépendant de l'élément considéré et qu'il vaut
25 ± 1 J ⋅ K^(− 1) ⋅ mol^(− 1) (à température ambiante). En divisant ce résultat par la constante universelle des gaz parfaits
R = 8, 314 J ⋅ K^(− 1) ⋅ mol^(− 1) , on en déduit que la capacité thermique molaire à pression constante suit la loi :
Les 13 éléments étudiés (S, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ag, Sn, Te, Pt, Au, Pb, Bi) ont une masse molaire
Ceci constitue la loi empirique de Dulong et Petit.
Les mesures effectuées depuis, pour de nombreux solides, montrent que pour la grande majorité des éléments la loi de Dulong et Petit est assez bien vérifiée à température ambiante :
C'est ce que montre le graphe de la figure 7, construit à partir de données issues du CRC Handbook of Chemistry and Physics.

Figure 7 - Capacités thermiques molaires de corps purs.
L'objectif de cette partie est d'étudier un modèle permettant de retrouver cette loi empirique.
Le système cristallin est constitué d'atomes liés entre eux dans un réseau à 3 dimensions. Il s'agit donc d'une généralisation à 3 dimensions de la situation décrite dans la partie 3. Dans un premier temps, on peut décrire le solide comme un ensemble de
3N oscillateurs harmoniques indépendants à 1 dimension, modélisant les mouvements de vibration des
N atomes dans les 3 directions de l'espace supposées indépendantes. On suppose que ces oscillateurs constituent un système thermodynamique en équilibre thermique avec un thermostat à la température
T .
□ Q63 - On considère un système deN particules d'un gaz parfait monoatomique à la température
T . Donner l'expression de l'énergie cinétique moyenne d'une particule
⟨E_c⟩ en fonction de
T , température cinétique, et de la constante de Boltzmann
k_B .
□ Q63 - On considère un système de
Chaque particule d'un tel sytème possède 3 degrés de liberté dits quadratiques, puisque son énergie peut s'écrire sous la forme de la somme de 3 termes quadratiques :
où
v_x, v_y et
v_z sont les composantes du vecteur vitesse de la particule selon les trois axes des coordonnées cartésiennes.
□ Q64 - Quelles relations relient les valeurs moyennes de ces trois termes quadratiques dans le modèle du gaz parfait?
□ Q65 - Déduire des deux questions précédentes que la valeur moyenne d'un terme quadratique de l'énergie vaut1/2k_B T . Ceci constitue le théorème d'équipartition et est généralisable à tout terme quadratique de l'énergie.
□ Q64 - Quelles relations relient les valeurs moyennes de ces trois termes quadratiques dans le modèle du gaz parfait?
□ Q65 - Déduire des deux questions précédentes que la valeur moyenne d'un terme quadratique de l'énergie vaut
On considère maintenant un oscillateur harmonique à 1 dimension, de masse
m , dont la position est régie par l'équation différentielle :
□ Q66 - Exprimer l'énergie mécanique de cet oscillateur en fonction de
x, x˙, m et
ω_0 .
□ Q67 - En utilisant le théorème d'équipartition, montrer que l'énergie moyenne d'un atome du réseau vaut :⟨E_(at)⟩ = 3k_B T .
□ Q68 - On définit l'énergie interneU du système par l'énergie moyenne du système des
N atomes. Donner l'expression de
U et en déduire l'énergie interne molaire
U_m .
□ Q69 - Déduire de la question précédente la capacité thermique molaireC_(Vm) du cristal dans le cadre du modèle classique décrit ici. Conclure.
□ Q70 - Comparaison aux résultats expérimentaux :
□ Q67 - En utilisant le théorème d'équipartition, montrer que l'énergie moyenne d'un atome du réseau vaut :
□ Q68 - On définit l'énergie interne
□ Q69 - Déduire de la question précédente la capacité thermique molaire
□ Q70 - Comparaison aux résultats expérimentaux :
Le modèle proposé ici est-il compatible avec la valeur expérimentale de la capacité thermique massique
c du cuivre, obtenue dans la partie 4.1? Justifier votre réponse.
4.3 Modèle d'Einstein : oscillateurs quantiques indépendants
Comme le montre la figure 7, certains solides ne suivent pas la loi de Dulong et Petit. D'autre part, même ceux qui suivent cette loi à température ambiante, s'en éloignent fortement à plus basse température (voir figure 8).

Figure 8 - Capacités thermiques molaires de corps purs en
J ⋅ K^(− 1) ⋅ mol^(− 1) en fonction de la température.
En effet, à l'échelle de l'atome, la description classique n'est plus valable et il faut faire appel à la mécanique quantique. L'énergie d'un oscillateur, comme celui évoqué dans la partie 4.2, est quantifiée, et, en utilisant la loi statistique de Boltzmann, on peut montrer que l'énergie moyenne d'un tel oscillateur s'écrit :
où
tanh(x) désigne la tangente hyperbolique de
x (voir formulaire pour les fonctions hyperboliques) et
ℏ désigne la constante de Planck réduite.
□ Q71 - On définit l'énergie interneU du système par l'énergie moyenne des
3N oscillateurs :
U = 3N⟨E_(osc)⟩ . Calculer l'énergie interne molaire
U_m et en déduire que la capacité thermique molaire du matériau
C_(Vm) s'écrit sous la forme :
□ Q71 - On définit l'énergie interne
où
sinh(x) désigne le sinus hyperbolique de
x (voir formulaire). Donner les valeurs des coefficients
α et
β .
□ Q72 - On définit la température d'EinsteinT_E par :
k_B T_E = ℏω_0 . Montrer alors que
C_(Vm) s'exprime par :
□ Q72 - On définit la température d'Einstein
en fonction de la variable
u = T/T_E . On explicitera la fonction universelle F(u), indépendante du matériau considéré. Le tracé de la courbe donnant
F(u) est fourni figure 9.

Figure 9
Comparaison aux résultats expérimentaux :
La figure 10 du document 2 (voir en fin d'énoncé) propose un graphe rassemblant des valeurs expérimentales de la capacité thermique du cuivre, mesurées à des températures comprises entre 120 K et 300 K (Source American Journal of Physics, W.Mahmood, M.Anwar, W.Zia, 2011), ainsi qu'un ajustement sur ces données selon le modèle d'Einstein.
□ Q73 - Le modèle d'Einstein est-il compatible avec les valeurs expérimentales issues de cette expérience sur la plage de température [120 K; 300 K] ? Justifier précisément votre réponse.
□ Q74 - Exploiter le graphe de la figure 10 pour déduire une valeur de la température d'Einstein du cuivre. On donne la valeur de la fonctionF pour
u = 1 : F(1) = 2, 76 . On ne cherchera pas à donner l'incertitude-type sur la valeur de
T_E mais on exprimera la valeur trouvée avec un nombre raisonnable de chiffres significatifs.
La figure 10 du document 2 (voir en fin d'énoncé) propose un graphe rassemblant des valeurs expérimentales de la capacité thermique du cuivre, mesurées à des températures comprises entre 120 K et 300 K (Source American Journal of Physics, W.Mahmood, M.Anwar, W.Zia, 2011), ainsi qu'un ajustement sur ces données selon le modèle d'Einstein.
□ Q73 - Le modèle d'Einstein est-il compatible avec les valeurs expérimentales issues de cette expérience sur la plage de température [120 K; 300 K] ? Justifier précisément votre réponse.
□ Q74 - Exploiter le graphe de la figure 10 pour déduire une valeur de la température d'Einstein du cuivre. On donne la valeur de la fonction
Pour le cuivre, la valeur de
T_E communément admise est de 248 K (C.Kittel Introduction à la physique de l'état solide).
4.4 Modèle de Debye
A basse température, on observe expérimentalement que
C_(Vm) est proportionnel à
T^3 . Le modèle d'Einstein ne convient pas car il postule l'indépendance des oscillateurs harmoniques, alors que ceux-ci sont couplés et font apparaître des modes de vibration, comme vu à la partie 3.
Des considérations de physique statistique permettent d'obtenir l'expression de
C_(Vm) dans le modèle de Debye :
où
T_D est une température caractéristique du matériau, appelée température de Debye. Pour le cuivre, la valeur communément admise est de
T_D = 343 K (C.Kittel Introduction à la physique de l'état solide).
Dans la limite des basses températures, limite qu'on précisera, donner l'expression deC_(Vm) en fonction de
T .
On donne :
Dans la limite des basses températures, limite qu'on précisera, donner l'expression de
On donne :
□ Q75 - Ce modèle permet-il d'expliquer les résultats expérimentaux, en particulier le fait que
C_(Vm) est proportionnel à
T^3 ?
□ Q76 - Dans la limite des hautes températures, limite qu'on précisera, simplifier l'intégrale de la relation 21 et montrer qu'on retrouve alors la loi de Dulong et Petit.
□ Q76 - Dans la limite des hautes températures, limite qu'on précisera, simplifier l'intégrale de la relation 21 et montrer qu'on retrouve alors la loi de Dulong et Petit.
En conclusion, la prise en compte des modes de vibration du réseau cristallin apporte une amélioration par rapport au modèle d'Einstein, et est indispensable dans le domaine des très basses températures.
Document 1
Protocole de mesure de capacité thermique Méthode des mélanges
Cette méthode nécessite un matériel simple et peut être mise en œuvre dans le cadre de travaux pratiques au lycée ou en CPGE.
1 - Matériel
On dispose du matériel suivant :
- -un calorimètre de masse en eau
m_c = 24, 0 ± 4, 0 g . On rappelle que la masse en eau du calorimètre est définie comme le rapport entre sa capacité thermique et la capacité thermique massique de l'eau liquide. Cette masse en eau a été mesurée lors d'expériences précédentes. - -béchers
- -un agitateur chauffant
- -une pièce de cuivre de masse
m_2 (masse mesurée à la balance) - → deux thermocouples
- → une balance
2 - Protocole proposé
On introduit une masse
m_1 d'eau à température ambiante dans le calorimètre et on attend 15 minutes la mise à l'équilibre thermique de l'ensemble. Parallèlement, on immerge l'échantillon de cuivre dans un bécher rempli d'eau placé sur l'agitateur chauffant. On chauffe l'ensemble en agitant jusqu'à la température
T_2 . La géométrie de l'échantillon de cuivre permet de faire l'hypothèse que l'équilibre thermique entre le solide et l'eau dans laquelle il est plongé est très rapidement atteint.
Lorsque la températureT_2 est atteinte, l'échantillon de cuivre est sorti du bain chaud, et plongé immédiatement dans le calorimètre. On ferme alors le calorimètre avec son couvercle isolant. Avant l'ajout de l'échantillon de cuivre, le calorimètre et son contenu sont à la température
T_1 . Une fois l'échantillon ajouté, on mesure au bout de 5 minutes la température d'équilibre
T_f .
Lorsque la température
Document 2
Modèle d'Einstein

Figure 10 - Valeurs expérimentales (points avec barres d'erreur) de la capacité thermique molaire du cuivre et courbe (trait plein) issue d'un ajustement du modèle d'Einstein. Les barres d'erreur représentent les incertitudes-types sur les mesures.
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