CCINP Physique 1 MP 2007Sujet, corrigé et rapport du jury
- Changement d'état liquide-vapeur, diagramme de Clapeyron
- Premier principe de la thermodynamique, détente adiabatique
- Cycles thermodynamiques, cycle de Rankine
- Mécanique du solide, force d'inertie
- Roulement sans glissement, moment d'inertie
- Oscillations mécaniques
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Présentation du sujet
DifficileSystème liquide-vapeur de l'eau dans une centrale nucléaire et dynamique de la benne d'un téléphériqueAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
DifficileL'épreuve comporte deux problèmes indépendants. Le premier, de thermodynamique, étudie le système liquide-vapeur de l'eau et son utilisation dans le circuit secondaire d'une centrale nucléaire, à travers le diagramme de Clapeyron et le cycle de Rankine d'une turbine à vapeur. Le second, de mécanique, étudie la dynamique de la benne d'un téléphérique se déplaçant sur un câble porteur.
- 1Thermodynamique A : diagramme de Clapeyron (p,V) du système liquide-vapeur de l'eauÉtude du diagramme de Clapeyron, du point critique et de l'isotherme critique.
- 2Thermodynamique B : détente adiabatique réversible d'un système liquide-vapeurÉtablissement des expressions littérales d'une détente adiabatique réversible du système liquide-vapeur.
- 3Thermodynamique C : modèle de fonctionnement d'une turbine à vapeur, cycle de RankineModélisation du cycle de Rankine, calcul des transferts thermiques et de l'efficacité du cycle.
- 4Thermodynamique D : cycle de Rankine avec soutirageÉtude d'une variante du cycle de Rankine intégrant un soutirage de vapeur.
- 5Mécanique I : préliminaireQuestions préliminaires proches du cours sur la dynamique du système chariot-benne.
- 6Mécanique II : oscillations de la benneÉquation du mouvement de la benne du téléphérique, centre de masse et condition de non-glissement des roues sur le câble.
- 7Mécanique III : oscillations du câble porteurÉtude des oscillations du câble porteur du téléphérique.
Difficile. La moyenne de l'épreuve n'est que de 8,04/20 avec un écart-type de 3,49. Le rapport qualifie les résultats de très décevants en thermodynamique et évoque un niveau moyen très faible en mécanique.
L'épreuve en chiffres
Moyenne 8,04 / 20 · écart-type 3,49 · où vous situez-vous ?Afficher ou masquer la section
L'épreuve en chiffres
- Moyenne
- 8,04/ 20
- Écart-type
- 3,49
Votre note sur 20 à ce sujet, en conditions de concours.
Source : rapport du jury. Notes publiées par le concours (après harmonisation le cas échéant). Courbe : estimation par une loi normale.
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesConfusion entre diagramme (p,V) et (p,T) · Caractéristiques de l'isotherme critique mal connues · Cycle de Rankine tracé sans courbe de saturationAfficher ou masquer la section
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesCe sujet relativement classique a conduit à des résultats très décevants en thermodynamique, seules les parties de généralités (A et B) ayant été à peu près correctement traitées. En mécanique, le niveau moyen est jugé très faible, les candidats ayant tendance à aligner des formules sans réflexion physique suffisante.
Les erreurs les plus sanctionnées
- 1Confusion entre diagramme (p,V) et (p,T)Partie A
Quelques étudiants confondent le diagramme de Clapeyron (p,V) avec un diagramme (p,T).
- 2Caractéristiques de l'isotherme critique mal connuesPartie A
La plus grosse difficulté de la partie A a concerné les caractéristiques de l'isotherme critique au point critique, peu d'étudiants les ayant données correctement.
- 3Cycle de Rankine tracé sans courbe de saturationPartie C
La plupart des étudiants ont tracé le cycle décrit par le système sans faire apparaître la courbe de saturation, ce qui a entraîné un positionnement fantaisiste du point représentatif de fin de détente.
« La plupart des étudiants ont tracé le cycle décrit par le système »
- 4Énergies Q1 et Q2 confonduesPartie C
Les énergies reçues par transfert thermique dans le condenseur et ailleurs dans le cycle sont souvent mal identifiées, voire inversées.
« Les énergies Q1 et Q2 reçues, par transfert thermique, sont souvent mal identifiées, voire inversées »
- 5Erreur de signe sur la force d'inertieMécanique I
Dans la partie préliminaire de mécanique, pourtant proche du cours, il faut déplorer des erreurs de signe dans l'expression de la force d'inertie.
« Il faut déplorer des erreurs de signe dans l'expression de la force d'inertie »
- 6Benne assimilée à un point matérielMécanique II
Une proportion notable de candidats assimile à tort la benne à un point matériel et applique directement le principe fondamental de la dynamique, sans tenir compte de sa rotation.
« il est regrettable qu'une proportion notable de candidats assimile la benne à un point matériel et applique le principe fondamental »
Ce qui a été bien réussi
- La partie A sur le diagramme de Clapeyron a en général été bien traitée.
- Les expressions littérales de la détente adiabatique réversible (partie B) ont été établies correctement.
- La partie I de mécanique, proche du cours, est en général bien traitée.
Conseils du jury
- Ne pas négliger les applications numériques, très souvent entachées d'erreurs d'unités incohérentes.
- Prendre le temps de la réflexion physique plutôt que d'aligner des formules sans discernement.
- Vérifier l'homogénéité des expressions littérales avant de poursuivre les calculs.
- Détailler les calculs de moments, de projections et de dérivation vectorielle pour éviter les erreurs.
- Donner des explications claires et précises avant de conduire les calculs, plutôt que l'inverse.
- Aborder les parties moins classiques du sujet, souvent délaissées, malgré leur caractère guidé.
Synthèse rédigée par WikiPrépa à partir du rapport officiel du jury (à télécharger en PDF). Les citations sont extraites du rapport.
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L'énoncé complet, avec les formules et les figures, sans ouvrir le PDF.Afficher ou masquer la section
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EPREUVE SPECIFIQUE - FILIERE MP
PHYSIQUE 1
Durée : 4 heures
Les calculatrices sont autorisées.
Si un candidat est amené à repérer ce qui peut lui sembler être une erreur d'énoncé, il le signalera sur sa copie et devra poursuivre sa composition en expliquant les raisons des initiatives qu'il a été amené à prendre.
THERMODYNAMIQUE
ETUDE DU SYSTEME LIQUIDE-VAPEUR
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Liquide saturant | Vapeur saturante | ||
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||
| 35 | 0,056 |
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146,34 | 25,24 | 2560,67 |
| 50 | 0,123 | 1,01.10
|
208,96 | 12,04 | 2587,42 |
| 100 | 1,013 | 1,04.10
|
418,42 | 1,673 | 2671,44 |
| 185 | 11,238 |
|
784,17 | 0,174 | 2778,03 |
| 285 | 69,200 | 1,35.10
|
1261,11 | 0,028 | 2768,83 |
A. Diagramme de Clapeyron (p,v) du système liquide-vapeur de l'eau
A-I. Représenter l'allure du diagramme de Clapeyron (
On prendra soin de préciser la position du point critique C , les domaines liquide ( L ), liquide + vapeur (
A-II. 1 L'allure de l'isotherme critique
A-II. 2 L'allure d'une isotherme
On désigne, respectivement par:
Montrer que le titre massique en vapeur x est donné par l'une quelconque des relations cidessous :
B. Détente adiabatique réversible d'un système liquide-vapeur
L'entropie massique d'un système liquide-vapeur, de titre massique en vapeur x , en équilibre à la température
Le piston est, initialement, fixé dans une position qui délimite un volume
L'introduction d'une masse
B-II. On fait subir au système liquide-vapeur défini ci-dessus une détente adiabatique réversible de la température
Sachant que
C. Modèle de fonctionnement d'une turbine à vapeur. Cycle de Rankine
Les transformations subies par l'eau dans ce circuit sont modélisées par le cycle de Rankine décrit ci-dessous.
-
A → B : compression adiabatique réversible, dans la pompe d'alimentation, de la pressionp_1 = 0, 056 bar à la pressionp_2 = 69, 200 bar, du liquide saturant sortant du condenseur à la pressionp_1 (état A ). Cette compression entraîne une élévationΔT de la température du liquide. -
B → D : échauffement isobare du liquide dans le générateur de vapeur qui amène le liquide de l'état B à l'état de liquide saturant sous la pressionp_2 (état D ). -
D → E : vaporisation totale, dans le générateur de vapeur, sous la pressionp_2 . -
E → F : détente adiabatique réversible, dans la turbine, dep_2 àp_1 . -
F → A : liquéfaction totale, dans le condenseur, sous la pressionp_1 , de la vapeur présente dans l'état F .
C-II. La différentielle de l'entropie massique du liquide s'écrit, en fonction des variables T et p :
On note
On supposera, pour ce calcul, que le liquide est incompressible et que son volume massique
Dans la suite du problème on négligera

D. Cycle de Rankine avec soutirage
La pratique du soutirage consiste à prélever, à la sortie de la première turbine, sous la pression
Au cours de cette opération la masse
A la sortie du réchauffeur le fluide se trouve à l'état liquide dans les conditions
D-II. A partir d'un bilan enthalpique traduisant les transferts thermiques entre la vapeur saturante et le liquide dans le réchauffeur, calculer
D-III-2 Calculer le titre
Calculer le travail total
D-V. Calculer l'efficacité

MECANIQUE
Présentation générale
Dans tout le problème le câble sera supposé être parfaitement horizontal (cf. figure 1):

La benne
.jpg)
Notations et valeurs numériques
Les roues ont une masse
Le coefficient de frottement entre les roues et le câble est
Le bras (T) est de masse
La benne
La masse de l'ensemble est donc
On désigne par a la distance entre C et
Dans tout le problème le champ de pesanteur
Paramétrages
On désigne par x l'abscisse de C et par
Toutes les liaisons sont supposées parfaites.
I. Préliminaire
- Rappeler le théorème du moment cinétique appliqué à un solide S en un point O fixe dans un référentiel galiléen
R . - On se place dans un référentiel
R ', d'origine A , en translation par rapport àR .
a) Donner l'expression de la force d'inertie subie par un point matérielM de masse m en fonction de l'accélérationa⃗(A)_(/R) de A dansR .
b) Donner l'expression du théorème du moment cinétique pour un solide S de masse m en O ' fixe dans R '; justifier l'existence d'un terme correspondant au moment en O ' de la résultante des forces d'inertie− ma⃗(A)_(/R) s'appliquant au centre de masse G du solide.
c) Si R' est le référentiel barycentrique, quel résultat retrouve-t-on?
II. Oscillations de la benne
- On effectue un essai d'oscillation de la benne, le chariot étant maintenu immobile dans
R .
a) Etablir l'équation différentielle vérifiée parθ .
b) Dans le cas des petites oscillations, on mesure une périodeTi = 4, 6 s . En déduire la valeur deJ_Δ .
c) Sachant que le bras (T) a un moment d'inertie par rapport àΔ, J_(TΔ) = m_T L^2/3 , déduire la valeur deJ_(BΔ) , moment d'inertie de (B) par rapport àΔ . - Le chariot est mis en mouvement par un câble tracteur qui exerce une force de traction appliquée en
C, T⃗ = To.e_x^(→−) . Les roues roulent sans glisser sur le câble.
a) Appliquer le théorème du moment cinétique à la roue 1 dans son référentiel barycentrique et en déduire une relation entre(d^2 x)/(dt^2) etT_1 . Quelle relation similaire obtient-on avec la roue 2 ? En déduire la relation entreT_1 etT_2 .
b) Montrer que l'accélération du centre de masse G' de l'ensemble (Ch), (T), (B) dans le référentielR , se met sous la formea⃗(G^′) = A_1 ⋅ e_r→ + A_2 ⋅ e_θ→ + (d^2 x)/(dt^2)e_x^(→−) oùA_1 etA_2 sont des expressions que l'on explicitera.
c) Appliquer le théorème de la résultante cinétique à l'ensemble ( Ch ), ( T ) et ( B ) dansR et projeter sur l'axe Ox pour obtenir une équation (1) faisant intervenir To.
d) Montrer que dans le cas des petites oscillations, les termes quadratiques enθ et(dθ)/(dt) étant négligés, l'équation (1) devient
K_1(d^2 x)/(dt^2) + (m_T + m_B)a(d^2 θ)/(dt^2) = To (2) oùK_1 est un coefficient que l'on explicitera.
e) On se place dans le référentielR ', d'origine C en translation par rapport àR .
Montrer que (3) se met sous la forme
f) Déduire des équations (2) et (3) une équation différentielle linéaire en
Calculer la valeur numérique de la période. Conclure dans le cas où la benne est destinée au transport des passagers.
g) On souhaite donner à la benne une accélération
Calculer en degré l'amplitude des oscillations.
3. Condition de non glissement.
a) Déterminer le moment cinétique de l'ensemble du chariot par rapport à l'axe
b) En déduire une relation liant les composantes des réactions du câble sur les roues, l'accélération angulaire des roues et les caractéristiques du chariot.
c) Déterminer une autre relation ne portant que sur les composantes normales des réactions.
d) Dans le cas où le chariot a une accélération
III. Oscillations du câble porteur
- Lorsque l'on introduit une masse de une tonne dans la benne, celle-ci descend de
0, 5 m . Quelle est la raideur du ressort équivalent ? - On se place dans une situation où la benne, toujours liée au bras (T), peut osciller dans un mouvement pendulaire.

a) Déterminer l'accélération de
b) Déterminer une équation différentielle liant
c) Déterminer la position d'équilibre de C de côte
d) Que devient cette équation dans le cas des petites oscillations? Mettre cette équation sous la forme d'une équation différentielle en
e) En déduire
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte l'épreuve Physique 1 CCINP MP 2007 ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte l'épreuve Physique 1 CCINP MP 2007 ?
L'épreuve porte sur le changement d'état liquide-vapeur et les cycles thermodynamiques (cycle de Rankine) d'une part, et sur la mécanique du solide (oscillations d'une benne de téléphérique) d'autre part.
Quelle est la moyenne à l'épreuve Physique 1 CCINP MP 2007 ?
La moyenne de l'épreuve est de 8,04/20 avec un écart-type de 3,49.
L'épreuve Physique 1 CCINP MP 2007 est-elle difficile ?
Oui, le rapport qualifie les résultats de très décevants en thermodynamique et le niveau moyen de très faible en mécanique, avec une moyenne de seulement 8,04/20.
Quelles erreurs le jury a-t-il le plus relevées sur Physique 1 CCINP MP 2007 ?
Un cycle de Rankine tracé sans courbe de saturation, une confusion entre les énergies Q1 et Q2, et une benne de téléphérique assimilée à tort à un point matériel.
Pas de description pour le moment
