CCINP Physique Chimie TSI 2021Sujet, corrigé et rapport du jury

ÉPREUVE SPÉCIFIQUE - FILIÈRE TSI

PHYSIQUE - CHIMIE

Durée : 4 heures

RAPPEL DES CONSIGNES

• Utiliser uniquement un stylo noir ou bleu foncé non effaçable pour la rédaction de votre composition ; d'autres couleurs, excepté le vert, peuvent être utilisées, mais exclusivement pour les schémas et la mise en évidence des résultats.
• Ne pas utiliser de correcteur.
• Écrire le mot FIN à la fin de votre composition.

Les calculatrices sont interdites.

Conseils aux candidats

Chauffe-eau

1. aux chauffe-eaux électriques à résistance thermoplongée (figure 1);
2. aux chauffe-eaux thermodynamiques faisant appel à une pompe à chaleur (figure 2).

Partie I - Chauffage de l'eau contenue dans la cuve

I. 1 - Chauffe-eau électrique

Figure 1 - Schéma descriptif d'un chauffe-eau électrique

I. 2 - Chauffe-eau thermodynamique

Figure 2 - Schéma descriptif d'un chauffe-eau thermodynamique

Partie II - Principe de fonctionnement du thermostat

Figure 3 - Courbe d'étalonnage linéarisée de la thermistance CTN

• si u_d(t) < 0, la diode, à l'état bloqué, se comporte comme un interrupteur ouvert;
• si u_d(t) ≥ 0, la diode, à l'état passant, se comporte comme un interrupteur fermé.

Figure 4 - Schéma du montage électrique illustrant le principe de fonctionnement du thermostat

• lorsqu'on augmente la température du bain et qu'elle atteint la température maximale T_(max) = 338 K, V_s bascule de + V_(sat) à − V_(sat);
• lorsqu'on diminue la température du bain et qu'elle atteint la température minimale T_(min) = 333 K, V_s bascule de − V_(sat) à + V_(sat).
  En t = 0, le bain d'eau thermostaté a une température T < T_(min).
  On suppose que la tension différentielle ε > 0.

Partie III - Entretien du chauffe-eau

III. 1 - Problème de calcaire

III.1.A - Provenance du calcaire

• H_2 CO_(3(aq))/HCO_(3(aq))^−auquel on associe la constante d'acidité K_(A1) à 298 K(H_2 CO_(3(aq)), appelé acide carbonique, représente le mélange CO_2, H_2 O );
• HCO_(3(aq))^−/CO_(3(aq))^(2 −) auquel on associe la constante d'acidité K_(A2) à 298 K .

Figure 5 - Diagramme de distribution de l'acide carbonique

• le graphe du cologarithme décimal de la solubilité ps = − log(s) du carbonate de calcium CaCO_(3(s)) en fonction du pH à 298 K (figure 6);

Figure 6 - Évolution du ps de CaCO_3 en fonction du pH à T = 298K

• le graphe du cologarithme décimal de la solubilité ps du carbonate de calcium CaCO_(3(s)) en fonction du pH pour différentes températures (figure 7);

Figure 7 - Évolution du ps de CaCO_3 en fonction du pH pour différentes températures

III.1.B - Formation de calcaire à la surface du thermoplongeur

Données

Figure 8 - Schéma du thermoplongeur recouvert de tartre

Figure 9 - Évolution de la résistance thermique équivalente en fonction de l'épaisseur de tartre pour une longueur arbitraire du thermoplongeur L = 50 cm

III. 2 - Électrode sacrificielle de magnésium

Données

Figure 10 - Diagramme E − pH du magnésium

Figure 11 - Évolution de la résistance thermique équivalente en fonction de l'épaisseur de tartre pour une longueur arbitraire du thermoplongeur L = 50 cm

Données relatives à la Q72
Surface intérieure de la cuve du chauffe-eau : Sc = 3,0 m2
Électrode de magnésium : volume V=2,0 10-4 m3
Masse molaire du magnésium : M(Mg)=24,3 g.mol-1
Masse volumique du magnésium : }\rho(\textrm{Mg})=1,74\textrm{g}\cdot\mp@subsup{\textrm{cm}}{}{-3
1 Faraday : F = 96 500 C . mol -1
1 jour = 86 400 s

FIN