CCINP Physique TSI 2004Sujet et corrigé
- Loi de Biot et Savart
- Théorème d'Ampère
- Induction électromagnétique et force de Laplace
- Second principe de la thermodynamique et bilan entropique
- Gaz parfait et premier principe
- Transformations réversibles et irréversibles
- Détente de Joule-Gay Lussac
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- Rapport du jury : non disponible
Présentation du sujet
Champ magnétique et induction d'une barre mobile, transformations réversibles et irréversiblesAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
Le sujet comporte deux problèmes indépendants. Le premier étudie le champ magnétique créé par un circuit triangulaire à l'aide de la loi de Biot et Savart et du théorème d'Ampère, puis les phénomènes d'induction dans un circuit formé de deux rails et d'une barre mobile. Le second porte sur le second principe de la thermodynamique et l'irréversibilité, à travers la compression progressive d'un gaz parfait par un piston chargé et la détente de Joule-Gay Lussac.
- 1Problème 1, 1ère partie : champ magnétique créé par un circuit triangulaireCalcul du champ magnétique créé par un segment de fil fini puis infini à l'aide de la loi de Biot et Savart et du théorème d'Ampère, puis application au centre d'un triangle équilatéral.
- 2Problème 1, 2ème partie : phénomènes d'inductionÉtude d'une barre mobile sur deux rails dans un champ magnétique uniforme : force électromotrice induite, courant induit, force de Laplace et équation du mouvement.
- 3Problème 2, 1. Questions de coursRappel du second principe de la thermodynamique, du bilan entropique et des lois du gaz parfait.
- 4Problème 2, 2. Compression d'un gaz parfaitÉtude de la compression d'un gaz par ajout d'une surcharge sur un piston, calcul des variations d'entropie et étude de la limite quasi statique de la transformation.
- 5Problème 2, 3. Irréversibilité de la détente de Joule-Gay LussacÉtude de la détente d'un gaz parfait dans le vide, calcul de la variation d'entropie et discussion de la réversibilité en version simple puis quasi statique.
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Les calculatrices sont interdites.
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.
Le candidat est invité à remarquer que ces deux problèmes sont de longueur inégale, le second problème étant deux fois plus long que le premier.
Problème
n^∘1 : Etude du mouvement d'une barre
1^(ère) partie : Champ magnétique créé par un circuit triangulaire
- Soit un segment de fil rectiligne conducteur de longueur finie OA suivant
e_y , parcouru par un courant I dont le sens est représenté figure 1.
a) Pourquoi ne peut-on pas appliquer le théorème d'Ampère au segment OA ?
b) En utilisant la loi de Biot et Savart, calculer le champ magnétiqueB en un pointP(x_0, y_0, 0) créé par ce fil. On donnera le résultat sous sa forme la plus simple, fonction d'un vecteur unitaire, de I,sinα, sinβ, x_0 etμ_0 oùμ_0 est la perméabilité du vide,α etβ les angles représentés sur la figure 1 . - Déduire de l'expression précédente le champ magnétique
B_(inf)(x_0, y_0, 0) créé par un fil de longueur infinie en fonction deμ_0, I, x_0 et d'un vecteur unitaire. - Dans le cas d'un fil de longueur infinie, retrouver le résultat de la question 2 en utilisant des considérations de symétrie, puis en appliquant le théorème d'Ampère à un contour judicieusement choisi.
- Déduire de la question 1. le champ magnétique
B_0 créé au centre C d'un triangle équilatéral de côté AB , parcouru par un courant I dont le sens est représenté figure 2 . On donnera le résultat en fonction deμ_0, I, AB et d'un vecteur unitaire.
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2ème partie: Phénomènes d'induction
Une barre filiforme MN , de masse m , se déplace sans frottement sur les rails d'un mouvement de translation parallèle à
Les 2 rails et la barre ont la même résistivité linéique
L'ensemble du dispositif est plongé dans un champ magnétique extérieur
5. On considère le déplacement de la barre MN entre AB et O .
a) Déterminer la résistance du circuit en fonction de
b) Déterminer le flux de
c) En déduire la force électromotrice induite dans le circuit en fonction de
d) En écrivant l'équation électrique du circuit fermé ainsi formé, en déduire le courant I induit dans le circuit en fonction de
6.
a) Déterminer la force de Laplace
b) En déduire la force
7. Calculer la puissance de cette force, puis la puissance dissipée par effet Joule. Que peut-on en conclure?
8. La barre partant de
Problème
n^∘2 : Thermodynamique Transformations réversibles et irréversibles
1. Questions de cours
Toute équation devra être accompagnée d'une explication.
1.2. Bilans entropiques particuliers
1.2.1. Donner la définition d'un système isolé.
1.2.2. Donner la définition d'un système stationnaire.
1.3. Donner deux exemples de causes d'irréversibilité.
1.4. Dans les questions suivantes, on notera
1.4.1. Exprimer la variation d'énergie interne d'un gaz parfait en fonction de la variation de la température.
1.4.2. Exprimer la variation d'entropie d'un gaz parfait en fonction des variations de température et de volume.
1.4.3. Dans le cas d'un gaz parfait, donner la relation entre
1.4.4. Exprimer
2. Compression d'un gaz parfait
On notera
2.1. En étudiant l'équilibre du piston, donner l'expression de la pression
2.2. On suppose dans cette question que le nouvel équilibre mécanique est atteint avant que tout échange de chaleur n'ait eu lieu avec l'extérieur.
2.2.1. Exprimer la pression
2.2.2. Déterminer le travail des forces de pression atmosphérique exercées sur le piston et transmises intégralement au gaz en fonction de
2.2.3. Déterminer le travail de pesanteur de l'ensemble {piston + surcharge} en fonction de
2.2.4. En appelant
2.2.5. En déduire alors
2.3. On suppose maintenant que l'équilibre thermique s'est établi avec l'extérieur.
Exprimer ensuite la nouvelle position d'équilibre du piston
2.4. Quelle est la relation entre la quantité de chaleur
Donner l'expression du travail
2.5. On souhaite ici calculer les variations d'entropie sur l'ensemble de la transformation.
2.5.1. L'atmosphère extérieure ayant en permanence une température égale à
2.5.2. Quelle est l'entropie reçue par le gaz parfait dans le cylindre ? En utilisant la question 1.4.2, exprimer la variation d'entropie totale du gaz parfait dans le cylindre
2.5.3. En déduire la variation d'entropie de l'univers
2.5.4. La transformation est-elle réversible? Justifier la réponse.
2.6. On veut rendre cette fois-ci la transformation quasi statique, en ajoutant la surcharge de masse
2.6.1. Exprimer la variation d'entropie de l'univers
2.6.2. Exprimer sous la forme d'une somme la variation d'entropie de l'univers correspondant à l'ajout de toutes les petites masses.
En remarquant que
2.6.3. Que devient la variation d'entropie lorsque
3. Irréversibilité de la détente de Joule-Gay Lussac
3.1. Détente de Joule-Gay Lussac
3.1.1. Quel est le travail reçu par le gaz parfait au cours de la détente ?
3.1.2. Montrer que l'énergie interne du gaz est constante au cours de la détente.
3.1.3. En déduire que la température du gaz ne change pas au cours de la détente.
3.1.4. En utilisant la question 1.4.2., calculer la variation d'entropie du gaz au cours de la détente en fonction de
3.1.5. Que vaut l'entropie reçue par le gaz
3.2. On opère cette fois-ci de façon quasi statique à l'aide d'un récipient comportant
On souhaite procéder en augmentant le volume occupé par le gaz par petites quantités
3.2.1. Exprimer la variation d'entropie
3.2.2. Exprimer la variation d'entropie du gaz correspondant à la suppression de toutes les cloisons en fonction de
3.2.3. Comparer les résultats des questions 3.1.4. et 3.2.2.
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Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet de physique TSI du concours CCINP 2004 ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet de physique TSI du concours CCINP 2004 ?
Le premier problème porte sur l'électromagnétisme : champ magnétique créé par des circuits et phénomènes d'induction. Le second problème porte sur le second principe de la thermodynamique et l'étude de l'irréversibilité à travers deux exemples de transformations d'un gaz parfait.
Les deux problèmes sont-ils indépendants ?
Oui, l'énoncé précise que le sujet comporte deux problèmes qui peuvent être traités séparément, le second étant environ deux fois plus long que le premier.
Quels résultats de cours faut-il connaître pour traiter ce sujet ?
La loi de Biot et Savart et le théorème d'Ampère, la loi de Faraday et la force de Laplace, ainsi que le second principe de la thermodynamique, le bilan entropique et les lois du gaz parfait.
Ce sujet est-il calculatoire ou davantage qualitatif ?
Il est essentiellement calculatoire, avec de nombreuses expressions littérales à établir, mais il demande aussi des justifications qualitatives, notamment sur les conditions d'irréversibilité des transformations étudiées.
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