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Corrigé détaillé Centrale Physique Chimie 1 PSI 2023 (page 2/3 : Partie I (questions 18 à 22) et partie II)

Utilisation des batteries Li-ion

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Partie I : Étude d'un accumulateur Li-ion (suite)

I.D · Emballement thermique

Question 18

Application directeTemps estimé : ≈ 4 min
  • Calcul littéral
  • Faisable en première année (toutes filières)

Notions : loi de vitesse, ordre de réaction

Exprimer la loi de vitesse donnant la vitesse de disparition de l'acide pyruvique en fonction de , , et la constante de vitesse .

Voir l'indice

Écrire la concentration restante d'acide pyruvique en fonction du taux d'avancement \alpha_{\mathrm{diss}} puis appliquer la loi cinétique d'ordre 1.

Voir la stratégie
  1. Exprimer la quantité de matière puis la concentration molaire d'acide pyruvique restant à l'instant t en fonction de n_0, V et du taux d'avancement \alpha_{\text{diss}}(t).
  2. Appliquer la loi de vitesse d'ordre 1 pour obtenir la vitesse volumique de disparition v_{\text{disp}}.
Voir la réponse courte

Vitesse de réaction d'ordre 1 : v = k [\text{acide}] = k \frac{n_0}{V}(1 - \alpha_{\text{diss}}).

Voir le corrigé complet

Par définition, le taux d'avancement \alpha_{\text{diss}}(t) représente la fraction d'acide pyruvique consommée à la date t :

\alpha_{\text{diss}}(t) = \frac{n_{\text{consommé}}(t)}{n_0}.

La quantité de matière d'acide pyruvique restant dans le réacteur à l'instant t s'écrit donc :

n(t) = n_0 - n_{\text{consommé}}(t) = n_0\bigl(1 - \alpha_{\text{diss}}(t)\bigr).

Le volume V étant constant au cours de la réaction, la concentration molaire en acide pyruvique est :

[\mathrm{C}_3\mathrm{H}_4\mathrm{O}_3](t) = \frac{n(t)}{V} = \frac{n_0}{V}\bigl(1 - \alpha_{\text{diss}}(t)\bigr).

La réaction étant d'ordre 1 par rapport à l'acide pyruvique (l'ordre partiel par rapport au dioxygène étant nul au vu de la question suivante), la loi de vitesse volumique de disparition s'écrit :

v_{\text{disp}} = -\frac{\mathrm{d}[\mathrm{C}_3\mathrm{H}_4\mathrm{O}_3]}{\mathrm{d}t} = k \, [\mathrm{C}_3\mathrm{H}_4\mathrm{O}_3](t).

En remplaçant par l'expression de la concentration, on obtient :

\boxed{v_{\text{disp}} = k\,\frac{n_0}{V}\bigl(1 - \alpha_{\text{diss}}(t)\bigr)}

Résultat

Voir ce qu'a relevé le jury

Prenez garde à introduire correctement le taux de dissociation défini par l'énoncé dans la loi de vitesse.

« De nombreux candidats n’introduisent pas correctement, dans la loi de vitesse, le taux d’avancement de la réaction pourtant défini dans l’énoncé. »

Source : rapport du jury CentraleSupélec 2023

Question déjà tombée ailleurs

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Question 19

Application directeTemps estimé : ≈ 3 min
  • Incontournable
  • Question de cours
  • Faisable en première année (toutes filières)

Notions : loi d'arrhenius, énergie d'activation

Rappeler la loi d'Arrhénius. Préciser l'influence de la température sur la vitesse de réaction.

Voir l'indice

Donner l'expression k(T) = A \exp(-E_a/(RT)) et commenter la dépendance strictement croissante de la vitesse avec la température.

Voir la réponse courte

k(T) = A \exp(-E_a/RT) ; la constante de vitesse augmente exponentiellement avec la température.

Voir le corrigé complet

La constante de vitesse k d'une réaction chimique dépend de la température absolue T selon la loi empirique d'Arrhénius :

\boxed{k(T) = A \exp\left(-\frac{E_a}{RT}\right)}

où :

  • A (ou k_0) est le facteur pré-exponentiel (ou facteur de fréquence), homogène à la constante de vitesse k (ici en \text{s}^{-1} pour une réaction d'ordre 1) ;
  • E_a est l'énergie d'activation de la réaction (E_a > 0, exprimée en \text{J}\cdot\text{mol}^{-1}) ;
  • R est la constante universelle des gaz parfaits (R = 8,31\text{ J}\cdot\text{K}^{-1}\cdot\text{mol}^{-1}) ;
  • T est la température thermodynamique (en \text{K}).

Influence de la température sur la vitesse de réaction :
L'énergie d'activation étant strictement positive (E_a > 0), la fonction T \mapsto \exp\left(-\frac{E_a}{RT}\right) est strictement croissante avec la température absolue T.

La constante de vitesse k(T) augmente donc lorsque la température s'élève. Par conséquent, à composition donnée des réactifs, la vitesse de la réaction augmente avec la température : la température est un facteur cinétique accélérateur.

Résultat

Voir ce qu'a relevé le jury

Ne confondez pas constante de vitesse et constante d'équilibre, explicitez la positivité de l'énergie d'activation et précisez son unité.

« Il n’est ainsi pas rare que la constante de vitesse kdevienne K°(T) ; s’en suit une confusion certaine entre les approches cinétique et thermodynamique, la loi cinétique s’apparentant alors à la relation de van’ t Hoff. »

« conclure à l’élévation de la constante de vitesse knécessite de s’assurer que Eaest bien définie positive. Enfin, le jury souligne que l’unité usuelle de l’énergie d’activation est mal connue. »

Source : rapport du jury CentraleSupélec 2023

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Question 20

ExigeanteTemps estimé : ≈ 8 min
  • Mise en équation
  • Calcul littéral
  • Résultat donné : utilisable pour la suite

Notions : emballement thermique, couplage thermocinétique

On considère une batterie de capacité thermique , siège de la réaction (I.3) de combustion de l'électrolyte. On décompose la transformation adiabatique entre et en une transformation chimique à température et pression constantes puis un échauffement isobare de la batterie. Exprimer la variation d'enthalpie lors de ces deux transformations infinitésimales. Montrer que l'évolution de température vérifie :

où est une constante positive à exprimer en fonction des constantes et données du problème.

Voir l'indice

Écrire le bilan enthalpique \mathrm{d}H = \Delta_r H^\circ \mathrm{d}\xi + C\,\mathrm{d}T = 0 et exprimer \mathrm{d}\xi/\mathrm{d}t à l'aide de la loi de vitesse volumique.

Voir la stratégie
  1. Appliquer le premier principe de la thermodynamique sous forme enthalpique à la transformation adiabatique et isobare (\mathrm{d}H = 0) en décomposant celle-ci en une étape réactionnelle isotherme-isobare et une étape d'échauffement isobare.
  2. Relier la vitesse de réaction \mathrm{d}\xi/\mathrm{d}t au taux d'avancement \alpha_{\text{diss}} et à la constante cinétique k(T) via la loi d'Arrhénius.
  3. Identifier l'expression de la constante \beta, puis vérifier sa positivité et son homogénéité.
Voir la réponse courte

Bilan enthalpique élémentaire \mathrm{d}H = C\mathrm{d}T + \Delta_r H^\circ \mathrm{d}\xi = 0 menant à la loi d'évolution de T.

Voir le corrigé complet

Le système considéré est l'accumulateur et le mélange réactionnel qu'il contient. Entre t et t+\mathrm{d}t, la transformation est adiabatique (\delta Q = 0) et supposée isobare (\mathrm{d}P = 0). Le premier principe de la thermodynamique s'écrit donc :

\mathrm{d}H = \delta Q = 0

L'enthalpie étant une fonction d'état, on décompose la transformation infinitésimale en deux étapes successives fictives :

  1. Une réaction chimique d'avancement \mathrm{d}\xi à pression P et température T constantes :

    \mathrm{d}H_1 = \Delta_r H^\circ(T)\,\mathrm{d}\xi
  2. Un échauffement isobare du système (sans réaction chimique) de T à T+\mathrm{d}T. En considérant la capacité thermique C de la batterie et en négligeant celle des gaz :

    \mathrm{d}H_2 = C\,\mathrm{d}T

Le bilan enthalpique s'écrit alors :

\begin{aligned} \mathrm{d}H = \mathrm{d}H_1 + \mathrm{d}H_2 = 0 &\iff \Delta_r H^\circ(T)\,\mathrm{d}\xi + C\,\mathrm{d}T = 0 \\ &\iff C\,\mathrm{d}T = -\Delta_r H^\circ(T)\,\mathrm{d}\xi \end{aligned}

D'après la définition du taux d'avancement de la combustion (avec un coefficient stœchiométrique de 1 pour l'acide pyruvique), l'avancement vaut \xi(t) = n_0\,\alpha_{\text{diss}}(t). La vitesse volumique de disparition s'écrit, d'après la question Q18 :

v_{\text{disp}} = \frac{1}{V}\frac{\mathrm{d}\xi}{\mathrm{d}t} = k(T)\,\frac{n_0}{V}(1 - \alpha_{\text{diss}})

soit :

\frac{\mathrm{d}\xi}{\mathrm{d}t} = k(T)\,n_0\,(1 - \alpha_{\text{diss}})

En introduisant la loi d'Arrhénius rappelée en Q19, k(T) = A\exp\left(-\frac{E_a}{RT}\right), on obtient :

\frac{\mathrm{d}\xi}{\mathrm{d}t} = A\,n_0\,(1 - \alpha_{\text{diss}})\exp\left(-\frac{E_a}{RT}\right)

En divisant le bilan enthalpique par \mathrm{d}t, il vient :

\frac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}t} = -\frac{\Delta_r H^\circ(T)}{C}\frac{\mathrm{d}\xi}{\mathrm{d}t} = \left(-\frac{\Delta_r H^\circ n_0 A}{C}\right)(1 - \alpha_{\text{diss}})\exp\left(-\frac{E_a}{RT}\right)

On identifie ainsi la loi demandée :

\boxed{\frac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}t} = \beta(1 - \alpha_{\text{diss}})\exp\left(-\frac{E_a}{RT}\right)}

avec :

\boxed{\beta = -\frac{\Delta_r H^\circ n_0 A}{C} = \frac{|\Delta_r H^\circ|\,n_0 A}{C}}

La combustion étant une réaction exothermique (\Delta_r H^\circ < 0), la constante \beta est bien strictement positive.

Résultat

Voir ce qu'a relevé le jury

Définissez le système d'étude et ne confondez pas variation de l'avancement et vitesse volumique, ni extensivité et fonction d'état.

« le jury déplore l’absence de la définition du système d’étude et les confusions fréquentes entre variation temporelle de l’avancement et vitesse volumique. »

« certains candidats introduisent le caractère extensif de la fonction d’état pour justifier que la variation de l’enthalpie entre deux états est indépendante du chemin suivi. »

Source : rapport du jury CentraleSupélec 2023

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Question 21

Application directeTemps estimé : ≈ 3 min
  • Raisonnement qualitatif

Notions : emballement thermique, rétroaction positive

Au regard de l'équation différentielle ci-dessus, justifier le terme d'emballement thermique lorsque l'avancement de la réaction est faible ().

Voir l'indice

Remarquer que pour un faible taux de conversion, la vitesse d'échauffement \mathrm{d}T/\mathrm{d}t croît de façon exponentielle avec la température, créant une boucle de rétroaction positive.

Voir la réponse courte

L'élévation de température accélère la réaction exothermique, augmentant encore plus le dégagement de chaleur.

Voir le corrigé complet

Lorsque l'avancement de la réaction est faible, c'est-à-dire pour \alpha_{\text{diss}} \ll 1, le facteur d'épuisement des réactifs est quasi unitaire : 1 - \alpha_{\text{diss}} \approx 1. L'équation différentielle établie à la question Q20 se simplifie alors en :

\frac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}t} \approx \beta \exp\left(-\frac{E_a}{R T}\right)

avec \beta > 0 et E_a > 0.

  • D'une part, comme \beta > 0, on a \dfrac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}t} > 0 : la température T augmente au cours du temps par dégagement de la chaleur de réaction.
  • D'autre part, la fonction T \mapsto \exp\left(-\dfrac{E_a}{R T}\right) est strictement croissante avec la température T. Par conséquent, la dérivée \dfrac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}t} augmente elle-même très rapidement avec T.

Il s'établit ainsi une boucle de rétroaction positive (ou auto-accélération thermique) :

T \nearrow \quad \Longrightarrow \quad k(T) \propto \exp\left(-\frac{E_a}{RT}\right) \nearrow \quad \Longrightarrow \quad \frac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}t} \nearrow \quad \Longrightarrow \quad T \text{ augmente encore plus vite.}

Tant que les réactifs ne sont pas significativement consommés et que les pertes thermiques vers l'extérieur sont négligeables, aucun mécanisme régulateur ne vient compenser cette production de chaleur : la vitesse de réaction et la température croissent de façon explosive. Cette divergence auto-entretenue justifie pleinement le terme d'emballement thermique (thermal runaway).

Voir ce qu'a relevé le jury

Pour justifier l'emballement thermique, la positivité de β doit être complétée par une analyse dynamique de la rétroaction.

« L’argument β> 0 était incontournable mais pas suffisant pour justifier le terme d’emballement thermique. »

Source : rapport du jury CentraleSupélec 2023

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Question 22

IntermédiaireTemps estimé : ≈ 6 min
  • Calcul littéral
  • Application numérique
  • Exploitation de document

Notions : loi d'arrhenius, régression linéaire

En supposant que le modèle isobare reste valide, calculer l'énergie d'activation à l'aide de la courbe de la figure 5.

Voir l'indice

Identifier la pente de la régression linéaire du graphe \ln(\mathrm{d}T/\mathrm{d}t) en fonction de 1000/T à la valeur -E_a/(1000\,R).

Voir la stratégie
  1. Partir de l'équation obtenue à la question Q20 dans le régime initial où le taux d'avancement est négligeable (\alpha_{\text{diss}} \ll 1).
  2. Prendre le logarithme népérien pour obtenir une loi affine reliant \ln(\mathrm{d}T/\mathrm{d}t) à la variable portée en abscisse, X = 1000/T.
  3. Relier la pente expérimentale de la droite de régression à l'énergie d'activation E_a et réaliser l'application numérique.
Voir la réponse courte

Pente de la droite \ln(\mathrm{d}T/\mathrm{d}t) = f(1/T) permettant d'extraire la valeur de -E_a/R.

Voir le corrigé complet

D'après la question Q20, pour \alpha_{\text{diss}} \ll 1, l'équation différentielle régissant l'évolution de la température s'écrit :

\frac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}t} \approx \beta \exp\left(-\frac{E_a}{RT}\right)

En prenant le logarithme népérien de cette expression, on obtient :

\ln\left(\frac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}t}\right) = \ln \beta - \frac{E_a}{RT} = \ln \beta - \frac{E_a}{1000\,R}\left(\frac{1000}{T}\right)

En posant X = \frac{1000}{T} (exprimé en \text{K}^{-1}) et Y = \ln\left(\frac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}t}\right), la fonction Y(X) est une droite affine de pente p :

p = -\frac{E_a}{1000\,R} \implies E_a = -1000\,R\,p

On remarque que le choix de l'unité de la vitesse de montée en température ({}^\circ\text{C}\cdot\text{min}^{-1}) ne modifie que la constante additive \ln \beta et n'affecte aucunement la pente de la droite.

Par lecture graphique sur la figure 5, on repère deux points sur la droite moyenne passant par les points de mesure :

  • Point 1 : X_1 = 1{,}91\text{ K}^{-1} pour Y_1 = 6{,}0 ;
  • Point 2 : X_2 = 2{,}14\text{ K}^{-1} pour Y_2 = 1{,}0.

La pente expérimentale vaut ainsi :

p = \frac{Y_2 - Y_1}{X_2 - X_1} = \frac{1{,}0 - 6{,}0}{2{,}14 - 1{,}91} = \frac{-5{,}0}{0{,}23\text{ K}^{-1}} \approx -21{,}7\text{ K} \approx -22\text{ K}

Avec la constante universelle des gaz parfaits R = 8{,}31\text{ J}\cdot\text{K}^{-1}\cdot\text{mol}^{-1}, on en déduit :

\begin{aligned} E_a &= -1000 \times 8{,}31 \times (-21{,}7) \\ E_a &\approx 1{,}8 \times 10^5\text{ J}\cdot\text{mol}^{-1} = 1{,}8 \times 10^2\text{ kJ}\cdot\text{mol}^{-1} \end{aligned}
\boxed{E_a \approx 1{,}8 \times 10^2\text{ kJ}\cdot\text{mol}^{-1}}

Résultat

Voir ce qu'a relevé le jury

Soignez les propriétés élémentaires du logarithme, détaillez le calcul de pente et indiquez l'unité de l'énergie d'activation.

« Le jury est surpris que de nombreux candidats assimilent le logarithme d’un produit au produit des logarithmes. »

« Seule une démarche d’estimation explicite et soignée de la pente, nécessairement assortie d’une unité appropriée, est valorisée. De même, le jury ne peut récompenser qu’une valeur de l’énergie d’activation dont l’unité est correctement renseignée. »

Source : rapport du jury CentraleSupélec 2023

Question déjà tombée ailleurs

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Partie II : Contrôle thermique d'un ensemble d'éléments

II.A · Diffusion thermique

Question 23

IntermédiaireTemps estimé : ≈ 8 min
  • Incontournable
  • Mise en équation
  • Calcul littéral
  • Résultat donné : utilisable pour la suite

Notions : équation de diffusion, transfert conducto-convectif

À partir d'un bilan d'énergie sur un système judicieusement choisi, montrer que le champ de température vérifie l'équation aux dérivées partielles suivante :

Voir l'indice

Effectuer un bilan thermique sur une tranche élémentaire de cylindre de section \pi a^2 et d'épaisseur \mathrm{d}x, en prenant en compte la diffusion axiale, les pertes latérales par la loi de Newton et la puissance volumique p_J.

Voir la stratégie
  1. Choisir pour système fermé la tranche de cylindre de matière située entre les abscisses x et x + \mathrm{d}x.
  2. Exprimer la variation d'énergie interne \mathrm{d}U du système entre t et t + \mathrm{d}t.
  3. Inventorier les flux d'énergie reçus pendant \mathrm{d}t : conduction axiale (loi de Fourier), échanges conducto-convectifs latéraux (loi de Newton) et puissance volumique dissipée (p_J).
  4. Appliquer le premier principe de la thermodynamique et diviser par le volume élémentaire \mathrm{d}V et la durée \mathrm{d}t.
Voir la réponse courte

Bilan d'énergie sur une tranche élémentaire \mathrm{d}x avec conduction, pertes de Newton latérales et terme Joule.

Voir le corrigé complet

Considérons le système fermé constitué de la tranche cylindrique de batterie de rayon a, comprise entre les plans d'abscisses x et x + \mathrm{d}x, pendant l'intervalle de temps \mathrm{d}t.

  • Son volume est \mathrm{d}V = S\,\mathrm{d}x = \pi a^2\,\mathrm{d}x, et sa masse est \mathrm{d}m = \mu\,\mathrm{d}V.
  • Sa surface latérale d'échange est \mathrm{d}\Sigma_{\mathrm{lat}} = 2\pi a\,\mathrm{d}x.

La matière étant condensée (incompressible et indilatable), la variation d'énergie interne du système entre t et t + \mathrm{d}t s'écrit :

\mathrm{d}U = \mathrm{d}m \, c \, \frac{\partial T(x, t)}{\partial t}\,\mathrm{d}t = \mu c\,\pi a^2\,\mathrm{d}x\,\frac{\partial T(x, t)}{\partial t}\,\mathrm{d}t.

Effectuons le bilan des transferts d'énergie reçus par le système pendant la durée \mathrm{d}t :

  • Conduction axiale : d'après la loi de Fourier, le vecteur densité de courant thermique axial est \vec{\jmath}_{\mathrm{th}}(x, t) = -\lambda \frac{\partial T(x, t)}{\partial x} \vec{u}_x. Le transfert thermique net entrant à travers les sections droites en x et en x+\mathrm{d}x vaut :

    \begin{aligned} \delta Q_{\mathrm{cond}} &= \left[ \vec{\jmath}_{\mathrm{th}}(x,t)\cdot \vec{u}_x \, S - \vec{\jmath}_{\mathrm{th}}(x+\mathrm{d}x,t)\cdot \vec{u}_x \, S \right] \mathrm{d}t \\ &= -\frac{\partial (\vec{\jmath}_{\mathrm{th}}\cdot\vec{u}_x)}{\partial x}\,S\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}t = \lambda \frac{\partial^2 T(x, t)}{\partial x^2}\,\pi a^2\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}t. \end{aligned}
  • Échange conducto-convectif latéral : le flux sortant à travers la surface latérale orientée par la normale unitaire sortante \vec{u} est donné par la loi de Newton :

    \delta Q_{\mathrm{lat}} = - \vec{\jmath}\cdot \vec{u} \;\mathrm{d}\Sigma_{\mathrm{lat}}\,\mathrm{d}t = - h_{cc}(T(x, t) - T_{\mathrm{ext}})\,2\pi a\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}t = \frac{2 h_{cc}}{a}(T_{\mathrm{ext}} - T(x, t))\,\pi a^2\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}t.
  • Production interne d'énergie : chaque accumulateur dégage une puissance volumique constante p_J, d'où l'énergie reçue pendant \mathrm{d}t :

    \delta W_J = p_J\,\mathrm{d}V\,\mathrm{d}t = p_J\,\pi a^2\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}t.

En appliquant le premier principe de la thermodynamique, \mathrm{d}U = \delta Q_{\mathrm{cond}} + \delta Q_{\mathrm{lat}} + \delta W_J :

\mu c\,\pi a^2\,\mathrm{d}x\,\frac{\partial T(x, t)}{\partial t}\,\mathrm{d}t = \left[ \lambda \frac{\partial^2 T(x, t)}{\partial x^2} + \frac{2 h_{cc}}{a}(T_{\mathrm{ext}} - T(x, t)) + p_J \right] \pi a^2\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}t.

En simplifiant par le volume \mathrm{d}V = \pi a^2\,\mathrm{d}x et par \mathrm{d}t, on obtient :

\boxed{\mu c \frac{\partial T(x, t)}{\partial t} = \lambda \frac{\partial^2 T(x, t)}{\partial x^2} + \frac{2 h_{cc}}{a}(T_{\text{ext}} - T(x, t)) + p_J}

Résultat

Voir ce qu'a relevé le jury

Menez un bilan d'énergie rigoureux sur un système fermé au repos avec schéma explicite, flux algébrisés et loi de Fourier.

« Le jury en attend un exposé rigoureux : définition du système, mention des instants considérés pour la réalisation du bilan énergétique, justification de l’absence de travaux, définition des transferts thermiques ou flux thermiques […] Le couplage de ce bilan à la loi phénoménologique de Fourier doit être explicitement mentionné. »

« appliquer le premier principe relatif aux systèmes en écoulement n’est évidemment pas pertinent eu égard au contexte d’étude. »

Source : rapport du jury CentraleSupélec 2023

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Question 24

Application directeTemps estimé : ≈ 3 min
  • Calcul littéral
  • Résultat donné : utilisable pour la suite

Notions : équation différentielle, longueur de diffusion

Simplifier l'équation précédente en régime stationnaire, en faisant apparaitre les grandeurs et .

Voir l'indice

Annuler la dérivée temporelle, diviser l'équation par la conductivité \lambda et factoriser le terme d'écart thermique sous la forme (T(x) - T_l)/H^2.

Voir la stratégie
  1. Traduire la condition de régime stationnaire par l'annulation de la dérivée temporelle, la température ne dépendant plus que de l'abscisse x.
  2. Regrouper les termes indépendants de la dérivée spatiale pour faire apparaître la température caractéristique T_l.
  3. Diviser par la conductivité \lambda pour identifier la longueur caractéristique H.
Voir la réponse courte

Annulation de la dérivée temporelle conduisant à \frac{\mathrm{d}^2 T}{\mathrm{d}x^2} - \frac{T - T_l}{H^2} = 0.

Voir le corrigé complet

En régime stationnaire, le champ de température est indépendant du temps :

\frac{\partial T(x, t)}{\partial t} = 0 \implies T(x, t) = T(x).

La dérivée spatiale devient alors une dérivée droite, et l'équation établie à la question Q23 s'écrit :

0 = \lambda \frac{\mathrm{d}^2 T(x)}{\mathrm{d} x^2} + \frac{2 h_{cc}}{a}\left(T_{\text{ext}} - T(x)\right) + p_J.

En factorisant par -\frac{2 h_{cc}}{a} dans les termes sources :

\begin{aligned} \lambda \frac{\mathrm{d}^2 T(x)}{\mathrm{d} x^2} - \frac{2 h_{cc}}{a} \left[ T(x) - \left( T_{\text{ext}} + \frac{p_J a}{2 h_{cc}} \right) \right] &= 0. \end{aligned}

On reconnaît l'expression de la température limite T_l = T_{\text{ext}} + \dfrac{p_J a}{2 h_{cc}} :

\lambda \frac{\mathrm{d}^2 T(x)}{\mathrm{d} x^2} - \frac{2 h_{cc}}{a} (T(x) - T_l) = 0.

En divisant l'ensemble par \lambda et en introduisant H^2 = \dfrac{a \lambda}{2 h_{cc}} (soit \dfrac{1}{H^2} = \dfrac{2 h_{cc}}{a \lambda}), on obtient l'équation différentielle simplifiée :

\boxed{\frac{\mathrm{d}^2 T(x)}{\mathrm{d} x^2} - \frac{T(x) - T_l}{H^2} = 0}

Résultat

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Question 25

Application directeTemps estimé : ≈ 3 min
  • Question de cours
  • Raisonnement qualitatif

Notions : longueur caractéristique, transfert thermique

Préciser la signification physique de la grandeur .

Voir l'indice

Interpréter H comme une distance caractéristique d'atténuation sur laquelle les pertes conducto-convectives équilibrent la conduction thermique axiale.

Voir la réponse courte

Longueur caractéristique traduisant la compétition entre diffusion axiale et déperdition convective latérale.

Voir le corrigé complet

La grandeur H = \sqrt{\dfrac{a\lambda}{2h_{cc}}} a la dimension d'une longueur :

[H^2] = \frac{[a]\,[\lambda]}{[h_{cc}]} = \frac{\text{m} \times (\text{W}\cdot\text{m}^{-1}\cdot\text{K}^{-1})}{\text{W}\cdot\text{m}^{-2}\cdot\text{K}^{-1}} = \text{m}^2 \implies [H] = \text{m}.

Sur le plan physique, H représente la longueur caractéristique d'atténuation (ou de relaxation) thermique axiale le long du cylindre :

  • Elle caractérise la compétition entre la diffusion thermique longitudinale (conduction le long de l'axe x, favorisée par une conductivité \lambda élevée) et les pertes thermiques latérales (convection vers l'air extérieur, favorisées par un coefficient h_{cc} élevé).
  • Pour un tronçon de cylindre de longueur H, la résistance thermique de conduction axiale R_{\text{th, diff}} = \dfrac{H}{\lambda (\pi a^2)} est du même ordre de grandeur que la résistance thermique d'échange convectif superficiel R_{\text{th, conv}} = \dfrac{1}{h_{cc}(2\pi a H)}.
  • Elle correspond à l'échelle spatiale sur laquelle l'influence thermique des extrémités (imposée à T_{\text{ext}}) pénètre à l'intérieur du bloc : sur une distance de quelques H depuis les bords, la température passe de la température imposée aux extrémités à la température limite T_l au cœur de la batterie.
\boxed{H \text{ est la longueur caractéristique de diffusion-convection axiale du bloc cylindrique.}}

Résultat

Voir ce qu'a relevé le jury

Faites une analyse dimensionnelle pour identifier la nature de longueur caractéristique de H.

« Le jury est toutefois surpris de lire que la grandeur Hs’interprète pour certains comme une pulsation, un coefficient de diffusion ou encore une enthalpie, illustrant l’absence d’effort de recherche de sens physique. Une analyse dimensionnelle permet évidemment d’écarter l’ensemble de ces propositions. »

Source : rapport du jury CentraleSupélec 2023

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Question 26

IntermédiaireTemps estimé : ≈ 6 min
  • Calcul littéral
  • Résultat donné : utilisable pour la suite

Notions : condition aux limites, profil de température

On admet que . En déduire que le profil de température peut se mettre sous la forme

où et seront des constantes exprimées en fonction de , , et .

Voir l'indice

Résoudre l'équation différentielle linéaire du second ordre à coefficients constants en exploitant la parité du profil thermique T'(0) = 0 et la condition en x = \pm L.

Voir la stratégie
  1. Rappeler l'équation différentielle régissant le profil stationnaire obtenue à la question Q24.
  2. Exprimer la solution générale à l'aide des fonctions hyperboliques et de la solution particulière constante.
  3. Exploiter la parité du problème et les conditions aux limites en x = \pm L pour déterminer les constantes d'intégration.
Voir la réponse courte

Solution générale en cosinus hyperbolique et application des conditions aux limites symétriques en x = \pm L.

Voir le corrigé complet

D'après la question Q24, le profil de température en régime stationnaire obéit à l'équation différentielle :

\frac{\mathrm{d}^2 T}{\mathrm{d}x^2} - \frac{T(x) - T_l}{H^2} = 0

En posant la variable d'écart \theta(x) = T(x) - T_l, l'équation devient \theta''(x) - \frac{1}{H^2}\,\theta(x) = 0. La solution générale de cette équation différentielle linéaire du second ordre à coefficients constants s'écrit :

T(x) = C_1 \cosh\left(\frac{x}{H}\right) + C_2 \sinh\left(\frac{x}{H}\right) + T_l

où C_1 et C_2 sont deux constantes d'intégration réelles.

Les conditions aux limites imposées sont symétriques : T(-L) = T(L) = T_{\text{ext}}.

  • La différence des températures aux deux extrémités donne :

    T(L) - T(-L) = 2 C_2 \sinh\left(\frac{L}{H}\right) = 0

    Comme L > 0 et H > 0, \sinh(L/H) \neq 0, d'où C_2 = 0. Le profil de température est donc une fonction paire de x.

  • La condition en x = L s'écrit :

    T(L) = C_1 \cosh\left(\frac{L}{H}\right) + T_l = T_{\text{ext}} \implies C_1 = \frac{T_{\text{ext}} - T_l}{\cosh(L/H)}

Le profil de température se met donc bien sous la forme :

T(x) = A \cosh\left(\frac{x}{H}\right) + B

avec :

\boxed{A = \frac{T_{\text{ext}} - T_l}{\cosh(L/H)} \quad \text{et} \quad B = T_l}

ce qui correspond à l'expression explicite :

T(x) = T_l - (T_l - T_{\text{ext}})\frac{\cosh(x/H)}{\cosh(L/H)}

Résultat

Voir ce qu'a relevé le jury

Appliquez les conditions aux limites à la solution générale complète et non à la seule solution homogène.

« un nombre non négligeable de candidats cherche à exploiter les conditions aux limites sur la solution de l’équation homogène et non générale. »

Source : rapport du jury CentraleSupélec 2023

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Question 27

IntermédiaireTemps estimé : ≈ 5 min
  • Raisonnement qualitatif
  • Exploitation de document

Notions : profil de température, optimisation thermique

Ce modèle a permis de construire les représentations graphiques présentées figure 7. Commenter qualitativement ces simulations au regard des expressions de et . Parmi les valeurs proposées pour les paramètres et de ces simulations, préciser lesquelles permettraient de contribuer à une bonne gestion thermique de la batterie.

Voir l'indice

Analyser le comportement asymptotique de la température au centre selon les valeurs de H et T_l ; en déduire l'intérêt d'une forte conductivité thermique et d'un bon coefficient d'échange fluide.

Voir la stratégie
  1. Exprimer l'élévation de température T(x) - T_{\text{ext}} en fonction de H et T_l, puis interpréter le rôle de chacun des paramètres physiques \lambda et h_{cc}.
  2. Analyser successivement l'influence de la conductivité thermique \lambda (graphe de gauche) et du coefficient d'échange convectif h_{cc} (graphe de droite).
  3. Comparer les écarts de température obtenus aux contraintes du cahier des charges d'une batterie (écart maximal \leqslant 10\text{ \textdegree C} et température maximale modérée) pour identifier les paramètres optimaux.
Voir la réponse courte

Analyse des profils : maximiser h_{cc} et \lambda pour limiter la surchauffe centrale et homogénéiser T.

Voir le corrigé complet

D'après les questions Q24 et Q26, l'élévation de température dans le bloc s'écrit :

T(x) - T_{\text{ext}} = (T_l - T_{\text{ext}})\left(1 - \frac{\cosh(x/H)}{\cosh(L/H)}\right)

avec :

T_l - T_{\text{ext}} = \frac{p_J\,a}{2h_{cc}} \quad \text{et} \quad H = \sqrt{\frac{a\,\lambda}{2h_{cc}}}

L'écart maximal de température est atteint au centre (x = 0) :

\Delta T_{\max} = T(0) - T_{\text{ext}} = \frac{p_J\,a}{2h_{cc}}\left(1 - \frac{1}{\cosh(L/H)}\right)

1. Commentaire qualitatif des simulations (figure 7) :

  • À h_{cc} = 5\text{ W}\cdot\text{m}^{-2}\cdot\text{K}^{-1} fixé (graphe de gauche) : L'écart asymptotique T_l - T_{\text{ext}} est constant. Lorsque la conductivité thermique \lambda augmente (0{,}4 \to 1 \to 10\text{ W}\cdot\text{m}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}), la longueur caractéristique H \propto \sqrt{\lambda} croît. Le rapport L/H diminue, donc \cosh(L/H) se rapproche de 1 : la diffusion thermique axiale évacue très efficacement la chaleur vers les extrémités x = \pm L maintenues à T_{\text{ext}}. Le profil s'aplatit considérablement et l'élévation maximale chute de 30\text{ K} (pour \lambda = 0{,}4) à environ 13\text{ K} (pour \lambda = 1) puis à seulement 1{,}5\text{ K} (pour \lambda = 10\text{ W}\cdot\text{m}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}).
  • À \lambda = 0{,}4\text{ W}\cdot\text{m}^{-1}\cdot\text{K}^{-1} fixé (graphe de droite) : Lorsque h_{cc} augmente (1 \to 10 \to 100\text{ W}\cdot\text{m}^{-2}\cdot\text{K}^{-1}), le terme source convectif T_l - T_{\text{ext}} \propto 1/h_{cc} diminue, favorisant l'évacuation surfacique latérale. Toutefois, pour une faible conductivité (\lambda = 0{,}4\text{ W}\cdot\text{m}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}), le transfert de chaleur reste limité par la conduction interne du matériau. Même en multipliant h_{cc} par 100, l'élévation au centre ne diminue que modérément, passant de 33\text{ K} à environ 20\text{ K}.

2. Choix des paramètres pour une bonne gestion thermique : Le préambule de la partie II impose :

  • un écart de température entre éléments inférieur à 10\text{ \textdegree C} (\Delta T \leqslant 10\text{ K}) ;
  • le maintien d'une température modérée (ne dépassant pas 40\text{ \textdegree C}, soit pour T_{\text{ext}} \approx 20\text{ \textdegree C} une élévation \Delta T \leqslant 20\text{ K}).

À \lambda = 0{,}4\text{ W}\cdot\text{m}^{-1}\cdot\text{K}^{-1} (valeur intrinsèque des accumulateurs), même avec une convection très forte (h_{cc} = 100\text{ W}\cdot\text{m}^{-2}\cdot\text{K}^{-1}), l'écart au sein du bloc reste d'environ 20\text{ K}, ce qui est incompatible avec la limite de 10\text{ K}.

En revanche, une conductivité élevée telle que \lambda = 10\text{ W}\cdot\text{m}^{-1}\cdot\text{K}^{-1} conduit à un écart maximal \Delta T_{\max} \approx 1{,}5\text{ K} \ll 10\text{ K}, assurant une quasi-uniformité de température.

\boxed{\text{Une gestion thermique optimale requiert une forte conductivité axiale ($\lambda = 10\text{ W}\cdot\text{m}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$) associée à un coefficient $h_{cc} \geqslant 10\text{ W}\cdot\text{m}^{-2}\cdot\text{K}^{-1}$.}}

Résultat

Voir ce qu'a relevé le jury

Raccordez l'influence des paramètres physiques aux grandeurs H et Tl, et bannissez les approximations de vocabulaire.

« Il est bienvenu d’étudier non seulement l’influence de λet hccsur le profil de température mais aussi sur les expressions de Het Tlpour les raccorder aux observations des représentations graphiques »

« L’usage du vocabulaire « proportionnel à » lorsque la relation n’est pas linéaire ou encore « profil parabolique » lorsque ce dernier s’apparente à un cosinus hyperbolique est malvenu »

Source : rapport du jury CentraleSupélec 2023

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II.B · Étude sur banc d'essai

Question 28

IntermédiaireTemps estimé : ≈ 5 min
  • Calcul littéral
  • Application numérique

Notions : dimensionnement, géométrie d'écoulement

Les différents accumulateurs sont placés côté à côte selon un agencement (figures 8 et 9). Exprimer puis calculer , la distance caractéristique de l'écoulement entre les éléments.

Voir l'indice

Considérer la maille carrée formée par les centres de quatre cylindres contigus pour déterminer l'espacement minimal selon la diagonale.

Voir la stratégie
  1. Analyser la géométrie du réseau formé par les accumulateurs d'après la figure 9 : les centres de quatre cylindres voisins forment un carré de côté d.
  2. Exprimer la distance entre les surfaces des deux cylindres situés sur la diagonale de ce motif carré en retranchant les deux rayons à la longueur de la diagonale.
  3. Réaliser l'application numérique avec le diamètre d = 18\text{ mm} fourni dans les données.
Voir la réponse courte

Calcul géométrique de l'espace interstitiel entre les cylindres à partir du pas et du diamètre.

Voir le corrigé complet

D'après la figure 9, les accumulateurs cylindriques de diamètre d sont disposés selon un maillage carré régulier. Les cylindres adjacents horizontalement et verticalement sont tangents, de sorte que la distance entre leurs axes vaut d.

Considérons le motif carré délimité par les centres de quatre accumulateurs voisins :

  • la longueur du côté du carré est d ;
  • la longueur de la diagonale joignant les centres de deux cylindres opposés est donc d\sqrt{2}.

La distance caractéristique de l'écoulement d_{\text{écoulement}} correspond à l'espacement libre mesuré le long de cette diagonale entre les surfaces des deux cylindres opposés. En retranchant le rayon R = d/2 de chacun des deux cylindres, on obtient :

d_{\text{écoulement}} = d\sqrt{2} - 2\left(\frac{d}{2}\right) = d(\sqrt{2} - 1)
\boxed{d_{\text{écoulement}} = d(\sqrt{2} - 1)}

Application numérique : Avec d = 18\text{ mm} :

\begin{aligned} d_{\text{écoulement}} &= 18 \times (\sqrt{2} - 1) \approx 7{,}46\text{ mm} \end{aligned}
\boxed{d_{\text{écoulement}} \approx 7{,}5\text{ mm}}

Résultat

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Question 29

IntermédiaireTemps estimé : ≈ 5 min
  • Calcul littéral
  • Application numérique

Notions : conservation du débit volumique, écoulement stationnaire

Estimer la vitesse de l'écoulement entre les accumulateurs, en supposant l'écoulement parfait.

Voir l'indice

Calculer la section droite totale offerte au passage de l'air en retranchant la surface occupée par les cylindres, puis utiliser la conservation du débit volumique.

Voir la stratégie
  1. Exprimer la section totale du caisson et la section occupée par les accumulateurs dans le plan perpendiculaire à l'écoulement.
  2. En déduire la section libre offerte au passage de l'air.
  3. L'écoulement étant supposé parfait et incompressible en régime permanent, le profil de vitesse est uniforme sur la section de passage ; la vitesse découle alors de la conservation du débit volumique.
Voir la réponse courte

Conservation du débit volumique D_v = S v entre la section totale d'entrée et la section de passage utile.

Voir le corrigé complet

L'air s'écoule parallèlement aux axes des accumulateurs le long des 4 rangées longitudinales. Dans la section droite transverse (figure 9), les accumulateurs forment une grille de 6 \times 6 = 36 cylindres de diamètre d.

Le caisson étant de section parfaitement ajustée aux dimensions du pack, sa section totale est un carré de côté 6d :

S_{\text{tot}} = (6d)^2 = 36\,d^2

La section transverse occupée par les 36 accumulateurs cylindriques vaut :

S_{\text{cyl}} = 36 \times \frac{\pi d^2}{4} = 9\pi d^2

La section libre disponible pour l'écoulement de l'air est donc :

S_{\text{libre}} = S_{\text{tot}} - S_{\text{cyl}} = 36\,d^2\left(1 - \frac{\pi}{4}\right)

Sous l'hypothèse d'un écoulement parfait et incompressible en régime stationnaire, la vitesse de l'air est uniforme à travers toute la section de passage. La conservation du débit volumique s'écrit :

Q_{V,e} = v \, S_{\text{libre}}

On en déduit l'expression de la vitesse d'écoulement entre les accumulateurs :

\boxed{v = \frac{Q_{V,e}}{36\,d^2\left(1 - \dfrac{\pi}{4}\right)}}

Application numérique :

  • Q_{V,e} = 80\text{ m}^3\cdot\text{h}^{-1} = \dfrac{80}{3600}\text{ m}^3\cdot\text{s}^{-1} \approx 2{,}22 \times 10^{-2}\text{ m}^3\cdot\text{s}^{-1}
  • d = 18\text{ mm} = 1{,}8 \times 10^{-2}\text{ m}
  • S_{\text{libre}} = 36 \times (1{,}8 \times 10^{-2})^2 \times \left(1 - \dfrac{\pi}{4}\right) \approx 2{,}50 \times 10^{-3}\text{ m}^2
\boxed{v \approx 8{,}9\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}}

Résultat

Voir ce qu'a relevé le jury

Prenez du recul sur l'ordre de grandeur de la vitesse calculée pour repérer d'éventuelles erreurs.

« Quelques erreurs de calculs sont néanmoins relevées ; les ordres de grandeur de vitesse obtenus doivent être analysés et critiqués en cas de doute par le candidat. »

Source : rapport du jury CentraleSupélec 2023

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Question 30

Application directeTemps estimé : ≈ 4 min
  • Incontournable
  • Calcul littéral
  • Application numérique

Notions : nombre de reynolds, régime d'écoulement

Estimer le nombre de Reynolds pour l'écoulement entre les accumulateurs. Conclure sur le régime de l'écoulement.

Voir l'indice

Calculer le nombre de Reynolds \mathrm{Re} = v\,d_{\text{écoulement}}/\nu et le situer par rapport aux seuils usuels de transition laminaire-turbulent.

Voir la stratégie
  1. Exprimer le nombre de Reynolds \mathrm{Re} à partir de la vitesse moyenne de l'écoulement v, de la viscosité cinématique de l'air \nu et de la dimension spatiale caractéristique calculée précédemment (d_{\text{écoulement}} ou le diamètre d).
  2. Effectuer l'application numérique avec les grandeurs issues des questions Q28 et Q29.
  3. Comparer \mathrm{Re} à la valeur critique usuelle pour déterminer le régime d'écoulement.
Voir la réponse courte

Calcul de Re = \frac{v d}{\nu} et comparaison à la valeur critique pour conclure au caractère turbulent.

Voir le corrigé complet

Le nombre de Reynolds sans dimension caractérise le rapport des forces d'inertie sur les forces visqueuses :

\mathrm{Re} = \frac{v \, d_{\text{écoulement}}}{\nu}

où :

  • v \approx 8{,}9\text{ m}\cdot\text{s}^{-1} est la vitesse de l'air entre les éléments (d'après Q29) ;
  • d_{\text{écoulement}} \approx 7{,}5\text{ mm} = 7{,}5 \times 10^{-3}\text{ m} est la distance caractéristique de passage de l'air (d'après Q28) ;
  • \nu = 1{,}6 \times 10^{-5}\text{ m}^2\cdot\text{s}^{-1} est la viscosité cinématique de l'air.

L'application numérique donne :

\mathrm{Re} = \frac{8{,}9 \times 7{,}5 \times 10^{-3}}{1{,}6 \times 10^{-5}} \approx 4{,}2 \times 10^3
\boxed{\mathrm{Re} \approx 4 \times 10^3}

Remarque : si l'on choisit le diamètre externe des cylindres d = 18\text{ mm} comme échelle spatiale caractéristique du système, on obtient :

\mathrm{Re}_d = \frac{v \, d}{\nu} \approx \frac{8{,}9 \times 1{,}8 \times 10^{-2}}{1{,}6 \times 10^{-5}} \approx 1{,}0 \times 10^4

Le nombre de Reynolds obtenu (\mathrm{Re} \sim 4 \times 10^3 à 10^4) est nettement supérieur au nombre de Reynolds critique de transition pour un écoulement confiné (\mathrm{Re}_c \approx 2000). L'écoulement de l'air entre les accumulateurs est donc en régime turbulent.

Résultat

Voir ce qu'a relevé le jury

Explicitez chaque terme de Re, contrôlez la cohérence physique de sa valeur et limitez le nombre de chiffres significatifs.

« Les grandeurs introduites dans l’expression définissant le nombre de Reynolds Re doivent être explicitées. »

« Là encore, une analyse du sens physique est la bienvenue : un nombre de Reynolds de l’ordre de 10−5 dans l’air, à cette vitesse, interroge tout autant qu’une valeur de l’ordre de 1012 ! De même, afficher une valeur de Re avec un nombre de chiffres important n’a aucun sens. »

Source : rapport du jury CentraleSupélec 2023

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Question 31

IntermédiaireTemps estimé : ≈ 7 min
  • Incontournable
  • Question de cours
  • Mise en équation
  • Résultat donné : utilisable pour la suite

Notions : premier principe industriel, système ouvert

Démontrer, à l'aide d'un bilan d'énergie sur un système judicieusement choisi et en explicitant toute hypothèse éventuellement utile, l'équation

où et sont les enthalpies massiques de l'air respectivement en sortie et en entrée du caisson, est la puissance thermique échangée entre l'ensemble des accumulateurs et le fluide et le débit massique d'air.

Voir l'indice

Appliquer le premier principe en système ouvert à la traversée du caisson calorifugé en négligeant les variations d'énergies cinétique et potentielle.

Voir la stratégie

Pour établir le premier principe pour un fluide en écoulement, on applique le premier principe de la thermodynamique à un système fermé judicieusement délimité entre deux instants t et t+\mathrm{d}t (méthode du système fermé coïncident).

Voir la réponse courte

Premier principe en système ouvert stationnaire sans travail utile transvasé : \mathcal{P} = D_m \Delta h.

Voir le corrigé complet

Considérons le volume de contrôle fixe (\mathcal{V}) délimité par les parois intérieures du caisson entre la section d'entrée e et la section de sortie s. On définit le système fermé \Sigma^* constitué :

  • de la masse de fluide présente dans le volume de contrôle (\mathcal{V}) à l'instant t ;
  • de la masse élémentaire de fluide \delta m = D_m\,\mathrm{d}t entrant dans (\mathcal{V}) à travers la section d'entrée pendant \mathrm{d}t.

À l'instant t + \mathrm{d}t, ce même système \Sigma^* est constitué de la masse de fluide présente dans (\mathcal{V}) à t + \mathrm{d}t et de la masse \delta m sortie de (\mathcal{V}) à travers la section de sortie.

On formule les hypothèses suivantes :

  1. Régime stationnaire : les grandeurs thermodynamiques en tout point du volume de contrôle sont indépendantes du temps ;
  2. Énergies cinétique et potentielle négligeables : les variations d'énergie cinétique macroscopique et d'énergie potentielle de pesanteur entre l'entrée et la sortie sont négligeables devant la variation d'enthalpie ;
  3. Absence de travail utile : aucun organe mécanique mobile n'échange de travail avec le fluide dans ce tronçon (\delta W_u = 0) ;
  4. Caisson calorifugé : les parois extérieures ne laissent passer aucun transfert thermique vers l'extérieur, de sorte que le seul transfert thermique reçu par le fluide provient des accumulateurs : \delta Q = \mathcal{P}\,\mathrm{d}t.

L'enthalpie du système fermé s'écrit aux deux instants :

\begin{aligned} H_{\Sigma^*}(t) &= H_{(\mathcal{V})}(t) + \delta m\,h_e \\ H_{\Sigma^*}(t+\mathrm{d}t) &= H_{(\mathcal{V})}(t+\mathrm{d}t) + \delta m\,h_s \end{aligned}

En régime stationnaire, H_{(\mathcal{V})}(t+\mathrm{d}t) = H_{(\mathcal{V})}(t). La variation d'enthalpie du système fermé s'élève donc à :

\mathrm{d}H_{\Sigma^*} = \delta m\,(h_s - h_e) = D_m(h_s - h_e)\,\mathrm{d}t

D'après le premier principe appliqué au système fermé \Sigma^*, en tenant compte du travail des forces de pression aux frontières qui est incorporé dans l'enthalpie :

\mathrm{d}H_{\Sigma^*} = \delta W_u + \delta Q = 0 + \mathcal{P}\,\mathrm{d}t

En identifiant les deux expressions de \mathrm{d}H_{\Sigma^*}, on obtient :

\boxed{\mathcal{P} = D_m (h_s - h_e)}

Résultat

Voir ce qu'a relevé le jury

Question très sélective : définissez rigoureusement le système fermé coincident avec schéma et justifiez les termes négligés.

« Comme pour Q23., le jury attend un exposé rigoureux pour cette question, physiquement riche, contribuant pour une part importante au barème global de l’épreuve, allant de la définition précise du système fermé considéré assortie d’un schéma explicite, à la justification des termes supposés nuls ou négligeables. »

« moins de 9 % des candidats obtiennent la moitié des points et seulement 0,2 % fournissent une démonstration convaincante. »

Source : rapport du jury CentraleSupélec 2023

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Question 32

Application directeTemps estimé : ≈ 4 min
  • Calcul littéral
  • Application numérique

Notions : premier principe industriel, gaz parfait

Déterminer l'expression de la puissance échangée entre l'ensemble des accumulateurs et l'air supposé se comporter comme un gaz parfait, puis calculer sa valeur numérique à partir des mesures de températures et .

Voir l'indice

Exprimer la variation d'enthalpie massique de l'air \Delta h = c_{p,\text{air}}(\theta_s - \theta_e) et relier le débit massique au débit volumique via la masse volumique.

Voir la réponse courte

Expression \mathcal{P} = D_m c_p (\theta_s - \theta_e) et calcul numérique de la puissance thermique évacuée.

Voir le corrigé complet

D'après la question Q31, la puissance thermique échangée entre le pack d'accumulateurs et l'air s'écrit :

\mathcal{P} = D_m (h_s - h_e)

L'air étant modélisé par un gaz parfait, il vérifie la deuxième loi de Joule : son enthalpie ne dépend que de la température. Avec une capacité thermique massique à pression constante c_{p\text{,air}} supposée indépendante de la température sur la plage considérée, la variation d'enthalpie massique s'exprime par :

h_s - h_e = c_{p\text{,air}}(\theta_s - \theta_e)

Le fluide étant supposé incompressible, sa masse volumique \rho_{\text{air}} est uniforme et le débit massique s'exprime à partir du débit volumique d'entrée Q_{V,e} :

D_m = \rho_{\text{air}} Q_{V,e}

On en déduit l'expression de la puissance thermique reçue par l'air :

\boxed{\mathcal{P} = \rho_{\text{air}} \, Q_{V,e} \, c_{p\text{,air}} \, (\theta_s - \theta_e)}

Application numérique :

  • \rho_{\text{air}} = 1{,}2\text{ kg}\cdot\text{m}^{-3}
  • Q_{V,e} = 80\text{ m}^3\cdot\text{h}^{-1} = \frac{80}{3600}\text{ m}^3\cdot\text{s}^{-1} \approx 2{,}22 \times 10^{-2}\text{ m}^3\cdot\text{s}^{-1}
  • c_{p\text{,air}} = 1{,}0\text{ kJ}\cdot\text{K}^{-1}\cdot\text{kg}^{-1} = 1{,}0 \times 10^3\text{ J}\cdot\text{K}^{-1}\cdot\text{kg}^{-1}
  • \theta_s - \theta_e = 25{,}5 - 20{,}0 = 5{,}5\text{ }^\circ\text{C} = 5{,}5\text{ K}
\mathcal{P} = 1{,}2 \times \frac{80}{3600} \times 1{,}0 \times 10^3 \times 5{,}5 = \frac{440}{3}\text{ W} \approx 147\text{ W}

Compte tenu des deux chiffres significatifs sur les données \rho_{\text{air}} et c_{p\text{,air}}, on retient :

\boxed{\mathcal{P} \approx 1{,}5 \times 10^2\text{ W}}

Résultat

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Question 33

IntermédiaireTemps estimé : ≈ 5 min
  • Calcul littéral
  • Application numérique

Notions : loi de newton, coefficient conducto-convectif

En fonctionnement, la température du pack est mesurée à et est supposée uniforme sur l'ensemble du pack. On note , la température moyenne de l'air circulant autour du pack. Estimer la valeur du coefficient conducto-convectif .

Voir l'indice

Égaliser la puissance thermique évacuée par l'air à la puissance globale transférée selon la loi de Newton sur la surface latérale totale des N éléments.

Voir la stratégie
  1. Exprimer la puissance thermique totale \mathcal{P} cédée par le pack d'accumulateurs à l'air par la loi de Newton globale, faisant intervenir la surface totale d'échange et l'écart moyen de température.
  2. Déterminer la surface totale d'échange S_{\text{tot}} correspondant aux surfaces latérales des N = 144 cylindres constituant le pack.
  3. En déduire l'estimation numérique du coefficient d'échange conducto-convectif h_{cc}.
Voir la réponse courte

Bilan global \mathcal{P} = h_{cc} S_{\text{tot}} (\theta_{\text{pack}} - \bar{\theta}) pour déterminer h_{cc}.

Voir le corrigé complet

D'après la loi de Newton, la puissance thermique échangée entre le pack maintenu à température uniforme \theta_{\text{pack}} et l'air à la température moyenne \bar{\theta} s'écrit :

\mathcal{P} = h_{cc} \, S_{\text{tot}} \, (\theta_{\text{pack}} - \bar{\theta})

où S_{\text{tot}} est la surface d'échange entre les accumulateurs et l'air. L'air circule le long des N = 144 accumulateurs cylindriques de diamètre d et de hauteur h. En considérant que l'échange thermique a lieu essentiellement à travers leurs surfaces latérales cylindriques, la surface d'échange totale vaut :

S_{\text{tot}} = N \pi d h

On en déduit l'expression de h_{cc} :

h_{cc} = \frac{\mathcal{P}}{N \pi d h \, (\theta_{\text{pack}} - \bar{\theta})}

La température moyenne de l'air est :

\bar{\theta} = \frac{\theta_e + \theta_s}{2} = \frac{20{,}0 + 25{,}5}{2} = 22{,}75\text{ }^\circ\text{C}

d'où un écart moyen :

\theta_{\text{pack}} - \bar{\theta} = 30{,}0 - 22{,}75 = 7{,}25\text{ }^\circ\text{C} = 7{,}25\text{ K}

La surface totale d'échange vaut :

S_{\text{tot}} = 144 \times \pi \times 18 \times 10^{-3} \times 65 \times 10^{-3} \approx 0{,}529\text{ m}^2

Avec la puissance thermique obtenue à la question précédente \mathcal{P} \approx 147\text{ W} :

h_{cc} = \frac{147}{0{,}529 \times 7{,}25} \approx 38\text{ W}\cdot\text{m}^{-2}\cdot\text{K}^{-1}
\boxed{h_{cc} \approx 38\text{ W}\cdot\text{m}^{-2}\cdot\text{K}^{-1}}

Résultat

Voir ce qu'a relevé le jury

Prenez garde à la détermination géométrique de la surface totale d'échange thermique.

« L’estimation de la surface d’échange semble poser problème aux candidats. »

Source : rapport du jury CentraleSupélec 2023

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Question 34

Application directeTemps estimé : ≈ 3 min
  • Question de cours
  • Raisonnement qualitatif

Notions : perte de charge, viscosité

Les manomètres mesurent une chute de pression de part et d'autre des accumulateurs. Expliquer l'origine de cette variation de pression.

Voir l'indice

Interpréter la différence de pression comme la perte de charge totale résultant du frottement visqueux le long des parois et des turbulences d'impact.

Voir la réponse courte

Frottements visqueux pariétaux et décollements de couche limite créant une traînée et une perte de charge.

Voir le corrigé complet

L'air étant un fluide réel de viscosité non nulle (\nu = 1{,}6 \times 10^{-5}\text{ m}^2\cdot\text{s}^{-1}) et l'écoulement étant turbulent (\mathrm{Re} \approx 4 \times 10^3, d'après la question Q30), le passage du flux d'air à travers le réseau d'accumulateurs s'accompagne d'une dissipation d'énergie mécanique sous forme d'énergie thermique (dissipation visqueuse).

Cette dissipation se traduit macroscopiquement par des pertes de charge entre l'amont et l'aval :

  • Pertes de charge singulières prépondérantes : la géométrie complexe du réseau d'accumulateurs provoque des variations brutales de section (rétrécissement à l'entrée, élargissement à la sortie) ainsi que le décollement de la couche limite créant des zones de recirculation et des sillages tourbillonnaires en aval de chaque cylindre (traînée de forme) ;
  • Pertes de charge régulières : frottements visqueux pariétaux de l'air le long de la surface latérale des accumulateurs et des parois du caisson.

Entre deux sections droites identiques en amont et en aval, le théorème de Bernoulli généralisé (bilan d'énergie mécanique en écoulement stationnaire incompressible) donne :

\boxed{\Delta P = P_e - P_s = \Delta P_{\text{pertes}} > 0}

La chute de pression observée \Delta P = 10\text{ mbar} correspond donc à la perte de charge totale engendrée par le faisceau d'accumulateurs.

Résultat

Voir ce qu'a relevé le jury

Expliquez la chute de pression en analysant les pertes de charge dues aux écarts au modèle parfait.

« L’énoncé fait allusion aux écarts au modèle de l’écoulement parfait. Toute réponse pertinente et contextualisée est valorisée. »

Source : rapport du jury CentraleSupélec 2023

Question déjà tombée ailleurs

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Question 35

IntermédiaireTemps estimé : ≈ 5 min
  • Calcul littéral
  • Application numérique

Notions : puissance aéraulique, rendement

Exprimer puis calculer la puissance électrique consommée par le ventilateur en considérant que le rendement électromécanique du ventilateur vaut . Commenter ce résultat.

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Calculer la puissance mécanique aéraulique \mathcal{P}_{\text{aéro}} = Q_{V,e}\,\Delta P et la diviser par le rendement électromécanique du ventilateur.

Voir la réponse courte

Puissance fluide \mathcal{P}_{\text{aéro}} = D_v \Delta P, d'où la puissance électrique P_e = \mathcal{P}_{\text{aéro}}/\eta.

Voir le corrigé complet

Pour vaincre les pertes de charge \Delta P à travers le banc d'accumulateurs et assurer un écoulement à débit volumique Q_{V,e} d'un fluide incompressible, le ventilateur doit fournir au fluide une puissance utile (puissance aéraulique) donnée par :

\mathcal{P}_{\text{utile}} = Q_{V,e} \Delta P

En introduisant le rendement électromécanique \eta du ventilateur, la puissance électrique consommée \mathcal{P}_{\text{él}} s'exprime sous la forme :

\boxed{\mathcal{P}_{\text{él}} = \frac{Q_{V,e} \Delta P}{\eta}}

Avec les valeurs numériques de l'énoncé :

  • Q_{V,e} = 80\text{ m}^3\cdot\mathrm{h}^{-1} = \frac{80}{3600}\text{ m}^3\cdot\mathrm{s}^{-1} \approx 2{,}22 \times 10^{-2}\text{ m}^3\cdot\mathrm{s}^{-1},
  • \Delta P = 10\text{ mbar} = 1{,}0 \times 10^3\text{ Pa},
  • \eta = 0{,}60,

on obtient :

\mathcal{P}_{\text{él}} = \frac{\frac{80}{3600} \times 1{,}0 \times 10^3}{0{,}60} \approx 37\text{ W}
\boxed{\mathcal{P}_{\text{él}} \approx 37\text{ W}}

Commentaire :

  • Cette consommation électrique représente environ 25\text{ }\% de la puissance thermique évacuée par l'air (\mathcal{P} \approx 147\text{ W}, calculée à la question Q32), ce qui constitue un coût énergétique non négligeable pour le refroidissement à cette échelle.
  • Extrapolée à la batterie complète d'un véhicule électrique comptant environ 2000 accumulateurs (soit un facteur 2000 / 144 \approx 14), la puissance de ventilation serait de l'ordre de 500\text{ W}. Cette puissance est facilement délivrée par le réseau de bord d'un véhicule et demeure très modeste par rapport à la puissance du groupe motopropulseur (plusieurs dizaines à centaines de kilowatts).

Résultat

Voir ce qu'a relevé le jury

Justifiez la formule employée pour la puissance et explicitez clairement les notations utilisées dans le rendement.

« Une nouvelle fois, les candidats privilégient une réponse se limitant à une formule sans explication, résultant probablement d’une analyse dimensionnelle. Le rendement est en général bien défini quoique les notations manquent régulièrement d’être explicitées. »

Source : rapport du jury CentraleSupélec 2023

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