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Centrale Physique Chimie 2 PSI 2020Sujet, corrigé et rapport du jury

Étude simplifiée du vol d'un Airbus A320

Pas encore noté

Faisable en sup ?

Faisable en partie en PCSI : 6 questions sur 45. Autres questions faisables en PCSI

Autres premières années : MPSI 5 · PTSI 4 · MP2I 2 · TSI1 5 questions.

Détail par partie

Téléchargements

Présentation du sujet

Difficulté moyenne
Étude simplifiée du vol d'un Airbus A320 : aile, turboréacteur, NOx et alliage d'aluminium
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Le sujet propose une étude simplifiée du vol d'un Airbus A320 en deux parties de physique et deux parties de chimie. Il étudie la portance, la traînée, le décrochage et la finesse de l'avion, puis l'écoulement dans un turboréacteur double corps et sa poussée. La chimie porte sur la formation des oxydes d'azote et sur l'alliage d'aluminium 2024, de son diagramme binaire à sa corrosion.

  1. 1Partie I : l'Airbus A320 en volPortance et traînée d'une aile à partir de graphes, vitesse minimale et risque de décrochage, puis finesse et distance de vol plané.
  2. 2Partie II : turboréacteur double corps, avec soufflante, à flux séparésCombustion du kérosène, évolutions du fluide dans le turboréacteur, vitesses d'éjection et calcul de la poussée spécifique par un bilan de quantité de mouvement.
  3. 3Partie III : NOx et production de gaz à effet de serreThermodynamique de la formation du monoxyde d'azote, cinétique de la production de dioxyde d'azote et schéma de Lewis de NO2.
  4. 4Partie IV : aluminium et alliage 2024Structure cristalline de l'aluminium, diagramme binaire liquide-solide aluminium-cuivre, courbes courant-potentiel et corrosion par piqûres.

Difficulté moyenne. Le jury indique que plus de 80 % du barème portait sur des questions de cours, d'application directe, des applications numériques et des raisonnements simples, les parties I et II étant plus délicates.

L'épreuve en chiffres

Moyenne 8,16 / 20 · écart-type 4,07 · 4 053 présents · où vous situez-vous ?
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Moyenne
8,16/ 20
Écart-type
4,07
Présents
4 053
Coefficient
15
Durée
4 h
1er quartile
5,2
Médiane
7,5
3e quartile
10,6
moyenne 8,1605101520
Deux tiers des copies environ (moyenne ± écart-type)

Votre note sur 20 à ce sujet, en conditions de concours.

Source : document officiel du concours, épreuve du 30 juin 2020. Notes publiées par le concours (après harmonisation le cas échéant). Courbe : estimation par une loi normale.

Ce qu'a observé le jury

6 erreurs relevées
Lecture approximative des graphes · Questions qualitatives floues · Hypothèse sur les fractions molaires non justifiée
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La plupart des candidats ont abordé les quatre parties. Le barème a valorisé l'argumentation au détriment du grappillage de points, et une majorité de candidats a eu du mal à récupérer les points des questions simples. Certaines copies ont presque tout résolu, avec des notes quasi maximales sur les parties I et II.

Les erreurs les plus sanctionnées

  1. 1
    Lecture approximative des graphesQ3

    Les coefficients Cx et Cy doivent être lus à la règle en tenant compte des échelles. Une lecture rapide n'est pas acceptée, et un résultat à trois ou quatre chiffres significatifs n'est pas raisonnable.

    « Une simple lecture « à la volée » n'est pas acceptable. »
  2. 2
    Questions qualitatives flouesQ4 à Q6, Q10, Q11, Q16

    Ces questions pèsent un tiers de la partie I. Une réponse avec deux arguments contradictoires, ou un argument juste et un autre faux, n'est pas recevable.

    « Ce n'est pas au correcteur de choisir parmi une liste proposée par le candidat. »
  3. 3
    Hypothèse sur les fractions molaires non justifiéeQ29

    Trop de candidats prennent les fractions molaires initiales du diazote et du dioxygène comme valeurs à l'équilibre, sans avoir calculé la constante d'équilibre ni prédit un faible avancement.

  4. 4
    Ordres partiels mal argumentésQ31

    Seulement 5 % des candidats trouvent les deux ordres partiels avec une argumentation correcte.

  5. 5
    Montage à trois électrodes incorrectQ38

    Moins de 10 % des montages sont corrects, complets et légendés, souvent sans générateur, et seulement 5 % donnent le rôle des électrodes.

  6. 6
    Conditions d'application oubliéesQ18, Q30

    Les conditions de la loi de Laplace doivent être toutes rédigées, et le signe de l'enthalpie libre standard ne suffit pas à prévoir le sens d'évolution.

Ce qui a été bien réussi

  • Les candidats se sont investis dans les parties I et II, qui demandaient un temps d'appropriation.
  • Certains candidats ont répondu à la question 12 en deux lignes grâce à un schéma bien tracé.
  • Les candidats à l'aise avec l'oxydoréduction et la corrosion ont gagné des points précieux sur les questions 40 à 45.
  • Un candidat sur deux écrit correctement les deux demi-équations électroniques de la question 39.

Conseils du jury

  • Éviter les abréviations comme PFD ou BAME et définir toute grandeur non introduite par l'énoncé.
  • Utiliser les notations conventionnelles, par exemple ΔrH° pour l'enthalpie standard de réaction.
  • Soigner les applications numériques, qui pèsent plus du quart du barème, avec un nombre de chiffres significatifs adapté.
  • Éclairer le raisonnement par un schéma ou un tableau d'avancement plutôt qu'un long discours.
  • Contrôler l'homogénéité des résultats littéraux avant l'application numérique.

Synthèse rédigée par WikiPrépa à partir du rapport officiel du jury (à télécharger en PDF). Les citations sont extraites du rapport.

Corrigé détaillé

45 questions
Indice, stratégie puis corrigé complet pour chaque question, avec les remarques du jury.
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45 questions corrigées une à une : un indice, puis la stratégie, puis le corrigé complet avec le résultat encadré et les remarques du jury. Chaque question est vérifiée avant publication.

  1. Q1Recopier sommairement le schéma de la figure 1 en y faisant figurer la résultante aérodynamique ainsi que…
  2. Q2On considère l'avion en vol de croisière à pente et assiette nulles (trajectoire confondue avec l'axe de…
  3. Q3Estimer numériquement la vitesse de croisière et la poussée nécessaire à son maintien.
  4. Q4À l'aide de la figure 4, expliquer l'existence d'une force de portance pour les angles d'incidence non nuls.
  5. Q5Justifier que cette force de portance est nulle pour un angle d'incidence nul.
  6. Q6À partir de la figure 2, en considérant que la trajectoire est horizontale et que l'assiette est non nulle…
  7. Q7Exprimer la vitesse.
  8. Q8Pour l'aile considérée, estimer la valeur numérique de l'incidence permettant de voler à.
Voir les 37 autres questions
  1. Q9Estimer la valeur numérique de pour l'aile considérée.
  2. Q10Pourquoi cette situation risque-t-elle de se présenter en phase d'atterrissage ?
  3. Q11En s'appuyant sur la figure 5 et en sachant que, pour des raisons de sécurité, l'atterrissage doit se faire…
  4. Q12À partir d'un schéma représentant les forces s'exerçant sur l'avion, exprimer la finesse de l'aile en…
  5. Q13Comment se traduit graphiquement la finesse maximale sur la polaire de type Eiffel ?
  6. Q14En utilisant la figure 6, évaluer numériquement la finesse maximale de l'aile considérée.
  7. Q15En déduire la distance horizontale maximale que peut parcourir l'avion en vol plané en cas de panne de…
  8. Q16En réalité, la finesse de l'avion complet (ailes, fuselage, moteurs, empennage, dérive...) est deux fois…
  9. Q17On modélise le kérosène par le décane. En s'appuyant sur une modélisation qui sera justifiée, exprimer puis…
  10. Q18Établir l'expression de la pression en fonction de,, et du coefficient isentropique de l'air.
  11. Q19En exploitant le couplage mécanique entre turbine, compresseur et soufflante, établir les expressions…
  12. Q20Établir l'expression littérale et la valeur numérique de, vitesse du gaz du flux chaud à la sortie de la…
  13. Q21Établir également l'expression littérale et la valeur numérique de, vitesse du gaz du flux froid à la sortie…
  14. Q22Par un bilan de quantité de mouvement sur une surface de contrôle judicieusement choisie, justifier que les…
  15. Q23Exprimer la poussée du turboréacteur complet uniquement en fonction de, des vitesses d'éjection et et du…
  16. Q24En déduire l'expression et la valeur numérique de la poussée par unité de débit massique, dite poussée…
  17. Q25Quel est le pourcentage de la poussée assurée par le flux chaud ?
  18. Q26Lors d'un essai au sol sur banc fixe, le turboréacteur délivre une poussée de. Quel débit massique doit…
  19. Q27Ce débit massique permet-il d'obtenir la même valeur de la poussée en vol de croisière ? Justifier…
  20. Q28Calculer l'enthalpie standard de réaction associée à la réaction (III.1). Commenter.
  21. Q29En se plaçant dans l'approximation d'Ellingham, évaluer la fraction molaire de monoxyde d'azote présente à…
  22. Q30Commenter le choix de la température retenue pour l'étude cinétique.
  23. Q31Utiliser les résultats précédents pour proposer une loi de vitesse pour la réaction III.2. Déterminer la…
  24. Q32Proposer un schéma de Lewis pour la molécule de dioxyde d'azote.
  25. Q33Évaluer l'énergie de liaison, aussi appelée enthalpie standard de dissociation, dans. Commenter la valeur…
  26. Q34L'acier possède une densité. Justifier l'emploi d'alliages d'aluminium plutôt que de l'acier en aéronautique.
  27. Q35Le diagramme de la figure 10 montre qu'il existe un composé défini. Déterminer sa composition, avec entier.
  28. Q36Reproduire très schématiquement ce diagramme binaire en indiquant pour chaque domaine la nature des phases…
  29. Q37Calculer le pourcentage massique des phases en présence dans l'alliage 2024 à l'équilibre à la température de.
  30. Q38L'étude de la corrosion de l'alliage passe par le tracé des courbes courant-potentiel pour les métaux…
  31. Q39Écrire la demi-équation électronique associée au couple de l'eau en milieu acide, puis en milieu basique.
  32. Q40Calculer le potentiel standard apparent (à) d'oxydoréduction du couple et justifier à postériori le tracé…
  33. Q41Écrire l'équation de réaction modélisant la transformation observée lors du phénomène de corrosion par…
  34. Q42Après avoir reproduit schématiquement les branches anodique et cathodique impliquées dans le processus…
  35. Q43En supposant les surtensions à vide inchangées, positionner de façon qualitative les courbes anodique et…
  36. Q44Établir l'équation de la frontière séparant les domaines de l'ion aluminium et de l'hydroxyde d'aluminium…
  37. Q45Expliquer comment le phénomène de corrosion par piqure est susceptible d'être enrayé par la passivation de…

Description

Le sujet propose une étude simplifiée du vol d'un Airbus A320 en deux parties de physique et deux parties de chimie. Il étudie la portance, la traînée, le décrochage et la finesse de l'avion, puis l'écoulement dans un turboréacteur double corps et sa poussée. La chimie porte sur la formation des oxydes d'azote et sur l'alliage d'aluminium 2024, de son diagramme binaire à sa corrosion.

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L'énoncé complet, avec les formules et les figures, sans ouvrir le PDF.
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Étude simplifiée du vol d'un Airbus A320

Un formulaire et certaines valeurs numériques sont regroupées en fin d'énoncé.

I L'Airbus A320 en vol

I.A - Éléments de description d'une aile

On considère un avion de ligne de type Airbus A320. L'avion, de masse m = 60000 kg supposée constante, est équipé de deux turboréacteurs (un sous chaque aile) délivrant une poussée totale F⃗. La figure 1 rappelle la signification des termes utiles à la description d'une aile.
Figure 1
Chaque aile mesure environ 12 mètres de long et sa corde 3 mètres en moyenne. Le profil de chaque aile est supposé symétrique.
On se place dans le référentiel de l'avion ( O, x, y ) (figure 1). L'aéronef est dans un flux d'air unidirectionnel et stationnaire, dit vent relatif, de vitesse v⃗_0 = v_0 e⃗_x et d'angle d'incidence α par rapport à l'aile. L'écoulement de l'air est partout supposé incompressible, homogène et stationnaire. Chaque aile subit alors une force de portance d'intensité 1/2ρSv_0^2 C_y et une force de trainée d'intensité 1/2ρSv_0^2 C_x où ρ est la masse volumique de l'air et S la surface portante de l'aile. La valeur des coefficients C_x et C_y varie avec l'angle d'incidence comme indiqué figure 2. Pour l'écoulement autour de l'aile, dans le cadre de ces hypothèses, vitesse v et pression P sont liées par la relation de Bernoulli P + 1/2ρv^2 = P_t = Cte. P_t est appelé pression totale.
Figure 2
Q1. Recopier sommairement le schéma de la figure 1 en y faisant figurer la résultante aérodynamique R⃗ ainsi que ses composantes suivant les axes (Ox) et (Oy), notées R⃗_x et R⃗_y.
On appelle angle de calage, l'angle β que fait la corde des ailes avec l'axe longitudinal du fuselage de l'avion (figure 3). Pour l'avion étudié, il vaut 3^∘. On appelle assiette l'angle que fait l'axe longitudinal de l'avion avec l'horizontale et pente l'angle que fait le support de la vitesse du centre de masse de l'avion (sa trajectoire) avec l'horizontale. En vol horizontal (pente nulle) et à assiette nulle, la vitesse du centre de masse de l'avion est dirigée suivant son axe longitudinal. En phase de montée ou de descente, le pilote peut modifier l'assiette à pente constante, modifiant ainsi l'angle d'incidence.
Figure 3
On suppose que le centre de poussée de l'avion correspond à son centre de masse et que la force de poussée totale F⃗ produite par les deux turboréacteurs est dirigée selon l'axe longitudinal du fuselage (figure 3). On assimile les coefficients aérodynamiques C_x et C_y de l'avion à ceux des ailes. La vitesse du centre de masse de l'avion est considérée constante dans le référentiel terrestre, supposé galiléen.
Q 2. On considère l'avion en vol de croisière à pente et assiette nulles (trajectoire confondue avec l'axe de l'avion). Écrire, dans ces conditions, l'équation, dite de sustentation, liant la masse de l'avion m à C_y et l'équation, dite de propulsion, liant F à C_x.
Q 3. Estimer numériquement la vitesse de croisière et la poussée nécessaire à son maintien.

I.B - Rôle des ailes

En notant P_0 la pression en avant de l'avion, P la pression en un point de l'aile et P_t la pression totale en ce même point, on définit le coefficient de pression en ce point par K_p = (P − P_0)/(P_t − P_0). La figure 4 donne l'allure du coefficient de pression d'une aile d'A320 pour trois valeurs d'angle d'incidence en fonction de la position le long de l'intrados et de l'extrados, 0 représentant le bord d'attaque et 1 le bord de fuite. La courbe en trait continu correspond à l'extrados, les pointillés à l'intrados. À incidence nulle, les courbes pour l'intrados et l'extrados sont confondues.


Figure 4
Q 4. À l'aide de la figure 4, expliquer l'existence d'une force de portance pour les angles d'incidence non nuls.
Q 5. Justifier que cette force de portance est nulle pour un angle d'incidence nul.
Q 6. À partir de la figure 2, en considérant que la trajectoire est horizontale et que l'assiette est non nulle, expliquer l'existence d'une vitesse minimale v_(min), dite vitesse minimale de sustentation, en-deçà de laquelle la sustentation ne peut plus être assurée. On dit alors que l'avion décroche.
Q 7. Exprimer la vitesse v_(min).
Q 8. Pour l'aile considérée, estimer la valeur numérique de l'incidence permettant de voler à v_(min).
Q 9. Estimer la valeur numérique de v_(min) pour l'aile considérée.
Q 10. Pourquoi cette situation risque-t-elle de se présenter en phase d'atterrissage ?
Afin de permettre un atterrissage en sécurité, les ailes d'avion sont équipées de becs sur le bord d'attaque et de volets sur le bord de fuite. Ces éléments mobiles permettent de modifier le profil de l'aile et de faire ainsi varier ses coefficients aérodynamiques et sa surface portante. La figure 5 montre l'influence des becs et des volets sur le C_y de l'aile.
Figure 5
Q 11. En s'appuyant sur la figure 5 et en sachant que, pour des raisons de sécurité, l'atterrissage doit se faire à 250 km ⋅ h^(− 1), discuter qualitativement le rôle des becs et des volets.

I.C - Le vol plané

Le rendement d'une aile se caractérise par sa finesse, notée f. Considérons un avion en l'air qui coupe ses moteurs et poursuit en vol plané descendant (sans propulsion) à vitesse constante sur une pente constante avec une assiette non nulle. La finesse de l'avion est définie comme le rapport entre la distance horizontale parcourue avant d'atteindre le sol et la hauteur de chute.
Q 12. À partir d'un schéma représentant les forces s'exerçant sur l'avion, exprimer la finesse de l'aile en fonction du rapport C_y/C_x.
La figure 6 présente la polaire de type Eiffel de l'aile d'un A320. Il s'agit de la courbe représentant, pour un nombre de Reynolds donné, la valeur de C_y en fonction de celle de C_x pour chaque valeur de l'angle d'incidence.
Figure 6
Q 13. Comment se traduit graphiquement la finesse maximale sur la polaire de type Eiffel ?
Q 14. En utilisant la figure 6, évaluer numériquement la finesse maximale de l'aile considérée.
Q 15. En déduire la distance horizontale maximale que peut parcourir l'avion en vol plané en cas de panne de moteur à 1000 mètres au dessus du sol.
Q 16. En réalité, la finesse de l'avion complet (ailes, fuselage, moteurs, empennage, dérive...) est deux fois moins importante que celle de ses ailes. Proposer une explication.

II Turboréacteur double corps, avec soufflante, à flux séparés

Cette partie étudie, de façon simplifiée, le fonctionnement du turboréacteur double-flux séparés et double-corps du type CFM56 qui équipe l'Airbus A320. Pour cela, on se place dans le cadre d'un test au sol sur un banc d'essai fixe. La figure 7 présente le schéma de principe simplifié du turboréacteur.
Figure 7
L'air est aspiré (étape 1 → 2 ) par la soufflante à la température T_1 = 288 K et à la pression P_1 = 1 bar. Il se divise ensuite en deux flux, le flux primaire de débit massique D_(m1) et le flux secondaire de débit massique D_(m2). On note β = D_(m2)/D_(m1) = 5, 7 le facteur de by-pass (taux de dilution) et D_m = D_(m1) + D_(m2) le débit massique total. Le flux primaire, dit flux chaud du fait de son passage dans la chambre de combustion, décrit dans le corps principal du turboréacteur les étapes suivantes :
  • 2 → 3, compression de P_2 à P_3 par un compresseur axial ;
  • 3 → 4, dans la chambre de combustion où le carburant est injecté, le mélange air-carburant est chauffé par combustion. La flamme est confinée au voisinage des injecteurs alimentés par un débit de kérosène ici négligé devant celui de l'air qui traverse la chambre. La température (température de flamme) s'abaisse ensuite rapidement dans la chambre pour atteindre une valeur compatible avec la tenue des matériaux de la turbine. Les caractéristiques de l'air ne sont pas modifiées par la combustion. On prendra en sortie de la chambre de combustion T_4 = 1450 K. La chambre est supposée isobare ;
  • 4 → 5, détente partielle dans la turbine axiale ;
  • 5 → 6, détente dans la tuyère, de la pression P_5, à vitesse supposée nulle, jusqu'à la pression ambiante P_6 = 1 bar où une première contribution à la poussée est produite.
    Le flux secondaire, dit flux froid, s'écoule sans perte de charge autour du corps principal et passe directement dans une tuyère séparée de la première où l'essentiel de la poussée est produite. En sortie de cette tuyère P_7 = 1 bar et la température est notée T_7.
    Les taux de compression de la soufflante et du compresseur sont respectivement donnés par P_2/P_1 = 2 et P_3/P_2 = 13.
    On suppose que le régime est stationnaire et que l'énergie potentielle de pesanteur du fluide est partout négligeable devant les autres grandeurs énergétiques. De même on négligera partout l'énergie cinétique du fluide sauf en sortie des tuyères. Les évolutions dans la tuyère, la turbine et le compresseur sont supposées adiabatiques et réversibles. Le système ne comporte aucune pièce mobile en dehors de la turbine, du compresseur et de la soufflante. Le compresseur, la turbine et la soufflante ont un arbre commun supposé sans perte mécanique. On néglige aussi les pertes mécaniques dans le compresseur et dans la turbine.
    Q 17. On modélise le kérosène par le décane C_(10)H_(22). En s'appuyant sur une modélisation qui sera justifiée, exprimer puis évaluer l'élévation maximale de température lors de la combustion d'une mole de décane en présence de la quantité juste suffisante d'air. Les produits obtenus sont du dioxyde de carbone et de l'eau.
    Dans le cadre des hypothèses du problème, hormis dans la chambre de combustion, le travail massique utile reçu par le gaz pour une transformation de l'état i vers l'état j est donné par
w_(i → j) = C_(p mass)(T_j − T_i) + 1/2(c_j^2 − c_i^2)
où c_i est la vitesse du gaz dans l'état i et c_j celle du gaz dans l'état j et où C_(p mass) désigne la capacité thermique massique du gaz.
Q 18. Établir l'expression de la pression P_j en fonction de T_i, P_j, P_i et du coefficient isentropique de l'air γ.
Q 19. En exploitant le couplage mécanique entre turbine, compresseur et soufflante, établir les expressions littérales et les valeurs numériques des températures T_2, T_3, T_5 et de la pression P_5 en sortie de turbine.
Q 20. Établir l'expression littérale et la valeur numérique de c_6, vitesse du gaz du flux chaud à la sortie de la tuyère.
Q 21. Établir également l'expression littérale et la valeur numérique de c_7, vitesse du gaz du flux froid à la sortie de la tuyère.
Q 22. Par un bilan de quantité de mouvement sur une surface de contrôle judicieusement choisie, justifier que les poussées produites par les tuyères relatives au flux chaud et froid sont respectivement données par: F_c = D_(m1)c_6 et F_f = D_(m2)c_7.
Q 23. Exprimer la poussée F du turboréacteur complet uniquement en fonction de D_m, des vitesses d'éjection c_6 et c_7 et du facteur de by-pass.
Q 24. En déduire l'expression et la valeur numérique de la poussée par unité de débit massique D_m, dite poussée spécifique du turboréacteur, notée F_s.
Q 25. Quel est le pourcentage de la poussée assurée par le flux chaud ?
Q 26. Lors d'un essai au sol sur banc fixe, le turboréacteur délivre une poussée de 20 kN . Quel débit massique D_m doit alors assurer la soufflante ?
Q 27. Ce débit massique permet-il d'obtenir la même valeur de la poussée en vol de croisière ? Justifier qualitativement.

III NOx et production de gaz à effet de serre

En consommant du kérosène, les moteurs d'avions entrainent le rejet de nombreux polluants parmi lesquels les monoxyde d'azote NO et dioxyde d'azote NO_2, regroupés sous l'appellation NOx . Ces composés sont responsables d'une augmentation de la production d'ozone O_3, gaz à effet de serre, dans la basse atmosphère.
Le monoxyde d'azote NO est obtenu par oxydation du diazote N_2 à haute température lors de la phase de combustion, modélisée par l'équation de réaction
N_(2(g)) + O_(2(g)) = 2NO_((g))
Q 28. Calculer l'enthalpie standard de réaction associée à la réaction (III.1). Commenter.
Q 29. En se plaçant dans l'approximation d'Ellingham, évaluer la fraction molaire de monoxyde d'azote NO présente à l'équilibre dans de l'air chauffé à 1450 K .
Dans un deuxième temps, il y a production de dioxyde d'azote NO_2 à partir du monoxyde d'azote NO , modélisée par l'équation de réaction
2NO_((g)) + O_(2(g)) = 2NO_(2(g))
pour laquelle on donne l'expression de l'enthalpie libre standard de réaction dans le cadre de l'approximation d'Ellingham : Δ_r G^∘(T) = − 114, 4 + 0, 1462T en kJ ⋅ mol^(− 1) pour T en K.
La figure 8 fournit pour cette réaction les résultats d'une étude cinétique réalisée à 400 K , où v représente la dérivée temporelle de l'avancement volumique de la réaction. Les concentrations initiales utilisées dans cette étude sont
  • expérience 1( tracé avec ×) : [O_2]_0 = 5, 0 × 10^(− 3) mol ⋅ L^(− 1), [NO]_0 = 10μ mol ⋅ L^(− 1), [NO_2]_0 = 0;
  • expérience 2( tracé avec + ) : [O_2]_0 = 2, 0 × 10^(− 3) mol ⋅ L^(− 1), [NO]_0 = 10μ mol ⋅ L^(− 1), [NO_2]_0 = 0.
Figure 8
Q 30. Commenter le choix de la température retenue pour l'étude cinétique.
Q 31. Utiliser les résultats précédents pour proposer une loi de vitesse pour la réaction III.2. Déterminer la valeur numérique de la constante de vitesse à la température considérée. La forme obtenue pour la loi de vitesse était-elle prévisible?
La production d'ozone initiée par les NOx dans la troposphère débute par la photodissociation du dioxyde d'azote NO_2 en NO et O . Il s'agit de la seule source d'atome d'oxygène susceptible de former de l'ozone O_3 par combinaison avec le dioxygène O_2. La figure 9 donne l'évolution du rendement quantique primaire de dissociation, noté Φ, en fonction de la longueur d'onde de la radiation monochromatique incidente. Ce rendement est défini comme la fraction de molécules dissociées par rapport au nombre de photons absorbés.
Figure 9
Q 32. Proposer un schéma de Lewis pour la molécule de dioxyde d'azote NO_2.
Q 33. Évaluer l'énergie de liaison ON , aussi appelée enthalpie standard de dissociation, dans NO_2. Commenter la valeur trouvée.

IV Aluminium et alliage 2024

L'aluminium métal Al, de rayon atomique 143 pm , cristallise suivant une structure de type cubique à faces centrées (c.f.c.).
Q 34. L'acier possède une densité d = 7, 8. Justifier l'emploi d'alliages d'aluminium plutôt que de l'acier en aéronautique.
La limite d'élasticité de l'aluminium pur ( 60 à 70 MPa ) est nettement insuffisante pour supporter les contraintes imposées en service aéronautique, ce qui impose son utilisation sous forme d'alliages ( 58% en masse dans un airbus A320), comme l'alliage 2024 utilisé dans la structure et le revêtement du fuselage des avions, dont on se propose d'étudier quelques caractéristiques.
Dans ce qui suit, l'alliage 2024 sera assimilé à un alliage aluminium-cuivre à 4% de cuivre en masse.
La figure 10 donne un extrait du diagramme binaire liquide-solide d'un mélange aluminium-cuivre. Les deux métaux présentent une «miscibilité partielle» pour de faibles teneurs en cuivre ; ils forment alors une solution solide α, mélange intime des deux métaux (domaine de gauche sur le diagramme).
Figure 10
Q 35. Le diagramme de la figure 10 montre qu'il existe un composé défini. Déterminer sa composition Al_x Cu, avec x entier.
Q 36. Reproduire très schématiquement ce diagramme binaire en indiquant pour chaque domaine la nature des phases en présence.
Q 37. Calculer le pourcentage massique des phases en présence dans l'alliage 2024 à l'équilibre à la température de 300 K .
L'alliage 2024 est relativement sensible à la corrosion, en particulier en milieu salin (cas des aéroports situés en bord de mer). La figure 11 présente de façon schématique le processus de corrosion par piqures en milieu marin ( pH environ égal à 8 ).
Figure 11 Phénomène de corrosion par piqure (d'apres Techniques de l'ingénieur, Corrosion des alliages d'aluminium, Reboul M.)
Q 38. L'étude de la corrosion de l'alliage passe par le tracé des courbes courant-potentiel pour les métaux concernés (aluminium et cuivre). Donner le schéma de principe du montage à trois électrodes utilisé, en précisant la nature et le rôle des électrodes utilisées et expliquer la nécessité d'utiliser trois électrodes plutôt que deux.
Les courbes courant-potentiel obtenues ont l'allure représentée figure 12.
Figure 12
Q 39. Écrire la demi-équation électronique associée au couple de l'eau H^+/H_2 en milieu acide, puis en milieu basique.
Q 40. Calculer le potentiel standard apparent (à pH = 14 ) d'oxydoréduction du couple H_2 O/H_2 et justifier à postériori le tracé des courbes courant-potentiel correspondantes.
Q 41. Écrire l'équation de réaction modélisant la transformation observée lors du phénomène de corrosion par piqures.
Q 42. Après avoir reproduit schématiquement les branches anodique et cathodique impliquées dans le processus, placer le potentiel de corrosion et indiquer comment relever la valeur du courant de corrosion. Justifier l'appellation de pile de corrosion.
En présence d'ions chlorure Cl^−, les ions aluminium III Al^(3 +) conduisent à la formation quantitative de l'ion AlCl_4^−. Par ailleurs, la formation de l'ion aluminium III Al^(3 +) en présence d'ion chlorure entraine une acidification locale du milieu. Le pH en fond de piqure atteint ainsi une valeur inférieure à 3 .
Q 43. En supposant les surtensions à vide inchangées, positionner de façon qualitative les courbes anodique et cathodique modifiées, en justifiant succinctement le cas échéant la modification effectuée. Commenter.
La figure 13 donne les diagrammes potentiel-pH pour les couples de l'eau et de l'aluminium à la concentration de travail c_t = 1 mol ⋅ L^(− 1) et à 25^∘C.
Q 44. Établir l'équation de la frontière séparant les domaines de l'ion aluminium Al^(3 +) et de l'hydroxyde d'aluminium solide Al(OH)_3.
Q 45. Expliquer comment le phénomène de corrosion par piqure est susceptible d'être enrayé par la passivation de la cavité créée.
Figure 13

Données

Sauf indication contraire, les valeurs dépendantes de la température sont fournies à 298 K .
Accélération de la pesanteur terrestre g = 9, 8 m ⋅ s^(− 2)
Composition de l'air N_2 : 80%, O_2 : 20%
Masse volumique de l'air sous une pression de 1 bar ρ = 1, 2 kg ⋅ m^(− 3)
Viscosité dynamique de l'air η = 1, 8 × 10^(− 5) Pa ⋅ s
Coefficient isentropique de l'air γ = 1, 4
Capacité thermique massique à pression constante de l'air C_(p mass) = 1, 0 × 10^3 J ⋅ kg^(− 1) ⋅ K^(− 1)
Constante des gaz parfaits R = 8, 314 J ⋅ K^(− 1) ⋅ mol^(− 1)
Constante de Boltzmann k_B = 1, 381 × 10^(− 23) J ⋅ K^(− 1)
Constante de Planck h = 6, 626 × 10^(− 34) J ⋅ s
Vitesse de la lumière dans le vide c = 3, 00 × 10^8 m ⋅ s^(− 1)
Constante d'Avogadro N_A = 6, 02 × 10^(23) mol^(− 1)
Constante de Faraday F = 9, 64 × 10^3 C ⋅ mol^(− 1)
Énergie de liaison ( kJ ⋅ mol^(− 1) ) N − O : 210; N = O : 630
Produit de solubilité de Al(OH)_3 pK_s = 33
Produit ionique de H_2 O pK_e = 14
Potentiels standard redox Al^(3 +)/Al_((s)) : − 1, 66 V; H^+/H_(2(g)) : 0, 00 V; Cu^(2 +)/Cu_((s)) : 0, 34 V
Surtensions à vide η_(c0)(H_2 O/H_2) : − 0, 1 V sur Cu, − 1 V sur Al

Enthalpies standard de formation, entropies molaires et capacités thermiques à pression constante

C_(10)H_(22(l)) CO_(2(g)) H_2 O_((g)) O_(2(g)) N_(2(g)) NO_((g))
Δ_f H^∘(kJ ⋅ mol^(− 1)) − 249, 7 − 393, 5 − 241, 8 90,4
S_m^∘(J ⋅ mol^(− 1) ⋅ K^(− 1)) 545,8 213,8 188,8 205,0 191,5 210,6
C_p^∘(J ⋅ mol^(− 1) ⋅ K^(− 1)) 233,1 38,5 36,2 29,3 28,7
Extrait du tableau périodique des éléments
Hydrogène - Nom de l'élément Hélium 2 He 4,0026
1 ← Numéro atomique
H ⟵ Symbole chimique
1,0080 ← Masse molaire atomique
Lithium Béryllium Bore 5 B 10,814 Carbone 6 C 12,011 Azote 7 N 14,007 Oxygène 8 O 15,999 Fluor 9 F 18,998 Néon 10 Ne 20,180
3 4
Li Be
6,9395 9,0122
Sodium Magnésium Aluminium Silicium Phosphore Soufre Chlore Argon
11 12 13 14 15 16 17 18
Na Mg Al Si P S Cl Ar
22,990 24,306 26,982 28,085 30,974 32,068 35,452 39,948
Potassium Calcium Scandium Titane Vanadium Chrome Manganèse Fer Cobalt Nickel Cuivre Zinc Gallium Germanium Arsenic Sélénium Brome Krypton
19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
39,098 40,078 44,956 47,867 50,941 51,996 54,938 55,845 58,933 58,693 63,546 65,38 69,723 72,630 74,921 78,971 79,904 83,798
Rubidium Strontium Yttrium Zirconium Niobium Molybdène Technétium Ruthénium Rhodium Palladium Argent Cadmium Indium Étain Antimoine Tellure Iode Xénon
37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
85,467 87,62 88,906 91,224 92,906 95,95 [98] 101,07 102,91 106,42 107,87 112,41 114,82 118,71 121,76 127,60 126,90 131,29
Césium Baryum Hafnium Tantale Tungstène Rhénium Osmium Iridium Platine Or Mercure Thallium Plomb Bismuth Polonium Astate Radon
55 56 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86
Cs Ba Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
132,91 137,33 178,49 180,948 183,84 186,21 190,23 192,22 195,08 196,97 200,59 204,38 207,2 208,98 [209] [210] [222]

Questions fréquentes

4 questions
Sur quels chapitres porte le sujet Centrale Physique-Chimie 2 PSI 2020 ?
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Sur quels chapitres porte le sujet Centrale Physique-Chimie 2 PSI 2020 ?

En physique, sur la mécanique du vol et la thermodynamique des écoulements dans un turboréacteur. En chimie, sur la thermodynamique et la cinétique chimiques, les diagrammes binaires et la corrosion.

Quelles erreurs le jury a-t-il le plus relevées en Centrale Physique-Chimie 2 PSI 2020 ?

Des lectures de graphes approximatives, des réponses qualitatives floues ou contradictoires, des fractions molaires mal justifiées, des ordres partiels faux et des montages à trois électrodes incomplets.

Quelle place ont les applications numériques en Centrale Physique-Chimie 2 PSI 2020 ?

Elles représentaient plus du quart du barème. Le jury conseille de les mener avec soin et de limiter le nombre de chiffres significatifs, par exemple 2,5 × 10³ K plutôt que 2476 K.

Le sujet Centrale Physique-Chimie 2 PSI 2020 était-il difficile ?

Plus de 80 % du barème portait sur des questions de cours, d'application directe, des applications numériques et des raisonnements simples. Les parties I et II étaient plus délicates que les deux autres.

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