Centrale Physique Chimie 2 TSI 2021Sujet, corrigé et rapport du jury
L'oléoduc Bakou-Tbilissi-Ceyhan et la prospection gravimétrique
Faisable en sup ?
Faisable en partie en TSI1 : 13 questions sur 47. Autres questions faisables en TSI1
Autres premières années : MPSI 21 · PCSI 23 · PTSI 15 · BCPST1 15 questions.
Détail par partie
- Partie I : Étude de l’écoulement du pétrole dans l’oléoduc0/152e année
- Partie II : Problèmes liés à l’enfouissement de la conduite4/16En partie
- Partie III : Prospection pétrolière par gravimétrie9/16En partie
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L'épreuve en chiffres
Moyenne 8,84 / 20 · écart-type 4,04 · 1 045 présents · où vous situez-vous ?Afficher ou masquer la section
L'épreuve en chiffres
- Moyenne
- 8,84/ 20
- Écart-type
- 4,04
- Présents
- 1 045
- Coefficient
- 11
- Durée
- 4 h
- 1er quartile
- 6
- Médiane
- 8,7
- 3e quartile
- 12
Votre note sur 20 à ce sujet, en conditions de concours.
Source : document officiel du concours, épreuve du 22 avril 2021. Notes publiées par le concours (après harmonisation le cas échéant). Courbe : estimation par une loi normale.
Corrigé détaillé
47 questionsIndice, stratégie puis corrigé complet pour chaque question.Afficher ou masquer la section
Corrigé détaillé
47 questions47 questions corrigées une à une : un indice, puis la stratégie, puis le corrigé complet avec le résultat encadré. Chaque question est vérifiée avant publication.
- Q1Calculer le débit volumique (en) de pétrole prévu dans l'oléoduc BTC.
- Q2En déduire une estimation de la vitesse moyenne (vitesse débitante) du pétrole dans l'oléoduc.
- Q3Calculer la vitesse moyenne (débitante) sur une section de conduite du pétrole lors de la première…
- Q4Justifier le fait que.
- Q5Effectuer le bilan des forces horizontales appliquées au système. Exprimer ces forces en fonction des données.
- Q6Que peut-on dire de la résultante de ces forces ? Justifier la réponse à l'aide d'un bilan de quantité de…
- Q7Déterminer la loi en tenant compte des conditions aux limites.
- Q8Par un calcul intégral, en déduire l'expression du débit volumique. Le mettre sous la forme en exprimant en…
Voir les 39 autres questionsMasquer les autres questions
- Q9Quelle est la signification physique de la grandeur ? Écrire et nommer une loi physique où intervient une…
- Q10Montrer que la pression dans l'oléoduc vérifie la relation
- Q11Comment nomme-t-on ce type de diminution de la pression dans la conduite ? Quelles peuvent-être les autres…
- Q12Calculer. Données:,.
- Q13Dans le cadre de ce modèle, calculer en bar la diminution de pression qui existerait entre le point de…
- Q14À quelle distance doit se trouver la première station de relevage de la pression ? En déduire le nombre de…
- Q15Calculer la puissance indiquée minimale de la pompe. Commenter.
- Q16Déterminer le nombre d'oxydation du fer dans chacune de ces cinq espèces.
- Q17En précisant le raisonnement, affecter aux domaines notés A, B, C, D et E l'espèce chimique adéquate.
- Q18Le fer est-il thermodynamiquement stable dans l'eau ? Justifier.
- Q19Écrire l'équation de la réaction d'oxydo-réduction modélisant la transformation chimique entre le fer et le…
- Q20Justifier le fait que la conduite joue le rôle de cathode.
- Q21Justifier ce choix.
- Q22Écrire les demi-équations électroniques ayant lieu à l'anode et à la cathode. En déduire l'équation de la…
- Q23Que représentent les lignes dessinées en pointillés sur la figure 5 ?
- Q24En appliquant la seconde loi de Newton au tronçon numéro, établir l'équation et donner l'expression de en…
- Q25Que représentent physiquement les constantes, et ?
- Q26En utilisant la notation complexe, montrer que la relation entre et s'écrit
- Q27Montrer que la relation de dispersion se simplifie et en déduire que la célérité de l'onde s'écrit
- Q28En utilisant la loi de Hooke et les données du préambule, estimer la valeur numérique de la constante de…
- Q29Calculer la valeur numérique de.
- Q30Déterminer par lecture graphique les valeurs de la vitesse de l'onde, de sa longueur d'onde et de la période…
- Q31Commenter ces résultats.
- Q32Rappeler les expressions de la force d'interaction électrostatique subie par une charge ponctuelle placée au…
- Q33En déduire par des analogies à préciser comment on passe du théorème de Gauss pour le champ électrostatique…
- Q34Justifier le fait que le champ gravitationnel a pour forme.
- Q35Établir, en illustrant votre démonstration par une figure avec une légende explicite, que dans toute la…
- Q36Exprimer l'anomalie gravitationnelle en fonction de,, et. Calculer. Donnée:.
- Q37Déterminer l'énergie potentielle de pesanteur de la tige en fonction de,,, et.
- Q38En utilisant une méthode énergétique, montrer que vérifie l'équation différentielle
- Q39Exprimer la période des oscillations de tige en fonction de et de. Commenter le choix de.
- Q40Exprimer en fonction de, et.
- Q41De quel angle en degrés doit-on incliner l'axe de rotation si l'on souhaite que cela corresponde à une…
- Q42Rappeler les conditions pratiques à respecter pour pouvoir obtenir des interférences lumineuses à partir de…
- Q43Exprimer la position du coin de cube à une date quelconque.
- Q44Expliquer qualitativement l'allure de la courbe expérimentale donnant l'intensité au cours du temps.
- Q45De combien a varié l'ordre d'interférence entre le début et la fin de l'acquisition ? Justifier. En déduire…
- Q46Exprimer à nouveau avec ces nouvelles conditions initiales.
- Q47En utilisant les expression de, et en fonction des données, établir que
Description
Ce sujet transverse s'articule autour de l'oléoduc Bakou-Tbilissi-Ceyhan (BTC), infrastructure géostratégique majeure reliant la mer Caspienne à la Méditerranée.
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L'énoncé complet, avec les formules et les figures, sans ouvrir le PDF.Afficher ou masquer la section
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Son architecture comprend 8 stations de pompage, deux stations intermédiaires de relayage et 101 postes de vannes d'arrêt. Le diamètre du tube est de 1070 mm sur sa plus grande longueur, se réduisant à 865 mm à l'approche de Ceyhan.
Le 10 mai 2006, du pétrole fut injecté, côté Bakou, dans l'oléoduc. Il parvint à Ceyhan le 28 mai 2006.
Certaines questions peu ou pas guidées, demandent de l'initiative de la part du candidat. Leur énoncé est repéré par une barre en marge. Il est alors demandé d'expliciter clairement la démarche, les choix et de les illustrer, le cas échéant, par un schéma. Le barème valorise la prise d'initiative et tient compte du temps nécessaire à la résolution de ces questions.
Quelques données utiles sont rassemblées en fin d'énoncé.
I Étude de l'écoulement du pétrole dans l'oléoduc
I.A - Préliminaires
Q 2. En déduire une estimation de la vitesse moyenne (vitesse débitante)
Q 3. Calculer la vitesse moyenne (débitante) sur une section de conduite du pétrole lors de la première injection. Commenter.
I.B - Profil de vitesse et débit volumique dans la conduite
On adopte le modèle suivant:
- la conduite est un cylindre d'axe (
Oz ) horizontal et de rayonR ; - l'écoulement est stationnaire et à symétrie de révolution autour de l'axe
(Oz) ; - le pétrole est assimilé à un fluide newtonien de viscosité
η .
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On isole à une date donnée une portion cylindrique

Q 5. Effectuer le bilan des forces horizontales appliquées au système
Q 6. Que peut-on dire de la résultante de ces forces ? Justifier la réponse à l'aide d'un bilan de quantité de mouvement En déduire la relation
Q 7. Déterminer la loi
Q 8. Par un calcul intégral, en déduire l'expression du débit volumique
Q 9. Quelle est la signification physique de la grandeur
I.
C - Diminution de la pression dans l'oléoduc - Compensation par des pompes
Q 10. Montrer que la pression
Q 12. Calculer
Le pétrole est injecté dans l'oléoduc à une pression de 60 bar. La pression du pétrole dans l'oléoduc ne doit jamais descendre en-dessous de 20 bar.
Q 14. À quelle distance doit se trouver la première station de relevage de la pression ? En déduire le nombre de stations théoriquement nécessaires au bon acheminement du pétrole de son point de départ à son point d'arrivée. Pourquoi ce nombre est-il sous-évalué par rapport au nombre réel de pompes nécessaires ?
On considère une station de pompage qui reçoit en entrée le pétrole à une pression de 20 bar et qui le réinjecte dans l'oléoduc à une pression de 60 bar.
Q 15. Calculer la puissance indiquée minimale de la pompe. Commenter.
II Problèmes liés à l'enfouissement de la conduite
II.A - Protection contre la corrosion
Avant d'étudier cette méthode de protection, on s'intéresse à la corrosion de la conduite. Pour simplifier l'étude, on suppose que l'oléoduc est uniquement constitué de fer. On a représenté sur la figure 4 le diagramme potentielpH du fer (la convention de tracé étant que la somme des concentrations des espèces dissoutes en solution est égale à
Les espèces chimiques considérées sont

Q 17. En précisant le raisonnement, affecter aux domaines notés
Q 18. Le fer est-il thermodynamiquement stable dans l'eau? Justifier.
Q 19. Écrire l'équation de la réaction d'oxydo-réduction modélisant la transformation chimique entre le fer et le dioxygène dissous dans l'eau, en milieu proche de la neutralité.
Afin de protéger la conduite contre la corrosion, on met en œuvre une protection dite cathodique par courant imposé. Celle-ci consiste à relier la conduite à la borne négative d'un générateur faisant circuler un courant continu entre la conduite et une anode reliée à la borne positive, dite déversoir, elle aussi enterrée, selon le schéma de principe représenté figure 5. L'anode est supposée ici inattaquable.

Afin de protéger efficacement la conduite, les normes préconisent d'abaisser son potentiel à -800 mV .
Q 21. Justifier ce choix.
Le sol situé entre la conduite et l'anode déversoir contient de l'eau et du dioxygène dissous.
Q 22. Écrire les demi-équations électroniques ayant lieu à l'anode et à la cathode. En déduire l'équation de la rédaction modélisant la transformation chimique associée à la protection cathodique de la conduite.
Q 23. Que représentent les lignes dessinées en pointillés sur la figure 5 ?
II.B - Risque sismique
On s'intéresse dans cette partie à la propagation d'une onde mécanique longitudinale dans l'oléoduc. Chaque tronçon de l'oléoduc est modélisé par un point matériel de masse
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Q 24. En appliquant la seconde loi de Newton au tronçon numéro
On s'intéresse à des ondes associées à des déplacements de la forme
Q 25. Que représentent physiquement les constantes
Q 26. En utilisant la notation complexe, montrer que la relation entre
On suppose que la distance
Q 27. Montrer que la relation de dispersion se simplifie et en déduire que la célérité
.jpg)
On fixe pour la suite les valeurs suivantes :
Q 29. Calculer la valeur numérique de
Afin de vérifier les résultats précédents, on simule informatiquement la propagation de l'onde. On utilise un modèle discret comprenant
On obtient les résultats graphiques représentés figure 8 pour les déplacements de l'ensemble de la chaîne de tronçons à différents instants ainsi que le déplacement du vingtième tronçon au cours du temps (figure 9).
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Q 31. Commenter ces résultats.
III Prospection pétrolière par gravimétrie
On étudie dans cette partie une méthode de prospection complémentaire, qui consiste à détecter les variations du champ de pesanteur dues à la présence d'une nappe de pétrole dans le sous-sol. Cette technique est donc basée sur la gravimétrie.
III.A - Estimation de l'anomalie gravitationnelle due à la présence de pétrole
Dans le premier cas (figure 10 gauche), l'avion survole une étendue supposée plane et homogène. Le champ gravitationnel vaut alors

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Le théorème de Gauss pour le champ gravitationnel
Q 33. En déduire par des analogies à préciser comment on passe du théorème de Gauss pour le champ électrostatique au théorème de Gauss pour le champ gravitationnel.
Q 34. Justifier le fait que le champ gravitationnel a pour forme
Q 35. Établir, en illustrant votre démonstration par une figure avec une légende explicite, que
Q 36. Exprimer l'anomalie gravitationnelle
III.B - Mesure des variations du champ de pesanteur par un pendule pesant
Les gravimètres dits absolus permettent la mesure directe de l'intensité du champ de pesanteur. Dans les débuts de la géodésie, on a longtemps utilisé des pendules : pendule de Kater, pendule de Repsold, pendule inversé de Holweck-Lejay...
On étudie ici un éventuel dispositif de mesure plus rudimentaire, basé sur un pendule constitué d'une tige pouvant tourner autour d'un axe
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- le référentiel d'étude est supposé galiléen ;
- la liaison pivot au point d'attache
O entre la tige et l'axe est supposée parfaite ; - les frottements sont négligés.
Q 37. Déterminer l'énergie potentielle de pesanteur
Q 38. En utilisant une méthode énergétique, montrer que
Q 39. Exprimer la période
Q 40. Exprimer
On cherche à mettre en évidence une anomalie gravitationnelle
Q 41. De quel angle
III.C - Méthode interférométrique - Traitement du signal
Dans le gravimètre à chute de coin de cube représenté figure 13, la photodiode reçoit deux faisceaux lumineux : l'un est issu directement du laser, l'autre a été réfléchi successivement par le coin de cube en chute libre et par le coin de cube de référence. Ces deux faisceaux interfèrent.

L'intensité lumineuse reçue par la photodiode est convertie en un signal électrique. Une simulation informatique de la tension détectée est représentée figure 14. Les deux faisceaux lumineux reçus par la photodiode sont supposés avoir la même intensité

On fixe
Q 43. Exprimer la position
Q 44. Expliquer qualitativement l'allure de la courbe expérimentale donnant l'intensité au cours du temps.
Q 45. De combien a varié l'ordre d'interférence entre le début et la fin de l'acquisition ? Justifier. En déduire la valeur de
Dans la pratique, il et difficile de connaitre avec précision la position et la vitesse du coin de cube à la date
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Q 46. Exprimer à nouveau
Q 47. En utilisant les expression de
Données
| Contenance d'un baril de pétrole normalisé | 1 baril
|
| Masse volumique du pétrole |
|
| Viscosité du pétrole |
|
| Module de Young de l'acier |
|
| Masse volumique de l'acier |
|
| Masse volumique du sol |
|
| Intensité du champ de pesanteur à la surface de la Terre |
|
| Constante gravitationnelle |
|
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