X ENS Physique SI MP 2012Sujet, corrigé et rapport du jury
- Thermodynamique des systèmes ouverts
- Diagrammes thermodynamiques (diagramme de Mollier)
- Machines thermiques
- Cinématique du solide
- Systèmes asservis
- Fonctions de transfert et transformée de Laplace
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Présentation du sujet
Difficulté moyennePompe à chaleur : cycle thermodynamique sur diagramme de Mollier, cinématique du compresseur et asservissement en températureAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
Difficulté moyenneLe sujet de physique et sciences de l'ingénieur de l'X MP 2012 étudie une pompe à chaleur en trois parties indépendantes. La première, plus physique, construit le cycle du fluide sur un diagramme de Mollier et analyse le compresseur ; les deux suivantes, orientées sciences de l'ingénieur, comparent deux technologies de compresseur puis modélisent la régulation de la température du local.
- 1Partie I : thermodynamique de la pompe à chaleurLecture du diagramme de Mollier, construction du cycle sur document réponse, efficacité comparée à celle de Carnot, débit massique et travail du compresseur (questions 1 à 19).
- 2Partie II : différentes technologies de compresseurCinématique d'un système bielle-manivelle et d'un piston oscillant, débit instantané et comparaison des deux dispositifs (questions 20 à 25).
- 3Partie III : contrôle en températureSchéma-bloc, erreur statique et correcteur, fonction de transfert en variable de Laplace et réglage du système en boucle fermée (questions 26 à 33).
Difficulté moyenne. Le jury observe des parties traitées de façon homogène, une moyenne de 8,96 et des dernières questions de chaque partie qui ont départagé les meilleurs candidats.
L'épreuve en chiffres
Moyenne 8,96 / 20 · écart-type 2,99 · 829 copies · où vous situez-vous ?Afficher ou masquer la section
L'épreuve en chiffres
- Moyenne
- 8,96/ 20
- Écart-type
- 2,99
- Copies
- 829
Votre note sur 20 à ce sujet, en conditions de concours.
Source : rapport du jury. Notes publiées par le concours (après harmonisation le cas échéant). Courbe : estimation par une loi normale.
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesExploitation numérique du cycle · Calcul du travail de compression inachevé · Géométrie élémentaire du compresseurAfficher ou masquer la section
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesLes trois parties ont été traitées de manière homogène et les fins de partie ont fait la différence, ce que le jury interprète comme une bonne adéquation entre le sujet et la formation. Des erreurs sur des applications numériques simples et des oublis d'unités ont coûté des points à beaucoup de candidats. La qualité de rédaction et le respect de l'ordre des questions ont été pris en compte.
Les erreurs les plus sanctionnées
- 1Exploitation numérique du cyclePartie I.2, question 9
Le tableau du document réponse est souvent incomplet et les calculs sans calculatrice ont posé problème ; le jury retient surtout les ordres de grandeur et les unités.
- 2Calcul du travail de compression inachevé18, 19
Les questions 18 et 19 ont souvent été mal terminées, certains ne finissant même pas la partie théorique.
- 3Géométrie élémentaire du compresseur21, 22, 23
La partie bielle-manivelle, l'une des plus simples, a fait buter beaucoup de candidats, jusqu'à des erreurs sur l'aire d'un disque.
- 4Courbes sans axesPartie II
Une esquisse de courbe doit indiquer ses axes ; de nombreux candidats ont été sanctionnés alors que l'allure était juste.
- 5Questions d'asservissement bâclées26, 27
Les questions élémentaires 26 et 27 reçoivent des réponses incomplètes ou imprécises, faute d'avoir lu l'énoncé en entier.
- 6Résultat numérique sans unité
Une valeur numérique sans unité est comptée fausse.
Ce qui a été bien réussi
- La partie I.1 sur le diagramme de Mollier a été bien traitée par près de 80 % des candidats.
- Les questions 16 et 17 sur le cycle du compresseur sont relativement bien traitées.
- La question 20 est bien traitée sur un grand nombre de copies.
- Les questions 28 à 31 ont été réussies par la moitié des candidats.
Conseils du jury
- Toujours accompagner une valeur numérique de son unité.
- Traiter les questions dans l'ordre proposé et garder les notations de l'énoncé.
- Rédiger un raisonnement clair et concis plutôt que d'énoncer seulement le résultat.
- Lire l'énoncé en entier avant de répondre pour organiser ses réponses.
- Approfondir les connaissances en thermodynamique, jugées trop superficielles.
Synthèse rédigée par WikiPrépa à partir du rapport officiel du jury (à télécharger en PDF). Les citations sont extraites du rapport.
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ÉCOLE POLYTECHNIQUE
COMPOSITION DE PHYSIQUE ET SCIENCES DE L'INGÉNIEUR - (X)
Pompe à chaleur
1 Thermodynamique de la pompe à chaleur
1.1 Diagramme de Mollier
- Montrer qu'à pression constante, la température
T est une fonction croissante deh . Est-elle strictement croissante? - Comment lit-on sur ce diagramme ce qui se nommait autrefois la chaleur latente massique de vaporisation à la pression
p ? - Cette question concerne les courbes isothermes dans le diagramme de Mollier.

b) Quelle est a priori leur allure pour la phase gazeuse, modélisée comme un gaz parfait ?
c) Quelle est a priori leur allure dans la zone de changement d'état?
4. Rappeler l'expression de la différentielle de l'enthalpie massique
5. Montrer que, dans le diagramme de Mollier, la pente des courbes isentropiques est positive.
6. Montrer que, sur une courbe isenthalpique du diagramme de Mollier, l'entropie est une fonction décroissante de la pression.
7. On note
1.2 Cycle de la pompe à chaleur
- Compression : le gaz subit une compression adiabiatique et réversible qui l'amène de l'état (1)
(p_1, T_1) à l'état (2) (p_2, T_2 ). On notew le travail massique reçu par le fluide. - Condensation : le gaz se liquéfie totalement à pression constante
p_2 jusqu'à la températureT_3 . Il cède de l'énergie à la source chaude, et l'on noteq_(23) < 0 l'énergie massique échangée. - Détente : le fluide traverse un tuyau indéformable et ne permettant pas les échanges thermiques. La pression du fluide redescend jusqu'à
p_1 et sa température vaut alorsT_4 .

- Évaporation : le liquide s'évapore totalement à pression constante
p_1 jusqu'à la températureT_1 . Il reçoit l'énergie massiqueq_(41) > 0 de la source froide.
- Montrer que la phase de détente est isenthalpique.
- Représenter sur un diagramme de Mollier (
lnp, h ) les quatre étapes du cycle, ainsi que les quantitésq_(23), q_(41) etw . - Quelle est relation liant les quantités
q_(23), q_(41) etw ? Représenter ces quantités sur le schéma de la question 9. - Justifier la définition de l'efficacité de la pompe à chaleur
η = − q_(23)/w et montrer queη > 1 . - Le Document Réponse représente le diagramme de Mollier d'un fluide caloporteur courant. Dans la perspective de vos réponses à la question 3, la phase liquide y apparaît-elle incompressible et indilatable? La phase gazeuse y apparaît-elle comme un gaz parfait?
- On donne
p_1 = 0, 3MPa, p_2 = 1MPa, T_1 = 5^∘C etT_3 = 0^∘C . Représenter le cycle correspondant dans le Document Réponse, à rendre avec votre copie. Pour chacun des points (1) à (4) du cycle, indiquer dans un tableau les valeurs numériques respectives de l'enthalpie massique, la pression et la température. Indiquer aussi l'état du fluide en chacun de ces points. - À partir du diagramme de Mollier, estimer numériquement l'efficacité de la pompe à chaleur. Comparer la valeur trouvée à celle qui correspondrait à un cycle de Carnot fonctionnant entre les mêmes températures.
- Calculer le débit massique du fluide permettant d'assurer une puissance de chauffage de 4 kW .
1.3 Cycle du compresseur

- Aspiration : Le clapet (A) est ouvert et le clapet (R) fermé. Le piston, de section
S , descend, le fluide pénètre dans le cylindre. - Compression : Les deux clapets sont fermés. Le piston monte. La pression du fluide augmente.
- Refoulement : Lorsque la pression dans le cylindre atteint la pression
p_2 , (R) s'ouvre et le fluide est évacué sous la pressionp_2 , jusqu'au moment ou le piston atteint la fin de sa course. On suppose alors qu'il n'y a plus de fluide dans le cylindre (le volume dit mort est nul).
Puis, le clapet de refoulement se ferme et un nouveau cycle commence.
On suppose que la fermeture de (R), l'ouverture de (A) et la chute de la pression dep_2 àp_1 sont instantanées et simultanées.
- En notant
v_1 etv_2 les volumes massiques au début et à la fin de la phase de compression, représenter dans un diagramme (p, v ) les trois phases de fonctionnement du compresseur. - Comment détermine-t-on, sur ce diagramme, le travail massique fourni au cours d'un cycle?
- La phase de compression est isentropique; le fluide est considéré comme un gaz parfait dont les capacités calorifiques massiques isobare
c_p et isochorec_v sont constantes. Déterminer
le travail reçu par ce fluide pour un aller-retour du piston en fonction dep_1, v_1, p_2, v_2 et deγ = c_p/c_v 。 - On donne
p_1 = 0, 3MPa, p_2 = 1MPa, T_1 = 5^∘C etγ = c_p/c_v = 1, 12 . CalculerT_2 . Comparer avec la valeur déterminée graphiquement à la question 13.
2 Différentes technologies de compresseur
2.1 Dispositif bielle manivelle "classique"

- Le volant (1) est animé d'un mouvement de rotation de vitesse angulaire constante
Ω .
a) Établir la relation, dite loi entrée sortie, qui reliex_3 àθ_1 .
b) Tracer l'allure dex_3(θ_1) sur un tour du volant pourk = 1/2 .
c) Exprimer littéralement la cylindréeV de la pompe (volume balayé par le cylindre). - Exprimer la vitesse
v_3 du piston par rapport au bâti en fonction deθ_1 , deΩ et des grandeurs géométriques pertinentes. En déduire l'expression du débit instantanéq du fluide refoulé par la pompe; tracer l'allure deq(θ_1) en précisant les phases de refoulement et d'aspiration. - Le volant est entraîné en rotation à une vitesse
Ω = 1800tr.mn^(− 1) , générant un déplacement alternatif du piston à une fréquence élevée, ce qui ne va pas sans difficulté même pour un piston de masseM = 640 g . La pression durant la phase de refoulement estp = 1MPa .
a) En précisant chaque fois les hypothèses que vous serez conduit à formuler, faire le bilan des actions mécaniques agissant sur le piston.
b) Évaluer numériquement les actions dues respectivement à la pression et à l'accélération. Conclure sur l'importance relative des forces de pression et des effets dynamiques.
c) Peut-on déterminer totalement l'action mécanique de la bielle sur le piston avec ce seul bilan? Proposer un isolement supplémentaire afin d'obtenir ce résultat.
23. Compte tenu de la valeur de rapport
2.2 Dispositif à piston oscillant

- Établir la relation reliant
x_(32) àθ_1 . Tracer l'allure dex_(32)(θ_1) pourq = 1/2 et0 ≤ θ_1 ≤ 2π .
2.3 Comparaison des deux dispositifs
25. Commenter la figure 6. Le dispositif à piston oscillant est-il avantageux du point de vue cinématique? Sans développer aucun calcul, proposer une manière de quantifier l'intérêt du

3 Contrôle en température
3.1 Première modélisation
- La boucle d'asservissement est telle que la tension d'alimentation du moteur,
V_c , est proportionnelle àε , écart entre la température cible,T_c , et la température instantanée du local,T_L , supposée uniforme :V_c = K_(CR)(T_c − T_L) ; d'autre part, un modèle simplifié de moteur établit que la puissance fournie au local par le condenseur de la pompe à chaleur s'écritP_Q = αV_c , de sorte que, en posantβ = αK_(CR) ,
a) Établir l'équation différentielle relative à
système faisant apparaître la contre-réaction. Préciser à quelle condition sur
b) Exprimer l'erreur statique
27. Quel élément correcteur insérer dans le schéma-bloc de la question 26, et à quel endroit, pour ramener cette erreur statique à 0 ?
3.1.1 Deuxième modélisation

en introduisant la constante positive
- Établir l'expression de la fonction de transfert tension-vitesse sous la forme
29. Un correcteur (C) (cf. question
30. Exprimer
31. Exprimer le bilan thermique de la question 26 a en termes de variable de Laplace.
32. En régime harmonique, le carré du module de la fonction de transfert du système en boucle fermée est
33. Exprimer

Questions fréquentes
4 questionsSur quoi porte le sujet de physique-SI de l'X MP 2012 ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
4 questionsSur quoi porte le sujet de physique-SI de l'X MP 2012 ?
Sur une pompe à chaleur : cycle du fluide sur diagramme de Mollier, cinématique de deux compresseurs puis asservissement de la température du local.
Quelle est la moyenne de l'épreuve physique et SI X MP 2012 ?
La moyenne est de 8,96 sur 20 avec un écart-type de 2,99, sur 829 copies.
Quelles erreurs le jury de physique-SI Polytechnique MP 2012 a-t-il relevées ?
Des applications numériques fausses ou sans unité, des calculs de compression inachevés, des erreurs de géométrie élémentaire sur la bielle-manivelle, des courbes sans axes et des réponses imprécises en asservissement.
Quelles questions ont départagé les candidats en physique-SI X MP 2012 ?
Selon le jury, les dernières questions de chaque partie, ainsi que les questions 28 à 31 d'asservissement, réussies par environ la moitié des candidats.
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