UNIVERSITE JOSEPH FOURIER- GRENOBLE 1 L2 - PHY231 - Janvier 2009 – Epreuve Terminale 1 Durée: 3 heures (Thermodynamique+Ondes) Formulaire manuscrit A4 recto verso autorisé, calculatrice obligatoire Les sujets Ondes et Thermodynamique seront rendus sur des copies séparées THERMODYNAMIQUE Les deux exercices sont indépendants Exercice 1 – Relation entre coefficients thermoélastiques et les coefficients calorimétrique. Applications Au cours d’une transformation réversible, la quantité de chaleur δQ échangée avec le milieu extérieur par un fluide (masse m) s’écrit au choix: ~ ~ δQ = mC V dT + m ldV ~ ~ ou δQ = mC P dT + mhdP Avec d’après les relations de Clapeyron et la relation de Mayer généralisée: ~ T ∂P ∂V T ∂V ~ T ∂P ~ ~ l= , h=− et Cp − Cv = m ∂T v ∂T p m ∂T V m ∂T P ~ ∂U 1) En utilisant le premier principe de la thermodynamique, démontrer que = ml − P ∂V T 2) Rappeler la relation générale reliant les coefficients thermoélastiques α , β et χ avec la pression P ~ ~ ~ ~ 3) Etablir les expression de l , h et C p − C v en fonction des variables thermodynamiques indépendantes (V,T) et des coefficients thermoélastiques α et χ du gaz. 4) Applications : A la température de 22°C, et sous la pression de une atmosphère, l’acétone liquide de masse volumique ρ = 0.79 g / cm 3 a un coefficient de compressibilité isotherme valant 1,06.10 −9 Pa −1 et un coefficient de dilatation isobare valant 1,1.10 −3 K −1 . ~ CP ~ ~ 4.a) Pour γ = ~ = 1,26 , déterminer les valeurs de C P et C V CV ~ ~ ∂U 4.b) Calculer les coefficients l , h et relatifs à 1 gramme d’acétone. ∂V T 4.c) En déduire, pour 1 gramme d’acétone liquide, le coefficient a de l’équation de Van der a Waals, à laquelle le liquide obéit : P + 2 (V − b ) = nRT V On calculera a dans les unités du système international Rappels : Coefficients thermoélastiques: α = 1 ∂P − 1 ∂V 1 ∂V et χ = , β= V ∂T P P ∂T V V ∂P T Exercice 2 – Moteur à explosion On se propose d’étudier le cycle d’un moteur à explosion composé de deux adiabatiques et de deux isochores. Le système thermodynamique est constitué par le mélange air-essence contenu dans un cylindre. Au cours d’un cycle, ce mélange que l’on considère comme un gaz parfait subit successivement les 4 transformations réversibles suivantes: Une compression adiabatique de l'état A (P1,V1,T1) vers l'état B (P2, V2,T2) Une combustion isochore de l'état B à l'état C (P3,V3,T3) Une détente adiabatique de l'état C vers l'état D (P4, V4, T4) Un refroidissement isochore de l'état D vers l'état A On donne les valeurs suivantes : R=8,314 J mol-1K-1, γ = C p C v = 7 5 , V1= 500 cm3, V2=100 cm3, P1=105 Pa, T1=57°C, T3=1957°C 1) Représenter de manière schématique le cycle du moteur à explosion dans le diagramme de Clapeyron (P,V). Justifier qualitativement vos choix. 2.a) Calculer les valeurs numériques du nombre de moles n et des variables thermodynamiques P, V, T pour les quatre états. On fera un tableau récapitulatif et on exprimera les résultats dans les unités du Système International. 2.b) Pour ce gaz, exprimer CP et CV en fonction de γ et R puis de R uniquement. 3.a) Calculer les quantités de chaleur et les travaux échangés au cours des 4 transformations. On fera un tableau récapitulatif et on exprimera les résultats dans les unités du Système International. 3.b) Déterminer la variation d’entropie du système lors de chacune des transformations. En déduire la variation d’entropie totale. Conclure. 4.a) Exprimer le rendement théorique ρ de ce cycle en fonction des températures T1,T2,T3 et T4. Application numérique. V1 le taux de compression du cycle. Montrer que ρ = 1 − x 1− γ .Pourquoi ne V2 peut on avoir ρ = 1 ? 4.b) On appelle x = 5) Calculer en chevaux, (1 ch=736 W), la puissance de ce moteur en régime nominal (2500 tours/minutes). On rappelle qu’un cycle équivaut à 2 tours