Dm n°4 : Propulseur à eau oxygénée
1 Photo extraite du film 2 Schéma, issu de l’article
anglais
Bell Thunderball de Terence Young Rocket Belt de wikipedia.org.
Dans certains lms (gure 1), les personnages ulisent des ceintures fusées (ou rocketbelts en anglais)
pour se déplacer. Ces ceintures ulisent une soluon concentrée d’eau oxygénée comme carburant.
Document 1 – Descripon et caracrisques elles
La gure 2 schémase une ceinture fusée et disngue quatre éléments constufs principaux. Lorsque
la valve régulatrice 3 est ouverte, le diazote
N2(g)
gazeux, comprimé à
Pi=35 ,0 bar
dans la bouteille
1, chasse l'eau oxygénée
H2O2(l)
, concentrée à
90%
en masse, contenue dans les bouteilles 2. Un
catalyseur 4 (une grille d'argent
Ag(s)
solide) accélère la décomposion de l'eau oxygénée selon la
réacon totale :
2H2O2(l)2H2O(g)+O2(g)
(1)
On rappelle que ce/e réacon est lente en l’absence de catalyseur.
La décomposion de la soluon concentrée d’eau oxygénée produit des gaz à haute température
(
Tc=1350C
). Ces gaz passent dans une tuyère calorifugée où ils sont acrés par détente et
refroidissement jusqu’à une température
Tf=400C
. Étant donné la dimension de la ceinture fusée, la
variaon dénergie potenelle de pesanteur des gaz est négligeable par rapport à la variaon de leur énergie
cinéque.
Chacune des 2 bouteilles (gure 5.2) conent inialement un volume
VH2O2=19 ,0 L
d'eau
oxygénée. La puissance canique développée par une ceinture fusée est
(soit
1,10 MW
) pendant une durée
Δt=21 ,0 s
. Elle permet au pilote d'a/eindre une vitesse approchant
vpilote=15 ,0 m.s1
.
Document 2 Hypothèse simpli!catrice et données thermodynamiques
On considèrera que leau oxygénée ulisée est pure et introduite à . À ce/e température, elle est liquide et sa masse
volumique est
μH2O2=1, 44 .103kg .m3
.
Dans les condions imposées par la ceinture fusée, on donne les enthalpies standard de formaron
ΔfH0
et les
capacités thermique molaires à pression constante
CP , m
suivantes (toutes les grandeurs sont supposées
indépendantes de la température) :
Esce chimique
H2O2(l)
O2(g)
H2O(g)
ΔfH0
en
kJ .mol1
-187
-285
CP , m
en
J.K1.mol1
29 ,4
64 ,6
On rappelle les masses molaires :
·de lhydrogène
MH=1, 01 g.mol1
;
·de l’oxygène
MO=16 ,0 g.mol1
.
1. Exprimer et calculer numériquement lenthalpie standard
ΔrH0(298 K)
de la réacon (1) de décomposion
de leau oxygénée à
298 K
. Commenter qualitavement quant à la possibilité duliser leau oxygénée comme
carburant dune ceinture fusée.
2. Construire le tableau d’avancement de la réacon (1), pour la décomposion d’une mole d’eau
oxygénée.
3. On suppose que lenthalpie
ΔrH(T , P)
de la réacon (1) est indépendante de la pression et de la
température :
ΔrH(T , P)=ΔrH0(298 K)
. Exprimer le transfert thermique molaire
Qm
algébriquement
fourni par la décomposion de leau oxygénée à la pression constante
Pi=35 bar
; faire lapplicaon numérique.
En déduire la valeur numérique du transfert thermique massique
q
correspondant.
4. Quel est le rôle joué parle catalyseur? Aurait-on pu ne pas l’uliser ? Juser.
5. Montrer que lénoncé du premier principe de la thermodynamique pour un écoulement staonnaire
unidimensionnel dun système à une entrée et une sore lorsque les vitesses d'écoulement en entrée et sore sont
di=érentes s'expriment par
hshe+1
2(ecs
2ece
2)=wind +q
avec
h enthalpie massique et ec énergie cinéque massique
wind et q étant les transferts mécaniques et thermiques par unité de masse de )uide transvasée.
Expliquer alors qualitavement pourquoi le passage des gaz de combuson dans la tuyère provoque leur
accéléraon.
6. Quelle relaon la vitesse de sore maximale
vgaz,max
des gaz vérie-t-elle alors ?
7. Compte-tenu de la variaon de température des gaz lors de leur passage dans la tuyère et en ulisant la relaon
précédente, déterminer la valeur numérique de la vitesse des gaz
vgaz,max
en sore de la tuyère.
8. Juser que le rendement de ce/e ceinture fusée puisse sécrire :
η=vgaz
2
2q
(2)
Calculer numériquement le rendement maximal
ηmax
. Commenter.
Pour répondre aux deux quesons suivantes, on ulisera toutes les données numériques disponibles (dones
dans les documents ou calcues dans les quesons précédentes). On sa/achera à juser les réponses par un
raisonnement dont les étapes seront clairement taillées.
9. Évaluer numériquement la puissance thermique
Pth
fournie par la décomposion de l’eau oxygénée dans
la ceinture fue dont les caractérisques sont données dans le document 1.
10. En déduire la valeur numérique du rendement réel
ηréel=P
Pth
de ce/e ceinture fusée. Le comparer au
rendement maximal
ηmax
calculé prédemment; comment peut-on expliquer la di=érence ?
2016
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