La première révolution industrielle

La première révolution
industrielle
La révolution industrielle, expression popularisée par Friedrich Engels et par Arnold Toynbee,
désigne le processus historique du XIXe siècle qui fait basculer — de manière plus ou moins
rapide selon les pays et les régions — une société à dominante agraire et artisanale vers une
société commerciale et industrielle.
La première révolution industrielle, notamment caractérisée par l’invention de la machine à
vapeur, a permis un boom ferroviaire et maritime et affecte ainsi profondément l’agriculture,
l’économie, la politique, la société et l’environnement.
D’autres découvertes ont permis de faire avancer la science et ainsi de faire germer la future
seconde révolution industrielle de la deuxième partie du XIXème siècle : l’essor de
l’électrostatique et de la magnétostatique, la découverte de la planète Uranus, …
Partie A : la machine à vapeur
Nous allons étudier au cours de cette partie le principe de la machine à vapeur, conçue par
James WATT dont il déposa le brevet en 1769.
C'est un moteur à combustion externe qui transforme l'énergie thermique de la vapeur
d'eau (produite par une ou des chaudières) en énergie mécanique.
Un fluide, ici de l’eau, subit des transformations dont certaines consistent à réaliser des
échanges thermiques avec deux sources de chaleur, chaque source étant à température
constante. Ces échanges peuvent provoquer des transitions de phase liquide vapeur.
Concours interne ITPE
Épreuve de physique problèmes
Session 2014
Épreuve n°5
Durée : 4 h
Coefficient : 2
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Etapes du cycle :
● : vaporisation à pression constante  du fluide dans le bouilleur,
● : détente isentropique de la vapeur juste saturante dans la turbine calorifugée, jusqu’à
ce que ,
● : condensation totale à pression constante  dans le condenseur,
● : compression isentropique du liquide juste saturant au départ, de  à , dans la
pompe calorifugée,
● : échauffement à pression constante .
A-1-Définir ce qu’est un système isolé en thermodynamique.
A-2-Définir ce qu’est un système fermé en thermodynamique.
A-3-Définir ce qu’est un système ouvert en thermodynamique.
A-4-Rappeler le premier principe de la thermodynamique pour un système fermé.
A-5-Quel type de système se trouve être le fluide dans les différents organes de la machine
à vapeur ?
A-6-Indiquer sur le diagramme T-s (annexe 1, page 11/16 à rendre avec la copie) où sont situées
les zones « état liquide », « état vapeur » et « coexistence liquide-vapeur ».
A-7-Indiquer quelle information donnée dans la description du cycle permet de conclure que la
vaporisation est complète à l’état .
A-8-Citer l’étape ou la transformation au cours de laquelle l’énergie est fournie sous forme de
travail au milieu extérieur.
A-9-Expliquer pourquoi on peut admettre que les points  et  soient pratiquement confondus
alors que les états sont bien différents.
A-10-Dessiner précisément le cycle de Rankine sur le diagramme fourni en utilisant les données
du tableau de l’annexe 2.
A-11-Par lecture graphique aussi précise que possible, compléter le tableau figurant en
annexe 2, page 12/16 à rendre avec la copie. On pourra s’aider d’une règle graduée afin d’affiner
les mesures.
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Durée : 4 h
Coefficient : 2
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On rappelle l’expression du premier principe de la thermodynamique pour un fluide en
écoulement permanent entre une entrée et une sortie de machine sans variation d’énergie
cinétique ni variation d’énergie potentielle :
( grandeurs massiques ;  : travail massique utile fourni par la machine)
On donne :
A-12-Calculer l’énergie massique  et .
A-13-Calculer les travaux reçus , , ,  et En déduire la somme  des travaux
massiques effectués au cours du cycle.
A-14-Calculer le rendement  de ce cycle de moteur moteur sachant que :  
Partie B : Autour d’Uranus
Contrairement à Mercure, Vénus, la Terre, Mars, Jupiter et Saturne, Uranus ne fut pas
découverte dans l’Antiquité mais pendant la 1ère révolution industrielle. Etant loin du Soleil et
circulant lentement sur son orbite, Uranus apparaissait comme une simple étoile jusqu’à la fin
du XVIIIème siècle. William Herschel annonce sa découverte le 26 avril 1781, élargissant ainsi
les frontières connues du système solaire. Uranus devient la première planète découverte
à l’aide d’un télescope.
En 1787, Herschel fabrique un télescope avec un miroir dont la distance focale est alors de 6
m. Ce télescope lui permet notamment de découvrir deux des satellites d’Uranus, Titania et
Obéron.
I-Etude du télescope de Newton
Un télescope de Newton est constitué de trois éléments optiques principaux :
-l’objectif (miroir concave convergent noté ),
-le miroir secondaire (miroir plan noté ),
-l’oculaire (lentille convergente notée ).
Le télescope sera considéré comme afocal.
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Durée : 4 h
Coefficient : 2
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Les quatre figures de l’annexe 3 seront à compléter et à rendre avec la copie.
Echelle pour les quatre figures :
10 mm sur la feuille correspondent à 1000 mm pour le télescope.
Caractéristiques :
Objectif : miroir concave à courbure parabolique
Focale : 6 000 mm
Diamètre : 480 mm
Grossissement maxi théorique : 2000
1-Etude du miroir sphérique
B-I-1-1. Définir la distance focale d’un miroir concave.
B-I-1-2. Sur la figure 1 de l’annexe 3 (p 13/16 à rendre avec la copie), positionner le sommet
(S), le centre (C) et le foyer () en respectant l’échelle.
B-I-1-3. Construire sur la figure 1 de l’annexe 3 (p 13/16 à rendre avec la copie) l’image 
par le miroir de la planète Uranus située à l’infini.
2-Etude du miroir secondaire
On considère maintenant le miroir plan  associé au miroir concave  comme indiqué sur la
figure 2 de l’annexe 3. L’image  donnée par ce miroir plan sur le schéma de cette figure 2
de l’annexe 3.
B-I-2-1. A partir de  replacer par construction l’image intermédiaire  d’Uranus sur la
figure 2 de l’annexe 3 (p 14/16 à rendre avec la copie)
B-I-2-2. Quel rôle joue l’image intermédiaire  pour le miroir plan  ?
3-Oculaire
Aux deux éléments d’optique précédents, on associe une lentille convergente  qui constitue
l’oculaire comme indiqué sur la figure 3 de l’annexe 3 (p 15/16 à rendre avec la copie).
B-I-3-1. Placer le foyer objet  de la lentille.
B-I-3-2. Où se situe l’image définitive de la planète Uranus observée à l’aide de ce télescope ?
B-I-3-3. Justifier la réponse précédente en traçant, sur la figure 3 de l’annexe 3 (p 15/16 à
rendre avec la copie), la marche des deux rayons caractéristiques, à partir du point  et
traversant la lentille .
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Coefficient : 2
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Figure 1

4-Grossissement
B-I-4-1. Le grossissement maximum du télescope, notée G, correspond au quotient de la
distance focale de l’objectif  par la distance focale de l’oculaire 
A partir des données de la fiche technique du télescope, calculer la distance focale  de
l’oculaire.
B-I-4-2. Le grossissement G est aussi égal au quotient du diamètre apparent  sous lequel est
vu l’astre à travers le télescope par le diamètre apparent  sous lequel est vu l’astre à l’œil nu
soit 
 . La planète Uranus est observée sous le diamètre égal à .
B-I-4-2-1. Définir le diamètre apparent .
B-I-4-2-2. Calculer le diamètre apparent  en degrés.
B-I-4-2-3. Tracer la marche d’un rayon issu d’Uranus et passant par le foyer , sur la figure
4 de l’annexe 3 (p 16/16 à rendre avec la copie).
Pour faciliter la construction, l’angle représenté sur la figure 4 de l’annexe 3 (p 16/16 à rendre
avec la copie) est plus grand que la réalité.
B-I-4-2-4. En respectant l’augmentation d’’angle  faire figurer le diamètre apparent  sur la
figure 4 de l’annexe 3 (p 16/16 à rendre avec la copie).
II-Mesure de la masse d’Uranus
En étudiant le mouvement du satellite Titania, on peut alors déterminer la masse d’Uranus.
Le satellite Titania est en orbite autour d’Uranus à une altitude de  et sa période
de révolution est de .
On supposera que le satellite, de centre C, est un solide ponctuel. A cette altitude, on supposera
que le déplacement se fait sans aucun frottement.
On appelle  la masse du satellite et  la
masse d’Uranus.
On donne :
Rayon moyen d’Uranus :
Constante gravitationnelle :
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Figure 2