Pierre-François THOMAS Professeur au lycée jl.domec.free.fr/siteDjl_fichiers/TP-Cours_STIDD/STI2D_HabitaTrans... ·…

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    11-Sep-2018

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  • Sections de technicien suprieur Btiment Sections de technicien suprieur tude et conomie de la Construction Sections de technicien suprieur Travaux Publics Sections de technicien suprieur lies aux mtiers du Btiment et des Travaux Publics Instituts Universitaires de Technologie Gnie Civil

    Pierre-Franois THOMAS Professeur au lyce technique rgional du Btiment et des Travaux Publics

    PARIS 15me Agrg de Physique

    Sous la direction de Jean-Luc Azan Ancien lve de lE.N.S. Cachan

    Agrg de physique applique

    1, rue de Rome 93561 Rosny Cedex

  • Dans la mme collection dirige par Jean-Luc Azan Prcis dlectronique Tome 1 1re anne Jean-Luc Azan Prcis dlectronique Tome 2 2e anne Jean-Luc Azan Prcis dlectrotechnique Tome 1 1re anne Michel Pinard Prcis dlectrotechnique Tome 2 2e anne Michel Pinard Prcis de physique et lectricit appliques (BTS M.A.I) Albert Terras Prcis de physique et lectricit appliques (BTS Productique) Albert Terras

    galement au ditions Bral Expriences dlectronique (agrgation de sciences physiques) Expriences doptique (agrgation de sciences physiques) Expriences de physique (CAPES de sciences physiques) Expriences de chimie (CAPES de sciences physiques) Problmes corrigs de physique (CAPES de sciences physiques) Bral 2006 Toute reproduction mme partielle interdite ISBN :

  • Avertissement au lecteur

    Le but des lments de correction du Prcis de Physique-Chimie est de permettre au lecteur de vrifier les rsultats quil aura cherchs. Les rponses contiennent essentiellement les applications numriques ainsi quune invitation relire les paragraphes qui permettent de comprendre la dmarche suivre pour aboutir ces rsultats. Vous ny trouverez donc pas de dtails complets des calculs (sauf pour les exercices appartenant la catgorie contrle des connaissances), le but tant dinciter raliser soi-mme les calculs plutt que de recopier tel que un corrig sans parfois avoir essay de le comprendre.

    Si vous avez des critiques (ou des encouragements) formuler sur le contenu ou la prsentation du Prcis de Physique-Chimie ainsi que sur la correction des exercices, nhsitez pas men faire part en crivant :

    precispc@orange.fr Bon courage et bonne russite tous !

    Lauteur. PS : il ya eu quelques problmes lors de limpression, certaines photos ont t coupes, et certaines fautes normalement corriges apparaissent dans cette premire dition.

  • Sommaire

    Avertissement au lecteur.................................................................................................................................................................3 Elments de correction des exercices du chapitre 1 : mesures et incertitudes. Analyse dimensionnelle. .................................7

    Elments de correction des exercices du chapitre 2 : rappels et notions de base en chimie. ...................................................13

    Elments de correction des exercices du chapitre 3 : la raction chimique ..............................................................................19

    Elments de correction des exercices du chapitre 4 : chimie des solutions. ..............................................................................27

    Elments de correction des exercices du chapitre 5 : acides forts et bases fortes.....................................................................33

    Elments de correction des exercices du chapitre 6 : oxydorduction : application la protection contre la corrosion et aux dosages rdox..........................................................................................................................................................................43

    Elments de correction des exercices du chapitre 7 : chimie organique ; synthse de polymres.............................. 49 Elments de correction des exercices du chapitre 8 : transfert thermique en rgime permanent. .........................................57

    Elments de correction des exercices du chapitre 9 : thermodynamique .................................................................................65

    Elments de correction des exercices du chapitre 10 : thermodynamique des gaz parfaits ....................................................71

    Elments de correction des exercices du chapitre 11 : hydrostatique des fluides incompressibles.........................................79

    Elments de correction des exercices du chapitre 12 : hydrodynamique des fluides parfaits ; thorme de Bernoulli ........87

    Elments de correction des exercices du chapitre 13 : lments de photomtrie visuelle........................................................95

    Elments de correction des exercices du chapitre 14 : lments dacoustique ; application lisolation phonique des btiments......................................................................................................................................................................................101

  • Elments de correction des exercices du chapitre 1 : mesures et incertitudes. Analyse dimensionnelle 7

    Elments de correction des exercices du chapitre 1 :

    mesures et incertitudes. Analyse dimensionnelle.

    Contrle des connaissances

    Exercice 1 : critures de grandeurs et nombre de chiffres significatifs 1.

    Grandeur nb de chiffres significatifs

    M = 40,1 g.mol-1 3 CA = 0,00100000 mol.L

    -1 6 VM = 22,4 L.mol

    -1 3 = 350,52 g.L-1 5 n = 0,00153 mol 3 Qr = -520 kJ.mol

    -1 3 Q = 17 A.h 2 Vgaz = 25,00 L 4 p = 1013,25 hPa 6 T = 6400 K 4 W = 4500 kJ 4

    Grandeur nb de chiffres significatifs

    Q = 4180000 J 7 F= 45550 N 5 m = 1320 tonnes 4 a0 = 0,000 000 000 0529 m 3 = 0,000 457 m 3 I = 0,038 A 2 f1 = 20 Hz 2 f2 = 1250 Hz 4 f3 = 20 000 Hz 5 f4 = 440 000 000 Hz 9 f5 = 3 000 000 000 Hz 10

    2.

    Grandeur En unit SI avec 2

    chiffres significatifs

    M = 40,1 g.mol-1 40.10-3 kg.mol-1 CA = 0,00100000 mol.L

    -1 1,0 mol.m-3

    VM = 22,4 L.mol-1 22.10-3 m3.mol-1

    = 350,52 g.L-1 0,35 kg.m-3 n = 0,00153 mol 1,5.10-3 mol Qr = -520 kJ.mol

    -1 - 0,52.106 J Q = 17 A.h 61.103 A.s Vgaz = 25,00 L 25.10

    -3 m3 p = 1013,25 hPa 1,0.105 Pa T = 6400 K 6,4.103 K W = 4500 kJ 4,5.106 J

    Grandeur En unit SI avec 2

    chiffres significatifs

    Q = 4180000 J 4,2.106 J F= 45550 N 46.103N m = 1320 tonnes 1,3.103 kg a0 = 0,000 000 000 0529 m 53.10

    -12 m = 0,000 457 m 0,46.10-6 m I = 0,038 A 38.10-3 A f1 = 20 Hz 20 Hz f2 = 1250 Hz 1,3.10

    3 Hz f3 = 20 000 Hz 20.10

    3 Hz f4 = 440 000 000 Hz 0,44.10

    9 Hz f5 = 3 000 000 000 Hz 3,0.10

    9 Hz Exercice 2 : Quelques conversions

    Grandeur En unit SI QV = 10 L.min

    -1 QV = 0,17.10-3 m3.s-1

    Qm = 360 g.min-1 Qm =6,00.10

    -3 kg.s-1 = 7,89 g.cm-3 = 7,89.103 kg.m-3

    VM = 22,4 L.mol-1 VM = 22,4.10

    -3 m3.mol-1 = 350,52 g.L-1 = 350,52 kg.m-3 C = 2,5 L.mol-1 C = 2,5.10-3 m3.mol-1

    Q = 70 A.h Q = 0,25.106 A.s t = 1,00 jour t = 86400 s

    Grandeur En unit SI V = 30 cm3 V = 30.10-6 m3

    Vgaz = 750,0 L Vgaz = 750,0.10-3 m3

    p = 1013,25 hPa p = 1013,25.102 Pa p = 820 mm de Hg p = 1,09.105 Pa

    S= 450 cm2 S= 450.10-4 m2 = 15 g.cm-2 = 0,15.103 kg.m-2

    E = 1340 kW.h E = 4,824.109 J V = 20 dm3 V = 20.10-3 m3

  • 8 Elments de correction des exercices du chapitre 1 : mesures et incertitudes. Analyse dimensionnelle

    Exercice 3 : quation aux dimensions

    1. [ ]0 -1 -2 -1 -2 -3 -2 -1 -2 -1 -2 -1 -2p p M.L .T M.L .T M.L L.T L M.L .T M.L .T M.L .Tgh= + = + = + =

    2. [ ] [ ]2 -2 -2 2 -2M.L .T M L.T L M.L .TE mgh= = =

    3. [ ]2

    23 -1 -1 2 -1 3 -1

    4L .T L L.T L L.T L .T

    V

    dQ v

    = = = =

    4. -1 -3 3 -1 -1. M.T M.L L .T M.Tm v

    Q Q= = =

    5. 20 0

    1

    2d gt v t d= + +

    [ ] [ ] [ ] [ ][ ] [ ] [ ] [ ] [ ]

    2-2 -1L L.T T L.T T L

    L L L L L

    = + + = + + =

    6. [ ] [ ]2

    2-2 -3 -2

    2M.L.T M.L L.T L L

    hF g l= =

    [ ]-2 -3 -2 2 -2M.L.T M.L L.T L L M.L.T = =

    7. [ ]

    [ ] [ ]

    [ ]

    [ ]2 2

    -2 -2 -21 1

    2 2 22 2

    L LM.L.T M.L.T M.L.T

    L L L + x

    hF F

    h d=

    + = =

    [ ] [ ]2 -2

    1-2 2 -2 -2M.L .T

    M.L.T M.L .T L M.L.TL

    = = =

    8. 2 22 2 2 1 1 1

    1 1p p

    2 2

    pompe

    v

    gh v gh vQ

    + + + + =

    p

    3

    2 -32 2

    -1 -2 -3 -2 -3 -2 -1 -2 -3 -2 -3 -2-1

    M.L .TM.L .T M.L L.T L M.L L.T M.L .T M.L L.T L M.L L.T

    L .T

    + + + + =

    -1 -2 -1 -2 -1 -2 -1 -2 -1 -2 -1 -2 -1 -2M.L .T M.L .T M.L .T M.L .T M.L .T M.L .T M.L .T + + + + =

    9. 0

    p p 2 cos( )t= +

    [ ] [ ]( ) [ ]-1 -2 -1 -2 -1 -1 -2 -1 -2cos cosM.L .T M.L .T T T M.L .T M.L .T = + = = Exercice 4 : Calcul littral

    1. 24 vvQ

    d=

    2. 221

    1

    SI SE

    e

    S er r

    = + +

  • Elments de correction des exercices du chapitre 1 : mesures et incertitudes. Analyse dimensionnelle 9

    3.

    12 23

    2

    M

    rIh

    h =

    e

    4. 2 2 1 1

    2 2

    2 22 1

    p pv vpompe vQ Q

    gh ghQS S

    + + + +

    =

    p

    Exercice 5 : Prcision dun rsultat

    1. 36,04 V m=

    2. 2 32,6.10 V m=

    3. 2 10,56 . .thr m K W

    =

    1,1 k th W=p

    4. 74 lx=e Exercice 6 : incertitude absolue et relative

    1. -31040 1030 5 .

    2 kg m

    = =

    -31035 .

    ckg m =

    2. 3 -35 4,8.10 .

    1035

    c

    kg m

    = =

    Exercices et extraits dannales Exercice 7 : Extrait du BTS Travaux Publics 1975

    1. 311 3 1 3c

    e

    e

    = + + +

    3 3 2100.10 8.10 .W m =

  • 10 Elments de correction des exercices du chapitre 1 : mesures et incertitudes. Analyse dimensionnelle

    2. 32 2 22 2 3 2 3 2

    e

    e

    = + + +

    1 1

    2 250 48 . .W m K =

    Exercice 8 : Extrait de BTS

    1. 3, 2 sT = 2. Il est ncessaire de calculer la longueur 0C pour calculer ensuite la longueur 30C :

    100 1

    CC

    ll

    = + ; application numrique : 0 6

    2,5

    1 12 10 10Cl = +

    soit 0 2, 4997 mCl =

    On peut alors en dduire la valeur 30C :

    ( )30 0 1C Cl l = + ; application numrique : 30 2,5006 mCl = Remarque : la prcision des rsultats cits na pour but que de faire apparatre leur diffrence. Compte tenu de la trs faible diffrence entre les deux rsultats, on peut supposer la priode comme inchange.

    3. Compte tenu de lincertitude sur la valeur de g, il est lgitime de considrer que la priode des oscillations reste

    inchange. Exercice 9 : Dimension dune grandeur et unit SI

    1. [ ] 2 2 1. .C L KT = donc C se mesure en J.kg-1.K-1 (unit drive du systme SI) ou encore en m2.s-2.K-1

    2. [ ] 2.k M T = donc k se mesure en N.m-1 (unit drive du systme SI) ou encore en kg.s-2

    3. [ ] 3 1..thr K MT = donc rth se mesure en m2.K1.W-1 (unit drive du systme SI) ou encore en s3.K.kg-1

    4. [ ] 12 3 1. .. .R M L K molT = donc R se mesure en J.mol-1.K-1 (unit drive du systme SI) ou encore en

    kg.m2.s-3.K-1.mol-1. Exercice 10 : Calcul dincertitude sur une densit de flux thermique Lincertitude relative se calcule laide des drives logarithmiques :

    2int

    int int

    SI SEext

    c ext extSI SE

    e er r

    er r

    + + + = + + + +

    Numriquement on obtient : 2109 8 .W m =

  • Elments de correction des exercices du chapitre 1 : mesures et incertitudes. Analyse dimensionnelle 11

    Exercice 11 : Extrait du BTS Travaux Publics 1998 1. Voir 2.5 de ce chapitre. 2.

    2 2-2 -2 -1 -2 -1 -2 -2 2 -2

    -3

    MM L.T L.T M.L .T M.L .T M L.T L L M.L .T

    M.L

    + + =

    2 -2 2 -2 2 -2 2 -2M.L .T M.L .T M.L .T M.L .T+ + = Exercice 12 : Extrait du BTS Btiment 1999 1. Voir 2.5 de ce chapitre.2.

    a. P reprsente une puissance et S une surface.

    b. lanalyse dimensionnelle de chacune des deux quations permet de montrer : [ ] 3.I M T =

    Exercice 13 : Extrait du BTS TP 2003 (quation aux dimensions & hydrodynamique) 1.

    1.1 Voir 2.1 et 2.2 du chapitre 12. Pour les dimensions, voir 2.5 de ce chapitre.

    1.2 Voir 4.1 du chapitre 12. 1.3 Voir 4.1 du chapitre 12.

    2.

    2.1 Voir 3.2 du chapitre 12.

    2.2 ( )2 22 1 1 212p p v v =

    2.3 2

    2 12 1 1 2

    2

    11

    2

    Sp p v

    S

    =

    2.4 Voir 5.2 du chapitre 12.

  • 12 Elments de correction des exercices du chapitre 1 : mesures et incertitudes. Analyse dimensionnelle

  • Elments de correction des exercices du chapitre 2 : rappels et notions de base en chimie. 13

    Elments de correction des exercices du chapitre 2 :

    rappels et notions de base en chimie.

    Contrle des connaissances Exercice 1 : Symbole des lments chimiques Les parties grises indiquent la bonne rponse pour le caractre mtallique (ou non) de llment chimique :

    lment Symbole chimique

    Mtal Non-mtal

    lment Symbole chimique

    Mtal Non-mtal

    Hydrogne H Cuivre Cu

    Sodium Na Zinc Zn Potassium K Argent Ag

    Magnsium Mg Mercure Hg Calcium Ca Aluminium Al

    Carbone C Plomb Pb

    Azote N Fluor F Oxygne O Chlore Cl Silicium Si Brome Br Soufre S Iode I Chrome Cr Hlium He Manganse Mn Non Ne Fer Fe Argon Ar Cobalt Co Krypton Kr Nickel Ni Xnon Xe

    Exercice 2 : criture de formules chimiques de molcules

    Diazote : N2 Dioxyde de carbone : CO2

    Dichlore : Cl2 Eau : H2O

    Chlorure dhydrogne : HCl Ammoniaque : NH3(aq) Monoxyde de carbone : CO Dioxygne : O2

    Ammoniac : NH3(g) Acide sulfurique : H2SO4

    Dihydrogne : H2 Dibrome : Br2

    Acide nitrique : HNO3 Diiode : I2 Exercice 3 : criture de noms de molcules

    HCl Chlorure dhydrogne H2O Eau

    O2 Dioxygne I2 Diiode

    NH3(g) Ammoniac CO2 Dioxyde de carbone

    Br2 Dibrome N2 Diazote

    CO Monoxyde de carbone HNO3 Acide nitrique

    H2 Dihydrogne Cl2 Dichlore

  • 14 Elments de correction des exercices du chapitre 2 : rappels et notions de base en chimie.

    H2SO4 Acide sulfurique CH4 Mthane Exercice 4 : Nomenclature des ions

    Na+ : ion sodium NH4+ : ion ammonium

    SO42- : ion sulfate NO3

    - : ion nitrate

    OH- ou HO- : ion hydroxyde Mg2+ : ion magnsium

    H3O+ : ion oxonium MnO4

    - : ion permanganate

    Cl- : ion chlorure Ca2+ : ion calcium

    Fe2+ : ion fer (II) K+ : ion potassium

    CO32- : ion carbonate Br- : ion bromure

    Al3+ : ion aluminium (III) Zn2+ : ion zinc (II)

    SiO44- : ion silicate I- : ion iodure

    Cu2+ : ion cuivre (II) Fe3+ : ion fer (III) Exercice 5 : Formules chimiques de quelques ions

    Formule Charge lectrique

    Formule Charge lectrique

    ion fer (II) Fe2+ +2 ion nitrate NO3- -1

    ion chlorure Cl- -1 ion potassium K+ +1 ion oxonium (ou hydronium)

    H3O+ +1 ion ammonium NH4

    + +1

    ion sulfate SO42- -2 ion permanganate MnO4

    - -1

    ion cuivre (II) Cu2+ +2 ion calcium Ca2+ +2

    ion carbonate CO32- -2 ion bromure Br- -1

    ion aluminium (III) Al3+ +3 ion zinc (II) Zn2+ +2

    ion hydroxyde OH- -1 ion iodure I- -1

    ion sodium Na+ +1 ion silicate SiO44- -4

    ion fer (III) Fe3+ +3

    ion sodium Na+ +1 Exercice 6 : A propos du nombre dAvogadro

    1. Il faudra : 9 23 1510.10 10 10t s= = , soit environ 32 millions dannes !

    2. 11 9

    23

    10 1000 100,17

    6,02.10n mol

    = =

    3. Le volume dune mole de grain de sable est donn par : 9 23 12 30,01.10 6,02.10 6.02.10V m= =

    La longueur de larrte du cube est donne par : 13a V= soit : ( )

    112 336.02.10 18.10 18 a m km= =

    4. Calculons le volume occup par les 5,2.10-9 mol de feuilles : 3 23

    18 331,5.10 6,02.10 37,9.10500

    V m = =

    Le nombre de camions est alors donne par :...

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