Cahier de textes 2024-2025 - Physique-Chimie

Cours du lundi :

Thermodynamique industrielle

• Dispositifs élémentaires et application du premier principe : compresseur, turbine, détendeur statique, échangeur thermique, mélangeur, tuyère, chambre de combustion
• Exemple d'installation motrice monophasique

TD du lundi :

Feuille Fluides en écoulement 2 (pertes de charge)

TP du mercredi :

Interféromètre de Michelson
Trous et fentes d'Young

Cours du vendredi :

Thermodynamique industrielle

• Exemples d'installations diphasiques : motrice, réfrigération

Révisions : travail sur Banque PT 2024 - Epreuve B (thermodynamique)

.

Cours du lundi :

Fluides en écoulement

• Pertes de charge : mise en évidence, définition de la charge (pression, hauteur ou puissance)
• Pertes de charge singulières, exemples
• Pertes de charge régulières, diagramme de Moody
• Premier principe pour les systèmes ouverts (début)

TD du lundi :

Feuille Fluides en écoulement 1 (fluides parfaits)

cours du mercredi (13h-15h) :

Fluides en écoulement

• Premier principe pour les systèmes ouverts : démonstration, commentaires, variantes
• Second principe
• Généralistion à n entrées, p sorties

Cours du vendredi :

Thermodynamique industrielle

• Rappels sur les diagrammes thermodynamiques
• Rappels sur les machines cycliques dithermes : application des principes, cycle de Carnot

Cours du vendredi :

Thermodynamique industrielle

• Machines cycliques dithermes : sens des échanges thermiques, rendement
• Généralisation : types de machines, rendement
• Dispositif élémentaire : compresseur à aubages

Rendu DS6

DM 6 (à rendre le 4/4, facultatif) :

• Energie hydraulique

Cours du lundi :

Fluides en écoulement

• Viscosité dynamique (ex. sur un écoulement de cisaillement pur), fluides newtoniens
• Nombre de Reynolds et forces de viscosité (calcul de Re comme rapport de temps caractéristiques)
• Écoulement de Poiseuille cylindrique : calcul du débit, contrainte à la paroi, chute de pression

Ramassé DM5

TD du lundi :

Feuille Interférences 2 (Michelson et réseaux)

TP du mercredi :

Interféromètre de Michelson
Trous et fentes d'Young

Cours du vendredi :

Fluides en écoulement

• Fluides parfaits : définition, couche limite
• Relation de Bernoulli (avec démonstration)
• Relation de Bernoulli (version faible pour un fluide 2D ou 3D)
• Exemples d'applications de la loi de Bernoulli

Rendu DM5

DS 6 :

• Pb 1 : Interférences (CCINP -- MP -- 2024)
• Pb 2 : Chimie de l'azote (Banque PT -- 2020)

Cours du lundi :

Interférences lumineuses

• Interféromètre de Michelson : applications du dispositif
• Réseaux de diffraction : calcul de la différence de marche, de l'intensité, loi des réseaux, figure, applications

Fluides en écoulement

• Descriptions lagrangienne et eulérienne

TD du lundi :

Feuille Interférences 1

TD du mercredi :

Feuille Révisions d'oxydo-réduction

Cours du vendredi :

Fluides en écoulement

• Champ de vitesses
• Lignes de courant, équivalence (admise) avec les trajectoires en régime stationnaire
• Tube de courant
• Débit massique : définition, expression, conservation en régime stationnaire, loi des noeuds
• Débit volumique : conditions de conservation, lien avec les lignes de courant
• Nombre de Reynolds et régimes d'écoulement, transition laminaire-turbulent

Cours du lundi :

Interférences lumineuses

• Trous d'Young : calcul de la différence de marche, de l'intensité (fin)
• Fentes d'Young
• Montage des trous d'Young avec lentille
• Role de la cohérence temporelle : point de vue des trains d'onde, point de vue spectral. Critère de brouillage Delta p = 1/2

DM 5 (à rendre le 14/3) :

• Pb 1 : Le cuivre en solution (CCP -- TSI -- 2008)
• Pb 2 : Quelques aspects du fonctionnement d'un laser (ENS Cachan et X -- PSI -- 2010)

TD du lundi :

Feuille Optique géométrique, ondes lumineuses

Cours du mercredi (13h-15h) :

Interférences lumineuses

• Trous d'Young : rôle de la cohérence spatiale (source large) ; critère Delta p = 1/2
• Interféromètre de Michelson : présentation, constructions
• Interféromètre de Michelson : réglage en lame d'air (début)

Cours du vendredi :

• Interféromètre de Michelson : réglage en lame d'air (fin)
• Interféromètre de Michelson : réglage en coin d'air
• Interféromètre de Michelson : localisation des franges, utilisation des sources et cohérence temporelle

Cours du lundi :

Propagation des ondes lumineuses

• Spectres d'émission, largeur spectrale
• Trains d'onde, temps et longueur de cohérence
• Cohérence spatiale (qualitatif)
• Diffraction : rappels de Terminale

Interférences lumineuses

• Interférence de deux ondes, spécificité de la lumière
• Conditions d'interférence de deux ondes (admis)
• Superposition de deux ondes incohérentes
• Superposition d'ondes cohérentes : formule de Fresnel
• Dispositifs de division d'onde

Rendu DS5.

TD du lundi :

Feuille Réflexion d'une onde sur un conducteur parfait.

TP du mercredi :

Chimie : dosage de O2 dissous dans l'eau par la méthode de Winkler

Cours du vendredi :

Interférences lumineuses

• Figure d'interférence : caractéristiques générales
• Trous d'Young : dispositif, calcul de la différence de marche, de l'intensité

Cours du lundi :

Ondes em dans le vide

• Réflexion sur un conducteur parfait (résumé des résultats)
• Ondes stationnaires : calcul à 1D
• Guide d'onde : calcul du champ électromagnétique, modes, dispersion

TD du lundi :

Feuille Ondes électromagnétiques dans le vide

TP du mercredi :

-- Induction
-- Diffraction, interférences, réseaux

Cours du vendredi :

Propagation des ondes lumineuses

• OPPM dans le vide, dans un milieu
• Amplitude d'une onde lumineuse, intensité
• Surfaces d'onde
• Ondes quasi planes, théorème de Malus
• Chemin optique, temps de propagation de la lumière
• Stigmatisme et chemin optique

Cours du lundi :

Ondes électromagnétiques dans le vide

• Propriétés générales de l'équation de d'Alembert
• Solutions en ondes planes
• Ondes planes progressives : définition, propagation et célérité, transversalité d'un champ em, relation de structure

TD du lundi :

Feuille Equations de Maxwell 2

Cours du mercredi (13h-15h) :

Ondes électromagnétiques dans le vide

• Exemples d'ondes transversales et longitudinales
• OPPM : définition, périodicité, spectre, notations complexes

Cours du vendredi :

Ondes électromagnétiques dans le vide

• OPPM : EM en complexes, vecteur de Poynting, polarisation, relation de dispersion (méthode), vitesse de phase

DS 5 :

• Pb 1 : Etude de capteurs capacitifs et inductifs (Banque PT 2015)
• Pb 1 : La physique de "One Piece" : Kami no Sabaki (CCINP MP 2023)

Cours du lundi :

• Champs statiques, équation de Poisson
• ARQS : approximation, EM, milieu ohmique
• ARQS dans un conducteur ohmique

TD du lundi :

Effet de peau dans un conducteur ohmique.

TP du mercredi :

-- Induction
-- Diffraction, interférences, réseaux

Cours du vendredi :

Equations de Maxwell

• Force de Lorentz volumique, puissance cédée par le champ aux charges
• Densité d'énergie électromagnétique
• Vecteur de Poynting
• Bilan d'énergie : équation de Poynting

Ondes em dans le vide

• Equation de d'Alembert

Cours du lundi :

Magnétostatique

• Calcul de B pour un solénoïde infini (fin)

Equations de Maxwell

• Opérateurs différentiels : nabla, divergence, rotationnel, laplacien
• Composition d'opérateurs
• Théorèmes de Stokes et de Green-Ostrogradski
• Equation de conservation de la charge (1D, 3D)

DM 4 (à rendre le 27/1) :

• Pb 1 : Transmission d'énergie électrique sans fil
• Pb 2 : Etude d'un modèle gravimétrique de la Terre

TD du lundi :

Feuille Magnétostatique

TP du mercredi :

Chimie : piles

Cours du vendredi :

Equations de Maxwell

• Equations de Maxwell
• Théorème de Gauss
• Conservation du flux de B
• Formes intégrales des E.M. : théorème d'Ampère, loi de Faraday
• E.M. dans le vide, équation de d'Alembert

Cours du lundi :

Magnétostatique

• Distribution de courant, conservation de I, lien avec j
• Ordres de grandeur de B
• Actions de B sur un courant : force de Laplace, cas d'une boucle de courant dans B uniforme

TD du lundi :

Feuille Electrostatique 2

TP du mercredi :

TP en parallèle

• Conduction thermique dans une barre d'acier
• Diffusion dans une ligne de cellules RC

Cours du vendredi :

Magnétostatique

• Symétries de B
• Conservation du flux de B, conséquences
• Théorème d'Ampère
• Calcul de B pour un fil infini
• Calcul de B pour un solénoïde infini (début)

Cours du lundi :

Électrostatique

• Potentiel électrostatique : existence, lien avec le champ (circulation, gradient), théorème de superposition
• Lignes de champ et équipotentielles : topographie
• Energie potentielle électrostatique
• Théorème de Gauss : énoncé

Rendu DS4

TD du lundi :

Feuille Electrostatique 1

Cours du mercredi (13h-15h) :

Électrostatique

• Théorème de Gauss : conseils d'utilisation
• Exemples de calcul de champ électrique : plan, cylindre, sphère
• Conservation du flux de E dans une zone vide de charges

Cours du vendredi :

Électrostatique

• Analogie gravitationnelle
• Condensateur plan : définition, calcul du champ, capacité, influence du diélectrique

Cours du lundi :

• Charges, champ électrique : définitions, ordres de grandeur, unités
• Loi de Coulomb
• Principe de superposition
• Champ créé par un ensemble de charges ponctuelles
• Densités volumique de charge, de porteurs

Rendu DM3

TD du lundi :

Feuille Température de flamme / Déplacement d'équilibres

TP du mercredi :

TP en parallèle

• Conduction thermique dans une barre d'acier
• Diffusion dans une ligne de cellules RC

Cours du vendredi :

Electrostatique

• Densités surfactique, linéique de charge
• Principe de superposition
• Symétries d'une distribution de charges
• Principe de Curie
• Conséquences sur la direction du champ dans le cas d'un plan de symétrie, d'un plan d'antisymétrie
• Invariances par translation et rotation d'une distribution de charges
• Conséquences sur la forme du champ

Cours du lundi :

Application de la thermodynamique à la chimie

• Enthalpie et entropie de réaction, interprétation
• Grandeurs standard de réaction
• Approximation d'Ellingham
• Relation de Van't Hoff
• Etat standard de référence
• Grandeurs standard de formation
• Loi de Hess

TD du lundi :

Feuille Equilibres chimiques

Cours du mercredi (13h-15h) :

Application de la thermodynamique à la chimie

• Réactions de combustion
• Température de flamme : principe du calcul, exemples
• Déplacement d'équilibre : contexte
• Rupture d'équilibre : exemple du changement d'état

Cours du vendredi :

Application de la thermodynamique à la chimie

• Déplacement d'équilibre : principe du calcul
• Déplacement d'équilibre par variation isobare de T
• Déplacement d'équilibre par modification du quotient de réaction. Cas de la pression totale
• Lois de modération
• N.B. : la variance est hors-programme

DS 4 :

• Pb 1 : Chauffage et traitement thermique d'une plaque (E3A - MP - 2008)
• Pb 2 : Le peroxyde de baryum (Mines-Ponts - MP - 2001)
• Pb 3 : Bilan thermique d'un sportif (Banque Agro-Veto - BCPST - 2022)
• Pb 4 : Chaufferette réutilisable

Cours du lundi :

Application de la thermodynamique à la chimie

• Critères d'évolution et d'équilibre d'un système chimique (sur l'enthalpie libre de réaction)
• Etat standard d'un constituant, d'un système, grandeur standard
• Activité : définition, expression dans les cas des gaz parfaits, solutions diluées, phases condensées pures
• Enthalpie libre standard de réaction
• Quotient de réaction, constante d'équilibre, loi d'action de masse

TD du lundi :

Feuille Diffusion thermique

TP du mercredi :

Oscillateur à relaxation

Cours du vendredi :

Application de la thermodynamique à la chimie

• Critère d'évolution (comparaison de Q et K)
• Réactions très ou très peu favorisées
• Réactions totales
• Grandeurs de réaction
• Enthalpie et entropie de réaction, interprétation

Ramassé DM3

Cours du lundi :

Conduction thermique

• Modes de transfert thermique
• Flux thermique
• Loi de Fourier 1D linéaire
• Bilan thermique
• Equation de la chaleur

DM 3 (à rendre le 29/11) :

• Pb 1 : Thermomètre diphasique (ENS -- filière BCPST -- 2017)
• Pb 2 : Etude et transformations d'un corps diphasique (Géologie Nancy -- 1996)

TD du lundi :

Feuille Changements d'état

Cours du mercredi (13h-15h) :

Conduction thermique

• Analyse en ordres de grandeur de l'équation de la chaleur
• Caractère irréversible de l'équation de diffusion
• Régime permanent : résolution, analogie électrique (globale), résistance thermique, associations

Cours du vendredi :

Conduction thermique

• Transfert conducto-convectif, loi de Newton, résistance thermique associée

Application de la thermodynamique à la chimie

• Réaction chimique, avancement
• Enthalpie libre de réaction

Cours du jeudi (8h-10h) :

Changement d'état

• Entropie de changement d'état : propriétés, signes
• Titre massique en vapeur, changement d'état partiel
• Règle des moments
• Diagramme de Clapeyron

TP du mercredi :

Oscillateur quasi sinusoïdal

Rendu DM2.

Cours du vendredi :

Changement d'état

• Diagrammes entropique (T,s), de Mollier (h,s) et des frigoristes (ln P,h) : allure de la courbe de saturation et de courbes iso-X (X = T, P, S, H), équations dans les cas du fluide incompressible et du gaz parfait
• h et s pour un mélange liquide-vapeur

Cours du lundi :

Thermodynamique des systèmes fermés

• Diagrammes (T,s), (h,s), (log P,h) en monophasique : construction et utilisation

Changement d'état

• Introduction, notion de phase

Ramassé DM2

TD du lundi :

Feuille Thermodynamique des systèmes fermés 2

TP du mercredi :

Chimie : dosages acide/base et redox

Cours du vendredi :

Changement d'état

• Évolution et équilibre d'un corps pur sous deux phases
• Diagramme (P,T)
• Enthalpie de changement d'état, ordres de grandeur

DS 3 :

• Pb 1 : Autocuiseur (CCINP -- TPC -- 2024)
• Pb 2 : Les moteurs à combustion interne (Concours ATS -- 2008)
• Pb 3 : Le refroidissement en thermodynamique (ENSTIM -- 2010)

Cours du lundi :

Thermodynamique des systèmes fermés

• Révisions : principes

DM 2 (à rendre le 4/11) :

• Pb 1 : Chauffage d'un local (Mines-Ponts -- PSI -- 1997)
• Pb 2 : Equilibre hydrostatique d'un barrage poids (ENS -- BCPST -- 2012)
• Pb 3 : Bilan thermique du refroidissement d'une piscine (Concours ATS -- 2024)

TD du lundi :

Feuille Thermodynamique des systèmes fermés 1

TP du mercredi :

ALI linéaire et saturé

Rendu DS2

Cours du vendredi :

Thermodynamique des systèmes fermés

• Enthalpie libre : définition, potentiel thermodynamique
• Identités thermodynamiques : système de composition variable, potentiel chimique
• Théorème d'Euler
• Identités thermodynamiques : système de composition constante, utilisation pour le calcul de l'entropie du GP

Cours du lundi :

Statique des fluides

• Baromètre de Torricelli
• Atmosphère isotherme
• Résultante des forces de pression sur un barrage plan
• Rappels sur les systèmes de coordonnées
• Résultante sur un barrage cylindrique (début)

TD du lundi :

Feuille Statique des fluides

TD du mercredi :

Capacité numérique : étude du démarrage des oscillations de l'oscillateur à pont de Wien

Rendu DM1

Cours du vendredi :

Statique des fluides

• Résultante sur un barrage cylindrique (fin)
• Poussée d'Archimède

Thermodynamique des systèmes fermés

• Description d'un système

Cours du lundi :

Statique des fluides

• Introduction : échelles de description, milieux continus
• Forces de volume et de surface
• Orientation d'une surface

Election des délégués

TD du lundi :

Feuille Oscillateurs

TP du mercredi :

Electronique numérique

Cours du vendredi :

Statique des fluides

• Force de pression
• Fluide
• Relation fondamentale de la statique des fluides
• Compressibilité
• Relation fondamentale dans le cas incompressible
• Application : principe des vases communicants

DS 2 :

• Pb 1 : Aspect électrique d'un microphone de guitare (CentraleSupélec -- MPI -- 2024)
• Pb 2 : Modulation de fréquence (Mines-Ponts -- M, P' -- 1995)
• Pb 3 : Intérêt d'une résistance négative (Concours National Maroc -- 2011)

Cours du lundi :

Rétroaction

• Stabilité des montages à ALI : modèle à gain fini dans les montages non inverseur et comparateur à hystérésis
• Comparateur à hystérésis dans le cas de l'ALI idéal
• Oscillateur quasi sinusoïdal : contexte

TD du lundi :

Feuille ALI

TD du mercredi :

Feuille ALI

Cours du vendredi :

Rétroaction

• Oscillateur quasi sinusoïdal : conditions de Barkhausen, démarrage des oscillations, exemple (oscillateur à pont de Wien)
• Oscillateurs à relaxation : principe, exemple (comparateur à hystérésis bouclé sur un intégrateur), calcul de la période

Ramassé DM1

Cours du lundi :

Rétroaction

• Mise en évidence du slew rate de l'ALI
• ALI idéal : modèle, régimes de fonctionnement (linéaire / saturé), critère (rétroaction ou non)
• Exemples de montages à ALI idéal en régime linéaire : amplificateur non inverseur, suiveur, amplificateur inverseur. Calcul du gain, de l'impédance d'entrée

Distribué DM1

Rendu DS1

DM 1 (à rendre le 27/9) :

• Pb 1 : Accordeur de guitare (CentraleSupélec -- TSI -- 2019)
• Pb 2 : Défibrillateur cardiaque (Ecole de l'air -- MP -- 2004)

TD du lundi :

Feuille Filtrage 2

TP du mercredi :

Circuit RLC, diagramme de Bode, filtrage

Cours du vendredi :

Rétroaction

• Exemple de montage à ALI idéal en régime linéaire : intégrateur
• Mise en cascade de filtres : exemple, précautions, intérêt du suiveur
• Exemple de montage à ALI idéal en régime saturé : comparateur simple, inconvénients
• ALI réel (gain fini, passe-bas) : présentation du modèle
• Modèle de l'ALI à gain fini dans le montage non inverseur : schéma-bloc, rétroaction, calcul de la fonction de transfert (début)

Cours du lundi :

Électronique des circuits linéaires

• Diagramme de Bode : asymptotes, pentes, pulsation de coupure
• Développement en série de Fourier d'une fonction périodique, spectre
• Filtrage d'un signal non sinusoïdal
• Exemple

TD du lundi :

Feuille Filtrage

TD du mercredi :

Feuille Filtrage

Cours du vendredi :

Électronique des circuits linéaires

• Stabilité des systèmes linéaires d'ordre 1 ou 2

Rétroaction

• Présentation de l'ALI
• Gain, résistance de sortie, régimes de fonctionnement
• Limitations : saturation en tension, en courant, slew rate (définition)

Cours du lundi :

• Accueil
• Début du TD : Circuits électriques linéaires

TD du lundi :

Feuille Circuits électriques linéaires

TD du mercredi :

Feuille Circuits électriques linéaires

Cours du vendredi :

Electronique des circuits linéaires

• Circuits en RSF : définition, notations complexes, impédance, puissance
• Fonction de transfert et interprétation (gain, phase), diagramme de Bode

DS 1 (2 heures) :

• Pb 1 : Ralentisseur pour montagnes russes
• Pb 2 : Réfrigérateur à compresseur (CCINP -- TSI -- 2024)

Vacances