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Mécanique Fluidique Chimie 2001 S.T.L (Physique de laboratoire et de procédés industriels) Baccalauréat technologique

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Examen du Secondaire Baccalauréat technologique. Sujet de Mécanique Fluidique Chimie 2001. Retrouvez le corrigé Mécanique Fluidique Chimie 2001 sur Bankexam.fr.
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BACCALAUREAT TECHNOLOGIQUE : SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE LABORATOIRE
Coefficient : 5
Session : 2001
Durée : 3 heures
Options : Toutes
PHYSIQUE DE LABORATOIRE ET
DE PROCEDES INDUSTRIELS
Epreuve : N°4 Physique - Chimie - Electricité
Partie : Mécanique - Fluidique - Chimie
NORMAL
Ce sujet comporte 5 pages
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PYPLME101
LE CANDIDAT COMPOSERA LA PARTIE CHIMIE ET
LA PARTIE MECANIQUE SUR DEUX COPIES SEPAREES
La calculatrice (conforme à la circulaire N°99-186 du 16-11-99) est autorisée
PARTIE
:
CHIMIE (8
points)
Pollution de l’air par le dioxyde de soufre
La pollution de l’air par le dioxyde de soufre SO
2
provient essentiellement de la combustion du fioul, du
gazole et du charbon.
Pour déterminer la teneur massique en dioxyde de soufre dans l’air, on a fait barboter 1 m
3
d’air
dépoussiéré dans de l’eau distillée. A la fin du barbotage, on complète la solution à 100 mL avec de l’eau
distillée. Soit S cette solution. On admet que tout le dioxyde de soufre de l’air est alors dissous en
solution.
On prélève 25 mL de solution S que l’on dose avec une solution S
1
de permanganate de potassium de
concentration C
1
= 1,00
×
10
-
4
mol.L
-
1
.
On donne
les potentiels standard :
V
0,17
E
:
/SO
SO
0
1
2
2
4
=
-
et
V
1,51
E
:
Mn
/
O
Mn
0
2
2
4
=
+
-
les masses molaires atomiques:
M(O) = 16
g.mol
-
1
et M(S) = 32 g. mol
-
1
1 - Préparation de la solution de permanganate de potassium
On souhaite préparer 500 mL d’une solution S
1
de permanganate de potassium de concentration
C
1
= 1,00
×
10
-
4
mol.L
-
1
à partir d’une solution mère S
0
de concentration C
0
= 1,00
×
10
-
2
mol.L
-
1
.
Calculer le volume de la solution mère à prélever pour réaliser la solution S
1
. Ce volume est complété
dans la fiole jaugée de 500 mL utilisée, par de l'eau distillée suffisamment acidifiée pour permettre à la
réaction d'oxydo-réduction ci-dessous de se dérouler.
2- Equation du dosage
2-1- Ecrire les deux demi-équations correspondant aux couples
2
2
4
O
S
/
O
S
-
et
+
-
2
4
Mn
/
O
Mn
.
2-2- En déduire l’équation-bilan de la réaction spontanée entre les deux couples en présence. Justifier.
3- Le dosage
3-1- Faire le schéma annoté du montage utilisé lors du dosage de la solution de dioxyde de soufre par
la solution S
1
de permanganate de potassium.
3-2- Définir l’équivalence. Comment la repère-t-on dans ce cas ?
3-3- A l’équivalence, on a versé 8,8 mL de la solution S
1
de permanganate de potassium.
En déduire la concentration de la solution S en dioxyde de soufre SO
2
.
3-4- En déduire le nombre de moles puis la masse de dioxyde de soufre dans 1 m
3
d’air.
3-5- La norme de la C.E.E. donne une teneur en dioxyde de soufre maximale de 250
μ
g.m
-
3
.
Que peut-on en conclure?
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La calculatrice (conforme à la circulaire N°99-186 du 16-11-99) est autorisée
DEUXIEME PARTIE : MECANIQUE FLUIDIQUE
(12 points)
Exercice 1 (4 points)
Etude du fonctionnement d'un tournevis électrique pour visser dans le bois.
L'expression
Γ
du moment du couple moteur de ce tournevis est :
Γ
=
4 - 16
×
n,
où n désigne la fréquence de rotation exprimée en tr.s
-1
et où
Γ
est exprimé en N.m.
Le moment
Γ
’ du couple résistant appliqué par le bois à la vis est proportionnel à la profondeur
d’introduction L de la vis à l’intérieur du bois ; à une profondeur L
0
= 1 cm correspond un moment
Γ
0
’ = 0,4 N.m.
1-1 Donner la valeur du coefficient de proportionnalité entre
Γ
’ et L en précisant les unités.
1-2 Calculer la valeur du moment du couple résistant
Γ
' lorsque la vis est enfoncée de 2,5 cm.
1-3 A cette profondeur, la fréquence de rotation du tournevis est constante. En déduire la relation entre
Γ
et
Γ
'.
1-4 En déduire la valeur de la fréquence de rotation du tournevis à cette profondeur de 2,5 cm.
1-5 Comment varie la vitesse de rotation du tournevis au fur et à mesure que la vis pénètre dans le
bois ?
1-6 A quelle profondeur maximale la vis peut-elle pénétrer ?
Exercice 2 (4 points)
Détermination expérimentale de la viscosité dynamique de l'eau
2-1 On fait circuler de l'eau dans un tube de verre T de diamètre intérieur d = 4 mm et maintenu
horizontalement. Le régime est permanent.
A sa sortie on chronomètre une durée
Δ
t = 170 s pour remplir une éprouvette de volume 1000 cm
3
.
2-1-1
Calculer en m
3
.s
-1
le débit-volume Q
V
dans le tube T.
2-1-2
En déduire la vitesse d’écoulement du fluide dans T.
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A
B
h
2
Figure 1
h
1
sens de l'écoulement
t
2
t
1
L
T
2-2 En 2 points A et B distants de L, deux piquages ont été effectués et deux tubes de verre verticaux t
1
et
t
2
ont été rajoutés (voir figure 1).
Pour le débit précédemment défini on observe que l’eau monte dans les tubes comme indiqué sur la
figure (h
1
> h
2
) et qu'elle reste immobile dans les tubes t
1
et t
2
.
On désigne par :
p
1
= pression de l’eau en A,
p
2
= pression de l’eau en B,
ρ
= masse volumique de l’eau.
2-2-1 Ecrire la relation fondamentale de l’hydrostatique dans chacun des 2 tubes et en déduire
l’expression littérale de
Δ
p = p
1
–p
2
en fonction de
ρ
, g, h
1
et h
2
.
2-2-2 Application numérique : h
1
–h
2
= 48 mm ; g = 9,8 m.s
-2
;
ρ
= 10
3
kg.m
-3
.
2-3 Les pertes de charge dans le tube T, responsables de ce phénomène, satisfont dans le cas de
l’expérience, à la loi de Poiseuille :
Δ
p
p
p
Q
L
R
1
2
V
=
-
=
8
4
μ
π
.
Dans cette formule, on désigne par :
Q
V
: le débit-volume dans le tube T exprimé en m
3
.s
-1
(défini au 2-1-1) ;
μ
: la viscosité dynamique de l’eau ;
L : la distance entre les tubes t
1
et t
2
exprimée en m, L= 0,50 m ;
R : le rayon intérieur du tube T exprimé en m.
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2-3-1 En déduire la valeur de la viscosité dynamique
μ
à la température de l'expérience.
2-3-2 Dans quelles conditions la loi de Poiseuille est-elle applicable ?
Exercice 3: (4 points)
Principe de l'expérience de Cavendish (1798)
Un fil de torsion (constante de torsion C) vertical supporte par son centre O une tige horizontale de
longueur L. Deux petites sphères de même masse m sont fixées aux extrémités A et A' de la tige. Elles
sont soumises à l'attraction de deux grosses boules de même masse M.
Ce fil exerce un couple de torsion pour empêcher la tige de tourner davantage sous l'effet de l'interaction
gravitationnelle entre boules et petites sphères équivalente à un couple.
L'interaction gravitationnelle fait tourner la tige d'un angle
α
tordant l'extrémité O du fil du même angle.
La figure 2 représente une situation d'équilibre du pendule telle que AA' est perpendiculaire à la direction des
forces. On note d la distance AE = A'E' à l'équilibre.
3.1
Représenter schématiquement la tige vue de dessus avec les forces et couples s'appliquant sur la
tige et ayant une incidence sur la rotation. Préciser le sens positif choisi pour la rotation.
3.2
Sachant que la valeur de chaque force gravitationnelle entre une petite sphère et une boule est
donnée par F
G
m.M
d
2
=
, écrire l'expression du moment du couple
Γ
F
dû aux forces
gravitationnelles sur la tige.
3.3
Exprimer la condition d'équilibre de la tige et en déduire une relation entre m, M, L, G, d, C et
α
.
3.4
Un dispositif optique permet de déterminer
α
avec précision. On trouve
α
= 9,5
×
10
-4
rad quand
M = 40 kg, m = 40 g, C = 5
×
10
-7
N.m.rad
-1
, L = 10 cm et d = AE = A'E' = 15 cm.
Calculer la valeur de G correspondant à cette mesure.
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fil de torsion
support
mandrin fixe
O
Figure 2
A'
E'
E
A
d
d
PYPLME101
PL00031/PL00052
FICHE DE MATIERE D'OEUVRE
BACCALAUREAT TECHNOLOGIQUE (S.T.L.)
Physique de Laboratoire et de Procédés Industriels
Session Normale 2001
PHYSIQUE CHIMIE ELECTRICITE
Partie Mécanique Fluidique Chimie
Durée : 3 heures - Coefficient : 5
A fournir par le centre d'examen :
Feuilles de copie
Feuilles de brouillon
A fournir par le candidat :
La calculatrice (conforme à la circulaire N°99-186 du 16-11-99) est autorisée
Documents interdits :
Tous les documents sont interdits
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