BTS CIRA - Eduscol

Session 2015
BREVET de TECHNICIEN SUPÉRIEUR CONTRÔLE INDUSTRIEL et REGULATION AUTOMATIQUE E-3 SCIENCES PHYSIQUES U-31 CHIMIE-PHYSIQUE INDUSTRIELLES Durée : 2 heures Coefficient : 2,5
Durée conseillée |Chimie industrielle |45 minutes |
|Physique industrielle |1 h 15 |
Matériel autorisé : - Toutes les calculatrices de poche y compris les calculatrices
programmables, alphanumériques ou à écran graphique à condition que leur
fonctionnement soit autonome et qu'il ne soit pas fait usage d'imprimante
(Circulaire n° 99-186, 16/11/1999). Tout autre matériel est interdit. Aucun document autorisé.
Document à rendre avec la copie :
Le DOCUMENT RÉPONSE 1 (pages 9/10 et 10/10) est fourni en double
exemplaire, un exemplaire étant à remettre avec la copie, l'autre servant
de brouillon éventuel.
???????? Dès que le sujet vous est remis, assurez-vous qu'il est complet.
Le sujet se compose de 10 pages, numérotées de 1/10 à 10/10. - Chimie industrielle : page 2 à page 3
- Physique industrielle : page 4 à page 10
S'il apparaît au candidat qu'une donnée est manquante ou erronée, il pourra
formuler toutes les hypothèses qu'il jugera nécessaires pour résoudre les
questions posées. Il justifiera alors clairement et précisément ces
hypothèses.
|BTS CONTRÔLE INDUSTRIEL ET RÉGULATION AUTOMATIQUE |Session 2015|
|CHIMIE-PHYSIQUE INDUSTRIELLES |Code : CAE3CI |Page 1/10 | CHAUDIÈRE AU BOIS Une ville a fait le choix d'utiliser la filière bois pour produire la
chaleur nécessaire pour chauffer la mairie, le théâtre, le stade de foot,
et la piscine municipale. Ceci permet de ne pas dépendre du prix du gaz.
De plus, le fait d'avoir un bilan carbone neutre évite de payer la taxe
carbone.
PARTIE 1 : équivalence énergétique uranium-bois
On souhaite connaître la masse d'uranium qui aurait été nécessaire pour
produire la même énergie que celle fournie par la chaudière à bois
choisie.
La production d'énergie dans les centrales nucléaires est due à la fission
des noyaux d'uranium 235 selon l'équation suivante :
0 n +
235
92
146
58
+ 34 Se
+ a 0 n
(a est un nombre entier) Q1. Pourquoi cette réaction est une réaction nucléaire ? Pourquoi
est-elle appelée réaction de fission nucléaire ? Q2. Déterminer la valeur de a, en précisant les lois de conservation qui
interviennent lors d'une réaction nucléaire. Q3. Calculer la variation de masse d'uranium 235.
?m qui accompagne la fission d'un noyau d'atome
Q4. En considérant que cette variation de masse, qui accompagne la fission
d'un atome d'uranium 235, est de 3,0 × 10-28 kg, calculer l'énergie
libérée par la fission d'un
noyau d'atome uranium 235. Q5. Quelle est l'énergie libérée par 1,00 g d'uranium dans ces conditions
? Q6. Calculer la masse théorique d'uranium 235 qui permettrait de
fournir l'énergie de 2,0 × 1013 J, nécessaire au chauffage de la
piscine. Q7. Calculer la masse de bois qui fournit la même énergie lors de sa
combustion, sachant que le pouvoir calorifique inférieur (PCI) du
bois est 4 000 kWh par tonne. Conclure. (1 kWh = 3 600 kJ)
PARTIE 2 : qualité de l'air
On souhaite s'assurer de la qualité de l'air aux environs de la chaudière,
en particulier au
niveau de la teneur en dioxyde de soufre gazeux excéder 50 ?g.m-3.
SO2(g) . La teneur en
SO2(g)
ne doit pas
On fait barboter un volume d'air de 100,0 m3 prélevé selon un protocole
normalisé dans un volume V = 0,500 L de solution de peroxyde d'hydrogène
(équation 1). On obtient alors la solution S1.
SO2- + 2 H +
(équation 1)
H2O2(aq ) + SO2(g ) > 4 (aq ) (aq ) Le volume V = 0,500 L de la solution S1 est ensuite dosé par une solution
d'hydroxyde de sodium en présence d'un indicateur coloré adéquat. Q8. Écrire la demi-équation d'oxydoréduction qui concerne le couple
H2O2(aq ) / H2O(liq) . Q9. Écrire la demi-équation d'oxydoréduction qui concerne le couple SO2-
(aq ) / SO2(g ) . Q10. Montrer que la réaction du dioxyde de soufre avec le peroxyde
d'hydrogène se produit selon l'équation 1.
On dose les ions oxonium +
(aq ) contenus dans le volume V = 0,500 L de la solution S1 par
une solution d'hydroxyde de sodium (Na+ + OH - )
de concentration molaire
(aq ) (aq )
Cb = 1,00 × 10-2 mol.L-1. Le virage de l'indicateur coloré se produit pour
un volume de soude versé VE = 11,5 mL. - +
L'équation de la réaction de dosage est : OH(aq ) + H(aq ) > H2O(liq)
. Q11. Quel est le nom courant de l'hydroxyde de sodium ? Q12. Calculer la quantité de matière d'ions oxonium volume V = 0,500 L de
solution S1.
+
(aq )
(en mol) contenue dans le
Q13. En déduire la quantité de matière de d'air prélevé. SO2(g )
contenue dans le volume de 100,0 m3
Q14. La qualité de l'air est-elle respectée ? Justifier. Données : . Masses molaires : M(S) = 32,0 g.mol-1, M(O) = 16,0 g.mol-1, M( 235U )
= 235 g.mol-1
. 1?g = 10-6 g
. 1 u (unité de masse atomique) = 1,6606 × 10-27 kg
. 1 u = 931,50 MeV.c-2
. 1 MeV = 1,6 × 10-13 J
. C = 2,9979 × 108 m.s-1
. NA = 6,0221 × 1023 mol-1 |Masse de quelques particules |
|proton |neutron |électron |
|mp = 1,6726 × 10-27 |mn = 1,6749 × 10-27 |me = 9,1093 × 10-31 |
|kg |kg |kg | |Masses atomiques |
|mneutron |235U |146Ce |85Se |2H |
| |92 |58 |34 |1 |
|1,0086 u |235,04 u |145,91 u |84,922 u |2,0141 u | [pic] Certaines questions sont indépendantes.
Des données nécessaires pour traiter le problème sont
rassemblées en annexe pages 7/10 et 8/10.
PARTIE 1 : étude du complexe aquatique
5 Étude du circuit de filtration de la piscine
La piscine municipale fait partie du complexe. Elle comporte un grand
bassin contenant un volume de 960 m3 d'eau, qui est relié à un circuit
hydraulique. L'eau de ce bassin est à la température de 29 °C.
La pompe a un débit volumique Qv = 80 m3.h-1. Le diamètre D des
canalisations est de 160 mm, la longueur totale L des canalisations est
de 42 mètres.
Q15. Calculer la vitesse V de l'eau dans les canalisations. Q16. En déduire le nombre de Reynolds, indiquer la nature de
l'écoulement. Q17. Calculer le coefficient de perte de charge ? . Q18. Grâce à la pompe, les pressions sont identiques aux points A et B
(les pertes de charge entre B et B' sont supposées négligeables). En
appliquant l'équation de Bernoulli entre les points A et B dans le
circuit (les données sur les pertes de charge étant fournies en
annexe page 7/10), déterminer quelle pompe convient en exploitant le
graphique 1 à la page 8/10. Q19. En déduire la puissance hydraulique fournie par la pompe au
liquide.
Étude du circuit de chauffage de l'eau de la piscine
La chaudière à bois produit l'eau chaude qui arrive dans l'échangeur
thermique à plaques de la piscine avec un débit de 60 m3.h-1. L'échangeur
est monté à contre courant. L'eau arrive de la chaudière à bois à la
température de 80 °C et retourne vers la chaudière à la température de 70
°C. L'eau à réchauffer arrive de la piscine à la température de 28 °C et
retourne à la piscine à la température de 32 °C.
Photo de l'échangeur à plaques
Q20. Calculer la puissance fournie par le circuit provenant de la chaudière
à bois. On considère que l'échangeur a une puissance de 700 kW.
Q21. Calculer la surface d'échange S de l'échangeur. Q22. En déduire le nombre de plaques, chaque plaque étant assimilée à un
rectangle de 1,10 m de longueur et de 0,35 m de largeur.
PARTIE 2 : étude de la climatisation de la salle de réception du stade de
foot La salle de réception ayant une grande surface vitrée qui donne sur le
stade, il est nécessaire qu'elle soit climatisée. La climatisation a été
prévue avec une puissance frigorifique de 30 kW, le fluide frigorigène
utilisé est le R410 A.
Le cycle frigorifique réversible, parcouru dans le sens ABCD, est indiqué
sur le document réponse 1, page 10/10 (à rendre avec la copie). Chaque
petite graduation sur l'axe horizontal du graphique correspond à 2 kJ.kg-1.
La transformation BC est isentropique. Q23. Remplir les cases du cycle frigorifique du document réponse 1, page
10/10 (à rendre avec la copie) avec les termes suivants : détendeur,
condenseur, compresseur, évaporateur. Q24. Exprimer, puis calculer le travail massique Wfourni nécessaire pour
comprimer le gaz de 8 bar à 20 bar dans le cycle frigorifique. Q25. Exprimer puis calculer la quantité de chaleur massique reçue par le
fluide dans la salle de réception. Q26. Quel doit être le débit massique Qm du fluide frigorigène, pour
obtenir une puissance frigorifique