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Niveau maths sup
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Soupape thermodynamique

Posté par
pavilion
19-04-17 à 15:47

Bonjour, je me suis attaqué à un exo de centrale pdt les vacances mais il me pose déjà problème à la 1ere question :
"Chaque compresseur utilisé pour injecter l'air dans le cais son, est constitué d'un cylindre de section S, de volume V_ entre les sections AB d'abs cisse x=d et CD d'abscissex=0, de deux soupapes S_1et S_2, d'un tuyau de volume v délimité par les sections CD et EF et un piston mobile sans frottement entre les positions AB et CD. La pression atmosphérique constante s'exerce sur la face extérieure du piston. Lors de la phase d'aspiration, la soupape S_2 se ferme et la soupape S_2 s'ouvre quand la pression dans le cylindre est juste inférieure à la pression atmosphérique P_0.L'air à la pression atmosphérique P_0 est alors aspiré dans le cylindre. Lors du retour du piston la soupape S_1se ferme alors que la soupape S_2s'ouvre dès que la pression dans le cylindre devient juste supérieure à la pression P dans le caisson. Le volume d'air dans le caisson reste à la valeur constante tant que la pres-sion P dans le caisson n'a pas atteint la pression P_f : pression suffisante pour éjecter l'eau du caisson. On prendra P_f=3P_0.N compresseurs travaillent en parallèle pour comprimer l'air dans le caisson. Toutes les transformations sont quasi statiques et s'effectuent à température constante T_0 de l'atmosphère. L'air, quelque soit sa pression, sera considéré comme un gaz parfait.

1) À l'instant initial, la pression de l'air dans les compresseurs et dans le caisson est la pression atmosphérique . Les pistons sont en position AB. Un moteur actionne les pistons de AB à CD. On suppose P_1\prec P_f . Calculer, en fonction de P_0,V_0, V_c, v, N, R, T_0   la pression P_1 et la variation \Delta n du nombre de moles d'air dans le caisson. Effectuer l'application numérique.
2) La soupape S_2 se ferme et les pistons sont déplacés de CD à AB . Déterminer la positionx_1 du piston lorsque s'ouvre la soupape S_1 en fonction de N, V_c, d. La mesure de sera faite à partir de la position CD .
3) À un instant donné, les pistons sont dans la position AB , les soupapes S_2
sont fermées. La pression est P_i à l'intérieur du caisson. Le moteur pousse les pistons de AB à CD. Quelle relation les pressions P_0 et P_i doivent-elles vérifier afin que les soupapes s'ouvrent au cours du mouvement ?
4) Quelle est la position x=\alpha _{i+1}  des pistons au moment de cette ouverture ?
5) Quelle est la pression P_{i+1}à l'intérieur du caisson lorsque les pistons atteignent la position ?
6) Montrer que P_0,P_i,P_{i+1} et vérifient la relation  suivante : P_{i+1}-bP_0=a(P_i-bP_0), a et b étant des constantes que l'on déterminera littéralement, puis numériquement.
7)  À l'aide de la relation précedente, calculer la pression à l'intérieur du caisson après n va-et-vient des pistons.
8) Quelle est la valeur limite P_{\infty} de P_n lorsque n\rightarrow \infty?
9) Interpréter physiquement cette valeur limite ?"

Alors pour la 1) j'ai commencé par dire que P_0(v+v_0)=P_1(v+v_c) donc P_1=\frac{P_0(v+v_0)}{v+v_c}=1,68.10^3 Pa
Ensuite n_i=\frac{P_0v_c}{RT_0} et n_f=\frac{v_cP_1}{RT_0}
Mais lorsque je calcule \Delta n=n_f-n_i je trouve -6,2.10^3 mol et c'est donc de là que je me dis que c'est faux.
2) Pour cette question je reprends l'énonce et je lis que la soupape S_1 s'ouvre quand la pression dans le cylindre est juste inférieure à la pression atmosphérique P_0 donc je voulais partir de P_1\leq P_0
3) Je dirai qu'il va y avoir une puissance n qui va arriver...
Quelqu'un pourrait-il m'aider à corriger mes erreurs et m'aiguiller pour les questions suivantes qui me semblent encore plus abstraites svp ?

Soupape thermodynamique

Posté par
vanoise
re : Soupape thermodynamique 19-04-17 à 16:55

Bonjour
Ton premier résultat concernant P1 n'est pas réaliste : puisque S2 s'est ouverte, il faut nécessairement P1>Po.
La loi de Mariotte s'applique entre l'instant où se termine la première aspiration : fermeture de S1, piston en AB et la fin de la première compression : retour du piston en BC. Je crois que tu as bien compris cela mais ton erreur consiste à ne pas appliquer la loi de Mariotte à une quantité fixe de gaz. Il faut choisir comme système le gaz contenu à l'instant où le piston est en AB dans le cylindre, dans le tuyau et dans le caisson. Tu obtiens ainsi :

P_{1}=P_{0}\frac{V_{0}+v+V_{c}}{v+V_{c}}
Pour la question 2 : la quantité de gaz occupant le volume (Vo+v) en fin de phase d'aspiration sera toujours la même puisque la pression en fin d'aspiration est toujours Po...
Cela devrait déjà te permettre d'avancer. N'hésite pas à poser d'autres questions...

Posté par
vanoise
re : Soupape thermodynamique 19-04-17 à 17:55

J'ai posté sans suffisamment me relire : j'ai oublié dans mon raisonnement le fait que N compresseurs travaillent en parallèle. Ce qui revient à considérer un compresseur unique de volume N fois plus grand, le volume entre CD et EF étant aussi N fois plus grand. Je corrige donc en conséquence :

P_{1}=P_{0}\frac{N.(V_{0}+v)+V_{c}}{N.v+V_{c}}

Posté par
pavilion
re : Soupape thermodynamique 19-04-17 à 18:52

Merci beaucoup je n'avais pas compris que N ne s'appliquaient qu'aux tuyaux et aux cylindres.
Je trouve finalement P_1=1,14.10^5 Pa
Mais lorsque je recalcule \Delta n je trouve \Delta n =\frac{V_c}{RT_0}(P_1-P_0)=790 mol et je trouve ça énorme!

Ensuite non je ne vois pas comment démarrer ni introduire la position x_1vu qu'on ne manipule que des pressions, volume...

Posté par
vanoise
re : Soupape thermodynamique 19-04-17 à 19:28

N'ayant pas les valeurs numériques, je ne peux guère t'aider mais tout de même, cela me paraît beaucoup ! As-tu pensé à convertir les litres en m3 ? C'est une erreur classique !
Pour la question 2 : il faut appliquer la loi de Mariotte au gaz enfermé entre CD et EF sous la pression P1 et le volume (Nv) lors du déplacement des pistons vers la gauche. S1 va s'ouvrir lorsque la pression va atteindre Po. Le volume de ce gaz sera alors V1 :

V_{1}=N.v+N.V_{0}\cdot\frac{x_{1}}{d}
Es-tu bien sûr de l'énoncé de la question 2) tel que tu l'as copié sur le forum ?



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