Théorie cinétique des gaz,
 concours ENAC pilote 2017.

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Une boîte cubique d’arrête a contient 𝑛 = 103 moles d’argon (masse molaire M=40 g. mol-1). Dans ce problème, on note 𝑥, 𝑦 et 𝑧 les coordonnées cartésiennes ; O est l’origine du repère

13.  Calculer le nombre N d’atomes dans la boîte et la masse m d’un atome d’argon. On rappelle la valeur approximative de la constante d’Avogadro 𝑁A ≈ 6.1023 mol-1 .
A) 𝑁 ≈ 6.1023 et 𝑚 ≈ 6,7.10-23 kg. B) 𝑁 ≈ 6.1023 et 𝑚 ≈ 6,7.10-26 kg.
C) 𝑁 ≈ 6.1026 et 𝑚 ≈ 6,7.10-23 kg. D) 𝑁 ≈ 6.1026 et 𝑚 ≈ 6,7.10-26 kg. Vrai.
m = 0,040 / (6 1023) ~ 6,7.10-26 kg.
N = 103 x 6 1023 =6 1026.

  14.  Un des atomes vient heurter la paroi en x=a, avec un vecteur vitesse . La paroi étant parfaitement rigide, l’atome rebondit et repart dans la direction incidente avec le vecteur vitesse . Déterminer la variation du vecteur quantité de mouvement de l’atome.

Réponse C.

15. On admet que l’atome possède un mouvement rectiligne et uniforme, le long de l’axe (𝑂𝑥), jusqu’à ce qu’il heurte de nouveau la paroi. On admet aussi que lors d’une collision, l’atome, qui arrive avec un vecteur vitesse orthogonal à une paroi, rebondit avec un vecteur vitesse opposé au vecteur vitesse incident (avant le choc), sans changer sa norme. Calculer la durée t qui sépare deux chocs successifs sur la paroi située en x=a et en déduire Nc qui désigne le nombre de chocs par seconde de cet atome avec cette paroi.
A) t = 2a / v et Nc = 2 s-1. B) t = 2a / v et Nc = v / (2a). Vrai.
C) t = a / v et Nc = v / a. D) t = a / v et Nc = 1 s-1.
L'atome parcourt la distance 2a à la vitesse v : t = 2a / v.
Nc =1 / t = v / (2a).

16. On admet que la paroi reçoit à chaque collision la quantité de mouvement . Quelle est la force subie par la paroi située en x=a en raison des chocs répétés de l’atome ?

Réponse A.

  17. En réalité, comme les atomes de la boîte n’ont pas tous le même vecteur vitesse, on doit remplacer, dans l’expression précédente, v2x par v2m / 3 où v2m est la moyenne sur tous les atomes du carré de la norme des vecteurs vitesse de chaque atome. Donner la ou les expressions correctes de la pression P exercée par le gaz d’atomes sur la paroi située en x=a ; on note nv le nombre d’atomes par unité de volume dans la boîte.
Surface de la paroi S = a2 ; volume de la boîte V = a3.
Pression = force / surface = N F / S = N m
v2m / (3a3).
nv = N / a3 ; P = nv
m v2m / 3 .
Réponses B et C.

18. En admettant que le gaz dans la boîte est un gaz parfait et que la pression ci-dessus est celle qui intervient dans la loi des gaz parfaits, donner l’expression de la température 𝑇 de ce gaz.
T = PV / nR = nv m v2m a3/ (3nR).
nv  a3 = N  ; n= N / NA= nv  a3 / NA.
T =mNA v2m / (3R) = M v2m / (3R).
Réponse A.





  
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