TD Thermodynamique. Diffusion de particules

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1 TPC2 TD Thermodynamique Diffusion de particules Exercice n o 1 : Diffusion du CO 2 On observe la diffusion du CO 2 dans l air, en régime stationnaire, à l intérieur d un tube de longueur L = 0, 25 m et de section s = 15 cm 2. La densité de flux de CO 2 est de 5, m 2.s 1. La concentration de CO 2 est de 1, m 3 à une extrémité du tube et 8, m 3 à l autre. En déduire le coefficient de diffusion D et calculer le débit de molécules de CO 2 à travers une section du tube. Exercice n o 2 : Modèle de réaction photochimique On considère un modèle très sommaire de réaction photochimique de substitution radicalaire du chlore sur un alcane. Le récipient où se produit la réaction est un cylindre de surface S situé entre les plans d abscisse x = a et x = a. On s intéresse à la densité particulaire de radicaux Cl, noté n(x), en régime permanent. L initiation photochimique produit p radicaux par unité de volume et de temps. Les radicaux ainsi produits vont disparaître sur les parois du récipient qui imposent des conditions aux limites n( a) = n(a) = 0. 1 En supposant que le nombre de radicaux entre les plans d abscisses x et x reste constant, en utilisant la loi de Fick (on appelle D la diffusivité des radicaux dans le milieu) et en admettant que la symétrie du problème impose à n(x) d être une fonction paire, établir l équation différentielle vérifiée par n(x). 2 La résoudre en tenant compte des conditions aux limites. Donner l allure de la courbe n(x) et préciser la valeur maximale n 0 de n(x). Exercice n o 3 : Évaporation de l eau On plonge un tube vertical, ouvert aux extrémités, dans une cuve d eau. À l extrémité supérieure passe un courant d air horizontal qui entraîne, à vitesse constante, les molécules de vapeur d eau qui ont diffusé dans l air du tube. 1 En supposant qu un régime stationnaire est atteint, exprimer la densité de courant de molécules d eau en fonction des densités volumiques n 0 à la surface et n 1 à l extrémité supérieure du tube, et de sa longueur L. Dans la suite on prendra n 1 0 (l air qui arrive est sec). 2 Le processus de diffusion et assez lent pour qu à la base du tube on soit en présence de vapeur d eau saturante et l on admet que cette vapeur suit approximativement la loi des gaz parfaits. Déterminer la masse d eau qui s évapore par unité de temps à travers ce dispositif à 20 C. p sat = 133 P a ; L = 1, 00 m ; S = 20, 0 cm 2 ; D = 0, 220 m 2.s 1 ; R = 8, 31 J.K 1.mol 1. Exercice n o 4 : Modèle de conduction dans un semi-conducteur On étudie la diffusion de particules dans un barreau cylindrique de silicium en présence de termes sources. Ce phénomène est responsable de l apparition d un courant électrique. On note n(x, t) la densité particulaire. Le nombre de particules créées par unité de volume et de temps est n 1 /τ, n 1 étant une constante, et le nombre de particules détruites par unité de volume et de temps est n/τ. 1

2 1 En effectuant un bilan de matière sur un système bien choisi, établir l équation reliant n et j, j étant le vecteur densité de courant de particules. 2 On se place en régime permanent. Déterminer l équation différentielle vérifiée par n(x). On posera L p = Dτ. 3 On suppose que la longueur du barreau est pratiquement infinie (en fait grande devant L p ). Exprimer n(x) en fonction de n(0), n 1 et L p. 4 La charge de chacune des particules étant q et la section du barreau S, en déduire l intensité I du courant électrique dans le barreau. Exercice n o 5 : Équilibre de l atmosphère On considère l équilibre de l atmosphère isotherme, l air étant assimilé à un gaz parfait. 1 Retrouver l expression de la densité volumique des molécules n(z) en fonction de leur masse m, de l altitude z, de la constante de Boltzmann k B = R/N A, de la température T, de l accélération de la pesanteur g (supposée indépendante de z), et de la densité au sol n 0. 2 Montrer, en utilisant la loi de Fick, qu il existe un courant de diffusion dirigé vers le haut. Déterminer la vitesse (moyenne) u des molécules de ce courant en fonction du coefficient de diffusion D (autodiffusion) et des autres données. 3 Pourquoi doit-il exister également un courant de molécules descendant de vitesse u? Quelle en est l origine? En considérant que les collisions subies par une molécule sont en moyenne équivalentes à une force de frottement fluide α.u, dirigée vers le haut, exprimer le coefficient de frottement α en fonction de D et des données du problème. Calculer α et u. k B = 1, J.K 1 ; R = 8, 31 J.K 1.mol 1 ; D = 1, m 2.s 1 ; g = 9, 8 m.s 2 ; T = 0 C et p = 1 bar ; M air = 29 g.mol 1. Exercice n o 6 : Diffusion de neutrons dans un barreau de plutonium On étudie la diffusion unidirectionnelle de neutrons dans un barreau de plutonium cylindrique d axe (Ox) et de section droite d aire S, s étendant entre les abscisses x = 0 et x = L et on note n (M, t) le nombre de neutrons par unité de volume. Cette diffusion satisfait à la loi de Fick, avec un coefficient de diffusion D = 22 m 2.s 1. D autre part, du fait des réactions nucléaires entre les neutrons et la matière, des neutrons sont produits : pendant une durée dt, dans un élément de volume dτ(m), il apparaît δn p = Kn (M, t)dτ(m)dt neutrons, où K = 3, s 1 est une constante positive homogène à l inverse d un temps et caractéristique des réactions nucléaires. On admettra en première approximation que n doit s annuler à tout instant aux extrémités du cylindre en x = 0 et x = L. En revanche on supposera que n (x, t) ne s annule pas à l intérieur du cylindre. 1 Établir l équation aux dérivées partielles dont n (x, t) est solution. 2 Déterminer n (x) à une constante multiplicative près en régime stationnaire. Montrer que ce régime n est possible que pour une valeur particulière L s de L. 3 a En régime quelconque, chercher n (x, t) à une constante multiplicative près sous la forme factorisée n (x, t) = h(x).g(t). b En déduire que n (x, t) diverge si L est supérieur à une valeur critique L c que l on explicitera et que l on calculera. Exercice n o 7 : Diffusion à travers une membrane La diffusion de molécules à travers une membrane est très utilisée dans des domaines très divers, en médecine par exemple. On considère le dispositif représenté sur la figure. 2

3 Les deux compartiments séparés par une membrane verticale poreuse, contiennent une même solution moléculaire, mais à des concentrations molaires différentes C 1 et C 2 (C 1 > C 2 ). Leurs volumes constants seront notés respectivement V 1 et V 2. La membrane, de surface S et d épaisseur e, comporte par unité de surface n pores cylindriques d axe horizontal normal à la paroi. Les pores sont supposés identiques. Dans chacun d eux s établit un flux macroscopique de molécules suivant (Ox), de densité moléculaire j d, tendant à égaliser les concentrations. On admettra que j d z = 0 et que j d est donné par la loi de Fick : j d = D C x. À une date t, les concentrations, maintenues homogènes sur les volumes V 1 et V 2, sont donc C 1 (t) et C 2(t). On notera C = C 1 (t) C 2 (t). 1 En admettant que dans un pore la concentration est une fonction affine de x, montrer que la densité de flux molaire J des molécules à travers toute la membrane est de la forme : J = KS C u x. On donnera K, appelée perméabilité de la membrane, en fonction de n, D, e et r, rayon d un pore. 2 Calculer r numériquement. On donne : K = 10 6 m.s 1 ; n = 10 6 pores.cm 2 ; e = 10 µm ; D = 10 9 SI. 3 Établir l équation différentielle donnant C(t). 4 Intégrer cette équation. On notera 1 τ = KS( 1 V V 2 ). Au bout de quelle durée la différence des concentrations est-elle égale au dixième de sa valeur initiale? On donne : V 1 = 2 L ; V 2 = 1 L ; S = 200 cm 2. Exercice n o 8 : Diffusion dans un tuyau poreux On étudie l état stationnaire de diffusion gazeuse dans un tuyau cylindrique d axe (Ox), de rayon a, de longueur L très grande. Les concentrations des molécules sont maintenues constantes aux deux extrémités : n(x = 0) = n 0 et n(x = L) = n 1. On note D le coefficient de diffusion des molécules. Le tube est légèrement poreux : les molécules s échappent vers l extérieur à travers la paroi latérale du tube, d épaisseur e << a. Cette diffusion est caractérisée par un coefficient D << D. Avec ces hypothèses, nous pouvons supposer que la densité moléculaire est linéaire dans la paroi latérale du tube. Elle est en outre supposée nulle à l extérieur. 1 Effectuer un bilan de particules dans la tranche x, x + dx et en déduire une relation entre la densité moléculaire n(x) et le vecteur densité de courant de particules j(x). 2 En utilisant la loi de Fick, établir l équation différentielle vérifié par n(x) et la résoudre. On posera d 2 = aed/2d. Quelle est l unité de d? Quelle est sa signification physique? Étudier le cas L << d. Exercice n o 9 : Croissance d une couche d oxyde Un métal occupe le demi-espace z 0, en contact en z = 0 avec de l air. On s intéresse à l évolution de l épaisseur L(t) de la couche d oxyde qui apparaît en z 0. Un modèle simplifié explique la croissance de l oxyde par la diffusion d"atomes de métal M de z = 0 jusqu en L(t) où ils réagissent avec le dioxygène pour former de l oxyde qui s ajoute à la couche. On note C(z) le nombre d atomes M par unité de volume, C 0 sa valeur en z = 0 et C 1 sa valeur en z = L(t) ; C 0 et C 1 sont considérées constantes et on étudie la diffusion comme si le régime était stationnaire, bien que L soit fonction de t. 1 Déterminer la densité de courant de particules j dans la couche d oxyde, le coefficient de diffusion de M dans l oxyde étant noté D. 3

4 2 Chaque atome M arrivant en z = L(t) augmente de Ω le volume d oxyde, en déduire la variation dl de l épaisseur en une durée dt en fonction de Ω et j, puis l équation différentielle vérifiée par L(t). 3 Avec L = 0 à t = 0, déterminer la loi L(t) et commenter le résultat. Exercice n o 10 : État stationnaire de diffusion On désire étudier le cas d une diffusion de particules entre deux réservoirs. Le premier, de concentration n 1, est à l abscisse x 0, le second, de concentration n 2 < n 1, est à l abscisse +x 0. Initialement, le milieu séparant ces deux réservoirs est interrompu par une paroi imperméable à la diffusion placée en x = 0. À l instant initial la paroi est retirée. Les courbes ci-dessus représentent les concentrations n(x, t) pour x compris entre x 0 et x 0 et pour différentes dates t i. 1 Commenter ces courbes après les avoir situées chronologiquement. On s intéressera notamment aux concavités des courbes pour x < 0, x > 0, et x = 0. Que représentent 2x 0 et 4x 2 0/D? 2 Établir l expression de n(x) en régime stationnaire pour x compris entre x 0 et x 0. Quand peut-on considérer que celui-ci est atteint? 3 Donner l expression du flux de particules dans le milieu séparant les deux réservoirs. Montrer comment ce résultat peut être rapproché de la loi d Ohm : I = GU. Exercice n o 11 : Diffusion axiale avec section variable On considère une hotte de forme tronconique dont les caractéristiques (R 1, R 2, h et α) sont représentées sur la figure. 4

5 Un grand récipient contenant de l eau en ébullition produit en z = 0 une concentration C 1 de vapeur d eau supposée constante au cours du temps. Par diffusion verticale dans la hotte, cette vapeur d eau est évacuée dans un conduit d aération. On supposera qu en z = h, C(h) = C Faire un bilan de moles d eau vapeur, de coefficient de diffusion D dans l air, pour une tranche d épaisseur dz. 2 Dans l hypothèse d un régime d évacuation stationnaire, donner la loi C(z) et le flux de diffusion. 3 Quelle est la vitesse de diffusion au niveau d une section S(z) en régime stationnaire? 5