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CONCOURS
Programmes
du concours externe de l'agrégation - session 1999
NOR : MENP9801894X
RLR : 820-2
NOTE DU 16-7-1998
MEN
DPE E1
o Les programmes ci-après concernent les épreuves d'admissibilité et d'admission.
SOMMAIRE
Lettres classiques, Grammaire, Lettres modernes
Sciences physiques - option Procédés physico-chimiques
Éducation musicale et chant choral
Lettres classiques, Grammaire, Lettres modernes
Un rectificatif est apporté au programme publié au B.O. spécial n°4 du 21 mai 1998. L'œuvre d'ancien français au programme des agrégations de Lettres classiques, Grammaire, Lettres modernes n'est pas à étudier dans sa totalité. Seuls sont au programme les vers 1 à 6292 du conte du Graal de Chrétien de Troyes (éd. F. Lecoy, Champion, 2 volumes, n°100 et 103).
Programme du concours de l'agrégation externe de sciences physiques (option procédés physico-chimiques)
A - ÉPREUVES ÉCRITES D'ADMISSIBILITÉ
Les titres ci-dessous renvoient à des éléments de programme donnés en annexe. Sauf spécification particulière, le niveau des épreuves écrites est celui du deuxième cycle universitaire.
1° Composition de physique (A-1)
- Physique
- États de la matière et thermodynamique
- Mécanique des fluides et phénomènes de transport
2° Composition de modélisation et commande de procédés (A-2)
- Opérations unitaires
- Réacteurs chimiques
- Contrôle, régulation et automatique
- Modélisation, simulation et optimisation
3° Problème de chimie, génie chimique et de procédés physico-chimiques (A-3)
- Chimie
- États de la matière et thermodynamique
- Mécanique des fluides et phénomènes de transport
- Réacteurs chimiques
- Opérations unitaires
B - ÉPREUVES ORALES ET PRATIQUES D'ADMISSION
Sauf spécification particulière, le niveau des leçons est celui du premier cycle universitaire ou des classes post-baccalauréat. Lorsque le sujet d'une leçon s'y prêtera, le candidat pourra présenter une illustration expérimentale.
1° Leçon de génie chimique et de procédés physico-chimiques, de modélisation et de commande (B-1)
- Opérations unitaires
- Réacteurs chimiques
- Contrôle, régulation et automatique
- Modélisation, simulation et optimisation
- Chimie
- États de la matière et thermodynamique
2° Leçon de physique (B-2)
- Physique
- États de la matière et thermodynamique
- Mécanique des fluides et phénomènes de transport
3° Montage de génie chimique et de procédés physico-chimiques, de modélisation et de commande (B-3)
Lors de cette épreuve le candidat devra démontrer son aptitude à utiliser une unité pilote de génie des procédés aussi bien pour analyser son fonctionnement (étude d'un mécanisme d'engorgement ou d'un transfert de chaleur, par exemple) que pour en automatiser la conduite.
L'unité pilote qui sera proposée appartient à la liste suivante : réacteur agité polyvalent, colonne d'absorption, colonne de rectification discontinue, colonne de rectification continue, colonne d'extraction liquide-liquide ou batterie de mélangeurs - décanteurs, banc de dynamique des fluides, banc d'échange thermique, pompe à chaleur à compression.
Le candidat aura la possibilité de mettre en œuvre des petits montages pour illustrer un aspect du fonctionnement de son installation (détermination d'un équilibre liquide-liquide, par exemple). L'unité pilote pourra être remplacée par un petit montage pour illustrer certains problèmes de commande.
Au cours de cette épreuve, le candidat pourra être amené à traiter les problèmes de sécurité et de respect de l'environnement associés à la mise en œuvre du pilote.
Annexes relatives aux connaissances mises en œuvre dans les différentes parties du programme de l'option :
Physique
Programmes de physique des classes de seconde, première, terminale et classes préparatoires aux grandes écoles dans la liste ci-après. Les programmes sont ceux appliqués à la rentrée de l'année où est ouvert le concours et les limitations imposées par les commentaires des programmes ne s'appliquent pas au concours de l'agrégation.
. seconde, y compris les options technique des sciences physiques (TSP) et informatique et électronique en sciences physiques (IESP),
. première S, y compris l'option sciences expérimentales,
. terminales S, y compris l'enseignement de spécialité,
. classes préparatoires aux grandes écoles :
- classes de première année : - Physique, Chimie et Sciences de l'Ingénieur (PCSI options PC et PSI) (B.O. hors série n°1, volume 2 du 20/7/95),
- Biologie, Chimie, Physique et Sciences de la Terre (BCPST) (B.O. hors série n°2 volume 4 du 27/7/95).
- classes de deuxième année : - Physique et Chimie (PC) (B.O. hors série n°3, volume 5 du 18/7/96),
- Physique et Sciences de l'Ingénieur (PSI) (B.O. hors série n°3, volume 6 du 18/7/96),
- Biologie, Chimie, Physique et Sciences de la Terre (BCPST) (B.O. hors série n°2 volume 4 du 27/7/95).
États de la matière et thermodynamique
1 - Notions générales
- Systèmes : systèmes fermés, systèmes ouverts, grandeurs intensives, grandeurs extensives, règle des phases, variance, transformations d'un système.
- Principes de la thermodynamique : travail, chaleur, entropie, enthalpie, potentiels thermodynamiques, coefficients calorimétriques et thermoélastiques.
- Interprétation statistique de l'entropie, distribution de Boltzmann.
- Mouvement brownien, origine microscopique de la diffusion et du transport, diffusion en régime concentré (auto-diffusion, diffusion coopérative).
- Équations d'état des gaz réels.
- Étude thermodynamique des machines thermiques (cycle de Carnot, cycle de Rankine, cycles réels).
- Tension superficielle : aspects mécaniques et thermodynamiques.
2 - Équilibres multiphases et multicomposants ; évolution des systèmes avec ou sans réactions chimiques
- Conditions d'équilibre d'un système à plusieurs constituants dans plusieurs phases : potentiel chimique, activité, variance, grandeurs standards de transformations physiques et/ou chimiques.
- Corps purs sous plusieurs phases.
- Systèmes monophasés de compositions variables (comportement idéal, comportement réel, cas des électrolytes, état standard).
- Mélanges multicomposants (diagramme de phases, pression osmotique).
- Affinité chimique, loi d'action de masse, déplacement d'équilibre (influence des divers paramètres).
3 - États de la matière : milieux complexes et organisation moléculaire et supramoléculaire
- Gaz, liquide, cristal, verre, état supercritique.
- Colloïdes : nature, interactions en solution, stabilité, agrégation irréversible.
- Macromolécules : nature (systèmes synthétiques et biologiques), états fondu / vitreux / cristallin, différents régimes de concentration, structure et dynamique en solution (diffusion, reptation), macromolécules chargées (polyélectrolytes), polymères aux interfaces (rôle floculant, défloculant), gels polymères et caoutchoucs (rhéologie, viscoélasticité).
- Surfactants et émulsions : nature (y compris lipides et surfactants polymères), propriétés interfaciales, notions sur le polymorphisme des solutions, mousses, applications aux transports et aux réactions chimiques (polymérisation en émulsion).
- Méthodes d'investigation : diffusion et diffraction, microscopies (électronique, AFM, champ proche...), rhéologie, chromatographie et électrophorèse.
- Notions sur les modèles théoriques des systèmes dispersés : modèle du milieu effectif, transition de percolation, modèles d'agrégation, notion de fractal.
Mécanique des fluides et phénomènes de transport
1 - Notions générales
- Fluides au repos : modèle continu, fluides compressibles et incompressibles, statique des fluides, transport par diffusion thermique et massique (lois macroscopiques, origine microscopique).
- Cinématique : descriptions eulérienne et lagrangienne, champs de vitesse, lignes et tubes de courant, tenseur des déformations et vorticité, conservation de la masse.
- Équations du mouvement : tenseur des contraintes, équation d'Euler, viscosité, équation de Navier-Stokes, applications aux cas de géométries simples (écoulements quasiparallèles, lubrification).
- Bilans de quantité de mouvement et d'énergie, relation de Bernoulli.
- Analyse dimensionnelle : nombres sans dimension, analyse en ordre de grandeur, similitudes.
- Écoulements laminaires et turbulents : nombre de Reynolds, couche limite laminaire, loi de Stokes et écoulement à Re<<1 autour d'un obstacle, sillage, zones de stagnation, écoulements turbulents en conduite et près d'une paroi (loi logarithmique), équation de Reynolds, transport de quantité de mouvement, notion de turbulence homogène (ces sujets seront abordés en privilégiant l'approche physique plutôt que le formalisme mathématique).
- Instabilités hydrodynamiques et chaos : mécanismes d'instabilité, diagramme de stabilité, seuil, amplitude, exemples (instabilité Rayleigh-Bénard, instabilité de Taylor-Couette), notion de transition vers le chaos.
- Dispersion hydrodynamique : nombre de Péclet, dispersion de Taylor, dispersion turbulente.
- Notions sur le mélange.
2 - Milieux dispersés
- Suspensions et émulsions (diluées et concentrées) : sédimentation, crémage, viscosité, lits fluidisés, filtration.
- Milieux granulaires : empilements, statique (angle au repos, effet Janssen), écoulement en trémie.
- Régimes d'écoulement liquide/liquide et gaz/liquide en conduite (notions qualitatives).
- Milieux poreux : loi de Darcy et généralisations (écoulements à vitesse élevée, gaz raréfiés), perméabilité, échanges aux parois, écoulements diphasiques en milieux poreux, dispersion hydrodynamique, applications à la chromatographie.
- Écoulements de films liquides.
3 - Rhéologie et écoulement de fluides complexes
- Liquides non newtoniens au comportement indépendant du temps : différents types de comportement (rhéofluidifiant, rhéoépaississant, fluides à seuil), origine microscopique, écoulements laminaires simples (cellule de Couette, conduites).
- Fluides viscoélastiques : viscoélasticité linéaire, origine microscopique, modèles analogiques (fluide de Maxwell, solide de Kelvin-Voigt), notion de contraintes normales et de viscosité élongationnelle, nombres sans dimension caractéristiques.
4 - Transferts d'énergie et de masse
- Différents types de transferts : diffusion, convection naturelle et forcée, transfert radiatif, migration (espèces chargées) ; nombres sans dimension caractéristiques.
- Couches limites thermiques et solutales : cas laminaire et turbulent, applications à des géométries simples, corrélations.
Opérations unitaires
Les opérations unitaires sont considérées sous trois points de vue : conception d'une nouvelle installation, analyse des performances d'une installation existante et conduite d'une installation. On insistera sur les analogies existant entre les opérations unitaires en s'appuyant sur le petit nombre de mécanismes élémentaires qu'elles mettent en jeu : circulation des phases, transferts de matière et de chaleur, et transformations chimiques. On s'appuiera aussi sur le fait qu'un même appareil, par exemple la colonne à garnissage, est utilisé dans plusieurs opérations. Les réacteurs chimiques n'apparaissent pas ici : ils sont présents dans l'annexe "Réacteurs chimiques". Pour ne pas créer des discontinuités artificielles, il est souhaitable de présenter les réacteurs comme une spécialisation des opérations unitaires.
I - Principes de fonctionnement des appareils du génie des procédés
Bacs agités, bacs en cascade, faisceaux tubulaires, colonnes, contacteurs diphasiques, lits fixes, lits fluidisés, lits mobiles...
II - Notions de base
Description des écoulements, transferts entre phases, distribution des temps de séjour, bilans de masse et d'énergie, étages théoriques.
III - Opérations gaz - liquide
Absorption désorption, rectification continue et discontinue, distillation, séparation
IV - Opérations gaz solide
Adsorption désorption, chromatographie, séchage, atomisation, fluidisation, séparation
V - Opérations liquide liquide
Extraction, mélange, dispersion, décantation, séparation
VI - Opérations liquide solide
Adsorption désorption, extraction, chromatographie, dissolution , cristallisation, précipitation, fluidisation, séparation
VII - Opérations sur les solides
Broyage, tamisage, enrobage, granulation, compactage, transport pneumatique
VIII - Séparations sur membrane
IX - Échangeurs de chaleurs
Échangeurs à contact direct ou à travers une paroi, avec ou sans changement de phase.
X - "Opérations unitaires" naturelles et écosystèmes : mécanismes de transport dans les écosystèmes.
Réacteurs chimiques
Les transformations chimiques ne sont pas l'apanage des seuls réacteurs de production. On en trouve aussi dans des opérations de séparation (complexation, précipitation, mise en solution, ...). Ceci est une raison supplémentaire pour traiter les réacteurs chimiques en continuité avec les autres opérations unitaires. Les notions de stabilité et d'emballement d'un réacteur seront présentées dans les cas les plus simples. La sécurité des réacteurs chimiques sera également abordée.
I - Transformations chimiques
Vitesse d'une réaction chimique. Loi de vitesse. Ordre par rapport à un constituant. Effet de la température. Bilans de masse et d'énergie.
II - Réacteurs monophasiques
Réacteurs agités discontinus. Réacteurs agités continus. Réacteurs agités multi-étagés. Réacteurs tubulaires. Comparaison des différents types.
III - Réacteurs à deux phases fluides
Réactions dans les milieux diphasiques fluide - fluide. Coopération entre transport et transformation chimique. Principaux réacteurs gaz - liquide et liquide - liquide.
IV - Réacteurs catalytiques hétérogènes
Mécanismes dans un grain de catalyseur. Mécanismes dans une population de grains. Principaux réacteurs : lit fixe, lit transporté, lit fluidisé et lit triphasique.
V - Réacteurs avec une phase solide réactive
Particule réactive. Transformation d'un ensemble de particules. Divers réacteurs utilisés.
Contrôle, régulation et automatique
I - Dynamiques des systèmes physiques
On étudie la dynamique des systèmes continus à paramètres localisés, en recherchant des applications parmi les opérations unitaires les plus simples. On étend ensuite les résultats aux systèmes échantillonnés et aux systèmes à paramètres distribués.
Notions d'état, de commande, de perturbation et de sortie. Systèmes linéaires et non linéaires, linéarisation. Dynamique et stabilité des systèmes linéaires. Dynamique et stabilité des systèmes non-linéaires. Simulation numérique des comportements dynamiques. Notion de fonction de transfert. Echantillonnage. Dynamique des systèmes échantillonnés. Éléments de dynamique des systèmes à paramètres distribués. Modélisation et identification paramétrique.
II - Commande d'une installation
Principaux problèmes de commande : sécurité, régulation, conduite, démarrage et arrêt. Stratégie de commande en relation avec les objectifs de production (qualité et sécurité). Choix de la structure et des composants d'un système de commande.
Organes d'un système de commande :
- capteurs classiques des procédés physico-chimiques
- actionneurs de l'industrie chimique (vannes, pompes, moteurs)
- signaux, convertisseurs, transmetteurs et réseaux
- calculateurs, automates programmables, systèmes numériques de contrôle-commande.
III - Commande logique
Logique booléenne : algèbre, opérateurs, fonctions, simplification. Logique séquentielle : automate à états discrets, modèle GRAFCET. Notions de fonctionnement d'un automate programmable.
IV - Commande continue
Boucle de contre-réaction. Le régulateur PID. Correction anticipée des perturbations. Réglage des paramètres d'un PID. Filtrage des perturbations. Notions de commande d'un système multivariable : découplage des commandes et matrice de contre-réaction.
V - Approches plus avancées de la commande
Commande optimale, commande prédictive, commande par modèle interne. Commande optimale d'un procédé de type "batch" : trajectoire optimale et corrections de trajectoire. Utilisation de la logique floue et des réseaux de neurones.
Modélisation, simulation et optimisation
I - Modélisation et simulation dynamique des ateliers
Cette partie concerne les opérations unitaires et les ateliers, en liaison avec les problèmes de stabilité et de commande. Elle est présentée au § I de l'annexe "Contrôle, régulation et automatique".
II - Modélisation simple des opérations unitaires
Utilisation méthodique des bilans pour modéliser les opérations unitaires. Diverses représentations simplifiées des écoulements. Rôle des hypothèses d'équilibre. Résolution graphique et numérique des modèles.
III - Modélisation avancée des opérations unitaires
1°) Transferts multiconstituants, transferts à haut flux et transferts couplés.
2°) Notions sur l'utilisation de la mécanique des fluides numérique pour la modélisation et la simulation du fonctionnement d'une opération.
IV - Modélisation et simulation statique des ateliers
Principes de base et constitution des logiciels de simulation du fonctionnement d'un atelier. Etude d'un logiciel industriel. Recherche de l'arrangement optimal des opérations unitaires. Optimisation des conditions d'opération d'un atelier.
V- Modélisation et expérimentation
:
stratégie expérimentale,
plans d'expériences, traitement des données, identification
paramétrique d'un modèle.
Chimie
1 - Programmes des classes de seconde, première et terminale et classes préparatoires aux grandes écoles (les limitations imposées par les commentaires de ces programmes ne s'appliquent pas au programme du concours d'agrégation).
1.1 Les programmes de chimie
- des classes de seconde générale et technologique (BOEN hors série tome 1 du 24 septembre 1992), ainsi que de l'option "technique des sciences physiques" (B.O. spécial n°18 du 15 décembre 1994)
- des classes de première S des lycées, y compris l'option "sciences expérimentales" (BOEN hors série tome 2 du 24 septembre 1992 et BOEN n°22 du 24 juin 1993)
- des classes de terminale S des lycées, y compris l'enseignement de spécialité (B.O. spécial n°3 du 16 février 1995)
1.2 Les extraits ci-dessous des programmes de première année des CPGE/PCSI (options PC et PSI), publié au B.O. hors série n°1 du 20 juillet 1995, p 280 et suivantes, de deuxième année des CPGE/PSI, publié au B.O. hors série n°3 du 18 juillet 1996, p 695 et suivantes :
1.2.1 Extraits du programme de PCSI :
I - L'architecture moléculaire
I.1 Le modèle quantique de l'atome et la classification périodique
I.2 Structure électronique des molécules (première période et deuxième période spécifique à l'option PC)
I.3 Structure et organisation de la matière condensée (deuxième période spécifique à l'option option PSI).
III Structure, réactivité et synthèse en chimie organique (première période et deuxième période spécifique à l'option PC,)
III.1 Stéréochimie des molécules organiques
III.2 Les liaisons simples carbone - halogène
III.3 Les liaisons simples carbone - oxygène
III.4 Réactivité de la double liaison carbone - carbone
III.5 Les organomagnésiens mixtes
III.6 Élaboration de matériaux organiques thermoplastiques
1-2-2 Extraits du programme de PSI :
II - Les matériaux métalliques
II.1 Étude de quelques principes d'élaboration des métaux
II.2 Phénomènes de corrosion
Les épreuves pourront en outre comporter des questions axées sur les connaissances auxquelles il est fait appel dans les programmes de travaux pratiques des classes de PCSI et PSI.
2 - Chimie analytique
2.1 Étude des réactions chimiques en solution :
- Réactions acido-basiques, réactions d'oxydoréduction, équilibres de complexation, précipitations, extraction liquide-liquide, échange d'ions sur résine.
2.2 Méthodes d'analyse spectroscopiques :
- Présentation des différents types d'interaction matière - rayonnement.
- Spectroscopies atomiques : émission, absorption
- Spectroscopies moléculaires (pour chaque technique, théorie simplifiée et exploitation de spectres) : Ultraviolet, Visible, Infrarouge, Résonance Magnétique Nucléaire(1H, 13C), Masse, Fluorescence.
2.3 Méthodes d'analyse chromatographique et électrophorétique :
- Grandeurs fondamentales relatives à ces techniques,
- Chromatographie en phase gazeuse (étude qualitative et quantitative, programmation de température, colonnes garnies et capillaires)
- Chromatographie en phase liquide à haute performance (partage, exclusion, adsorption, ionique)
- Électrophorèse et électrophorèse capillaire.
2.4 Méthodes électrochimiques d'analyse :
- Conductimétrie,
- Courbes intensité - potentiel
- Polarographie et méthodes dérivées.
- Ampérométries, potentiométries, voltampérométries.
- Coulométrie.
3 - Méthodes de synthèse et procédés industriels
3.1 En chimie organique :
Oxydation et déshydrogénation, réductions et hydrogénations, halogénation, élimination (déshydratation et déhydrohalogénation), estérification, hydrolyse, saponification, condensation en milieu alcalin, synthèse diénique, substitutions aromatiques (sulfonation, nitration, réactions du type Friedel-Crafts, amination, diazotation, copulation, réactions biologiques), production des oléfines et des aromatiques, catalyse homogène et hétérogène.
3.2 En chimie inorganique :
grandes synthèses industrielles de la chimie inorganique des principaux éléments : hydrogène, alcalins, aluminium, carbone, silicium, azote, phosphore, oxygène, soufre, halogènes, fer, uranium, etc. ...
Éducation musicale et chant choral
Un rectificatif est apporté au programme publié au B.O spécial n° 4 du 21 mai 1998.
Programme de caractère général non limité à la discipline
La représentation de la violence dans la littérature et les arts après 1945 en Europe est remplacée par : Le théâtre dans le théâtre en Europe à la fin du XVIe siècle et au début du XVIIe siècle.
Texte de référence : Shakespeare, Hamlet (éd. Aubier).
Pour le ministre de l'éducation
nationale,
de la recherche et de la technologie
et par délégation,
La directrice des personnels enseignants
Marie-France MORAUX