QCM : Analyse des systèmes ouverts — 11 questions

Questions et réponses du QCM

1. Quelle caractéristique distingue un système fermé d’un système ouvert concernant les échanges de matière et d’énergie ?

Sa masse varie avec les débits, tandis que la chaleur ne franchit pas la frontière
Sa frontière laisse passer la masse, mais bloque les échanges de chaleur et de travail
Sa masse et son énergie restent fixes derrière une frontière imperméable
Sa masse reste fixe, tandis que la chaleur et le travail peuvent franchir la frontière

Sa masse reste fixe, tandis que la chaleur et le travail peuvent franchir la frontière

Explication

Un système fermé conserve une quantité de matière fixe, alors que sa frontière peut laisser passer de l’énergie sous forme de chaleur ou de travail. La variation de masse par des débits correspond plutôt à un système ouvert.

2. Qu'est-ce qu'un système fermé en thermodynamique ?

Un système isolé, sans échange de masse ni d'énergie avec l'extérieur.
Un système dont la masse et l'énergie peuvent entrer ou sortir librement.
Un système où la masse peut entrer ou sortir librement, mais sans échange d'énergie.
Un système dont la masse ne peut pas entrer ou sortir, avec une frontière imperméable à la masse mais perméable à l'énergie.

Un système dont la masse ne peut pas entrer ou sortir, avec une frontière imperméable à la masse mais perméable à l'énergie.

Explication

Un système fermé contient une quantité de matière fixe avec une frontière imperméable à la masse, mais perméable à l'énergie sous forme de chaleur ou de travail. La réponse incorrecte décrit un système ouvert, tandis que les autres options ne correspondent pas à la définition d'un système fermé.

3. Une conduite traversée par un débit de fluide est-elle modélisée comme un système ouvert ou comme un système fermé ?

Comme un système fermé, car l’énergie traverse sa frontière
Comme un système fermé, car le fluide occupe un volume délimité
Comme un système ouvert, car la masse traverse sa frontière
Comme un système ouvert, car sa masse demeure constante dans le temps

Comme un système ouvert, car la masse traverse sa frontière

Explication

Un système ouvert, ou volume de contrôle, possède une frontière perméable à la masse et à l’énergie. Une conduite traversée par un fluide illustre donc ce modèle, contrairement à un système fermé dont la masse ne traverse pas la frontière.

4. Quelle caractéristique définit un système fermé en thermodynamique ?

Il contient une quantité de matière fixe avec une frontière imperméable à la masse mais perméable à l’énergie.
Il permet à la masse et à l’énergie de traverser librement ses frontières.
Il n’y a aucune interaction d’énergie ou de matière avec l’extérieur.
Il échange uniquement de la chaleur avec l’extérieur.

Il contient une quantité de matière fixe avec une frontière imperméable à la masse mais perméable à l’énergie.

Explication

Un système fermé possède une frontière imperméable à la masse, mais perméable à l’énergie, ce qui signifie que la matière ne peut pas entrer ou sortir, contrairement à l’énergie qui peut être échangée sous forme de chaleur ou de travail. La dernière option décrit un système isolé, pas fermé.

5. Pour un système comportant une entrée et une sortie, comment s’exprime la variation temporelle de sa masse ?

dmsysdt=m˙in×m˙out\frac{dm_{sys}}{dt}=\dot{m}_{in}\times\dot{m}_{out}
dmsysdt=m˙in+m˙out\frac{dm_{sys}}{dt}=\dot{m}_{in}+\dot{m}_{out}
dmsysdt=m˙in−m˙out\frac{dm_{sys}}{dt}=\dot{m}_{in}-\dot{m}_{out}
dmsysdt=m˙out−m˙in\frac{dm_{sys}}{dt}=\dot{m}_{out}-\dot{m}_{in}

$$\frac{dm_{sys}}{dt}=\dot{m}_{in}-\dot{m}_{out}$$

Explication

La masse du système augmente avec le débit entrant et diminue avec le débit sortant, d’où dmsysdt=m˙in−m˙out\frac{dm_{sys}}{dt}=\dot{m}_{in}-\dot{m}_{out}. Soustraire l’entrée de la sortie inverserait le bilan physique.

6. Quel est l'objectif principal de la conservation de la masse dans un système ouvert en thermodynamique?

Garder la masse totale du système inchangée en tout temps.
Maintenir la masse constante dans le système au fil du temps.
Faire en sorte que la masse entrante soit égale à la masse sortante en régime permanent.
Assurer que la somme des débits entrants et sortants est nulle.

Faire en sorte que la masse entrante soit égale à la masse sortante en régime permanent.

Explication

L'objectif de la conservation de la masse est que, en régime permanent, la masse entrante soit égale à la masse sortante, ce qui implique une absence d'accumulation de masse dans le système. La première option est incorrecte car la masse peut varier en régime transitoire, et la deuxième ne reflète pas la condition en régime permanent.

7. Dans un volume de contrôle en régime permanent avec plusieurs conduites, quelle relation relie les débits massiques ?

∑m˙in+∑m˙out=0\sum \dot{m}_{in}+\sum \dot{m}_{out}=0
∑m˙in=dmsysdt+∑m˙out\sum \dot{m}_{in}=\frac{d m_{sys}}{dt}+\sum \dot{m}_{out}
∑m˙in×∑m˙out=1\sum \dot{m}_{in}\times\sum \dot{m}_{out}=1
∑m˙in=∑m˙out\sum \dot{m}_{in}=\sum \dot{m}_{out}

$$\sum \dot{m}_{in}=\sum \dot{m}_{out}$$

Explication

En régime permanent, la masse contenue dans le système ne varie pas, donc la somme des débits entrants égale la somme des débits sortants. La relation avec un terme de variation de masse décrit plutôt un bilan général hors régime permanent.

8. Quand la conservation de la masse s'applique-t-elle dans un système ouvert en thermodynamique ?

Lorsque la masse à l'intérieur du système ne varie pas avec le temps.
Lorsque la masse totale du système reste constante au cours du temps.
Lorsque la masse entrant dans le système est égale à la masse sortante.
Lorsque la somme des débits massiques entrants et sortants est nulle.

Lorsque la masse entrant dans le système est égale à la masse sortante.

Explication

La conservation de la masse dans un système ouvert s'applique lorsque la masse totale du système ne change pas, ce qui implique que la masse entrant est égale à la masse sortante. La première option est incorrecte car elle concerne un système fermé, et la troisième ne concerne pas la masse mais d'autres propriétés.

9. En quoi un bilan d’énergie ouvert diffère-t-il d’un bilan d’énergie en régime fermé ?

Le bilan d’énergie ouvert prend en compte le transfert d’énergie par masse entrante et sortante, alors que le bilan fermé ne considère que les échanges avec l’extérieur sans flux de masse.
Le bilan d’énergie ouvert ne prend pas en compte la chaleur échangée, alors que le bilan fermé l’intègre.
Le bilan d’énergie ouvert ne considère pas le travail effectué par le système, contrairement au bilan fermé.
Le bilan d’énergie ouvert ne concerne que les systèmes en régime stationnaire, alors que le bilan fermé s’applique aussi aux systèmes transitoires.

Le bilan d’énergie ouvert prend en compte le transfert d’énergie par masse entrante et sortante, alors que le bilan fermé ne considère que les échanges avec l’extérieur sans flux de masse.

Explication

Le bilan d’énergie ouvert inclut le terme de l’énergie transportée par le flux de masse entrant et sortant, ce qui n’est pas le cas dans un bilan fermé où la masse reste constante. La différence principale réside dans la considération ou non du flux de masse à travers la frontière.

10. Qui est crédité de la formulation du principe selon lequel un écoulement est dit permanent lorsqu'aucune propriété ne varie dans le temps en un point donné de l’espace ?

Léon Brillouin
Claude-Louis Navier
Ludwig Prandtl
Léonard de Vinci

Léon Brillouin

Explication

Le concept d'écoulement permanent est attribué à Ludwig Prandtl, qui a grandement contribué à la mécanique des fluides. Les autres scientifiques ont travaillé dans des domaines différents ou n'ont pas formulé ce principe spécifique.

11. Quelles sont les principales causes de l'hypothèse selon laquelle un dispositif à écoulement permanent ne présente pas de variation de propriétés dans le temps ?

La nécessité d'un travail mécanique constant dans le dispositif.
La présence de variations rapides de la vitesse du fluide.
L'intervention de transferts thermiques importants avec l'extérieur.
L'absence d'accumulation de masse et d'énergie dans le système.

L'absence d'accumulation de masse et d'énergie dans le système.

Explication

L'hypothèse d'écoulement permanent repose sur l'absence d'accumulation de masse et d'énergie, ce qui implique que ces quantités restent constantes dans le temps. La présence de variations rapides ou de transferts thermiques significatifs remettrait en cause cette hypothèse.

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Qu'impose la frontière d'un système fermé à la masse ?

Elle est imperméable à la masse.

Système ouvert: définition

Perméable à la masse et à l’énergie.

Qu'est-ce qu'un système ouvert ?

Une région de l'espace avec frontière perméable à la masse et à l'énergie.

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