QCM : Bilan énergétique et thermodynamique (28 questions)

Questions et réponses du QCM

1. Quelle caractéristique définit un système thermodynamique isolé ?

Il échange de la matière, mais pas d’énergie avec le milieu extérieur.
Il n’échange pas de matière, mais peut échanger de l’énergie.
Il échange de la matière et de l’énergie avec le milieu extérieur.
Il n’échange ni matière ni énergie avec le milieu extérieur.

Il n’échange ni matière ni énergie avec le milieu extérieur.

Explication

Un système isolé ne reçoit ni ne cède de matière ou de transfert énergétique au milieu extérieur. Un système fermé, contrairement à un système isolé, peut échanger de l’énergie.

2. Un récipient ne laisse passer aucune matière, mais il peut recevoir de la chaleur ou du travail : comment classer ce système ?

Comme un système isolé, car l’absence d’échange de matière suffit à le caractériser.
Comme un système ouvert, car un transfert énergétique implique un échange de matière.
Comme un système isolé, car la chaleur et le travail ne franchissent pas sa frontière.
Comme un système fermé, car il peut échanger de l’énergie sans échanger de matière.

Comme un système fermé, car il peut échanger de l’énergie sans échanger de matière.

Explication

Un système fermé n’échange pas de matière avec l’extérieur, tout en pouvant recevoir de la chaleur ou du travail. L’absence d’échange de matière ne suffit pas à en faire un système isolé, qui n’échange pas non plus d’énergie.

3. Un dispositif laisse entrer et sortir de la matière et échange aussi de l’énergie avec son environnement. Quel type de système décrit-il ?

Un système fermé, qui peut échanger de l’énergie mais pas de matière.
Un système fermé, qui échange matière mais conserve son énergie.
Un système ouvert, qui peut échanger matière et énergie avec l’extérieur.
Un système isolé, qui ne peut échanger ni matière ni énergie avec l’extérieur.

Un système ouvert, qui peut échanger matière et énergie avec l’extérieur.

Explication

Un système ouvert peut échanger à la fois de la matière et de l’énergie avec le milieu extérieur. Un système fermé peut échanger de l’énergie, mais pas de matière.

4. Que peut-on dire des grandeurs intensives pendant une transformation brutale ?

Elles ne sont pas définies pendant l’évolution, car le système ne passe pas par une succession d’états d’équilibre.
Elles sont définies seulement à l’état final, tandis que les conditions extérieures restent inchangées.
Elles sont définies à chaque instant, car le système passe par des états d’équilibre successifs.
Elles restent constantes pendant l’évolution, même si les conditions imposées changent brusquement.

Elles ne sont pas définies pendant l’évolution, car le système ne passe pas par une succession d’états d’équilibre.

Explication

Dans une transformation brutale, les conditions imposées changent brusquement et les grandeurs intensives du système ne sont pas définies pendant l’évolution. Le passage par des états d’équilibre successifs caractérise plutôt une transformation quasi statique.

5. Quelle propriété caractérise une transformation quasi statique ?

Le système échange de l’énergie avec un thermostat à température variable pendant l’évolution.
Le système conserve son volume, ce qui permet de définir ses grandeurs intensives à tout instant.
Les conditions imposées changent brusquement, ce qui rend les grandeurs intensives indéfinies pendant l’évolution.
Le système traverse des états d’équilibre, ce qui permet de définir ses grandeurs intensives tout au long de l’évolution.

Le système traverse des états d’équilibre, ce qui permet de définir ses grandeurs intensives tout au long de l’évolution.

Explication

Une transformation quasi statique fait passer le système par des états d’équilibre, rendant ses grandeurs intensives définissables tout au long de l’évolution. Une transformation brutale, au contraire, ne permet pas de définir ces grandeurs pendant l’évolution.

6. Quelle association décrit correctement les conditions d’une transformation isotherme et d’une transformation isobare ?

Isotherme : quasi statique et monobare ; isobare : quasi statique et monotherme.
Isotherme : quasi statique et isochore ; isobare : quasi statique et monotherme.
Isotherme : brutale et monotherme ; isobare : brutale et monobare.
Isotherme : quasi statique et monotherme ; isobare : quasi statique et monobare.

Isotherme : quasi statique et monotherme ; isobare : quasi statique et monobare.

Explication

Une transformation isotherme est à la fois quasi statique et monotherme, tandis qu’une transformation isobare est quasi statique et monobare. Monotherme et monobare ne désignent donc pas la même condition extérieure.

7. Au cours d’une évolution, le volume du système reste constant : quelle description est correcte, qu’importe si l’évolution est brutale ou quasi statique ?

C’est une transformation isobare, car le volume demeure constant.
C’est une transformation isotherme, car le volume demeure constant.
C’est une transformation monotherme, car le volume demeure constant.
C’est une transformation isochore, car le volume demeure constant.

C’est une transformation isochore, car le volume demeure constant.

Explication

Une transformation isochore se déroule à volume constant, qu’elle soit brutale ou quasi statique. Une transformation isotherme concerne une condition de température, et non la constance du volume.

8. Un gaz reçoit un travail de pression pendant une compression, donc son volume diminue. Quel signe prend le travail élémentaire reçu ?

Il est positif, car dV<0dV<0 dans δWP=−Pext dV\delta W_P=-P_{\mathrm{ext}}\,dV.
Il dépend seulement de la pression intérieure, et son signe ne dépend pas de dVdV.
Il est négatif, car dV<0dV<0 dans δWP=−Pext dV\delta W_P=-P_{\mathrm{ext}}\,dV.
Il est nul, car la pression extérieure ne varie pas pendant la compression.

Il est positif, car $$dV<0$$ dans $$\delta W_P=-P_{\mathrm{ext}}\,dV$$.

Explication

Comme dV<0dV<0 pendant une compression, l’expression δWP=−Pext dV\delta W_P=-P_{\mathrm{ext}}\,dV donne un travail reçu positif. Lors d’une augmentation de volume, le travail reçu est au contraire négatif.

9. Comment exprimer le travail des forces de pression reçu entre les volumes VAV_A et VBV_B lorsque la pression extérieure peut varier au cours de l’évolution ?

WA→B=−Pext(VB−VA)W_{A\to B}=-P_{\mathrm{ext}}(V_B-V_A)
WA→B=∫VAVBPext dVW_{A\to B}=\int_{V_A}^{V_B}P_{\mathrm{ext}}\,dV
WA→B=∫VBVA−Pext dVW_{A\to B}=\int_{V_B}^{V_A}-P_{\mathrm{ext}}\,dV
WA→B=∫VAVB−Pext dVW_{A\to B}=\int_{V_A}^{V_B}-P_{\mathrm{ext}}\,dV

$$W_{A\to B}=\int_{V_A}^{V_B}-P_{\mathrm{ext}}\,dV$$

Explication

Le travail reçu entre deux états s’obtient en intégrant −Pext dV-P_{\mathrm{ext}}\,dV de VAV_A à VBV_B. L’expression avec une pression constante multipliée par la variation de volume convient au cas monobare, pas à une pression extérieure variable.

10. Pourquoi le travail des forces de pression est-il nul au cours d’une transformation isochore ?

Parce que la pression extérieure est nulle pendant toute l’évolution.
Parce que le système ne reçoit aucun transfert thermique pendant l’évolution.
Parce que le volume ne varie pas, donc dV=0dV=0 dans le travail élémentaire.
Parce que le travail de pression est nul dès que la pression reste constante.

Parce que le volume ne varie pas, donc $$dV=0$$ dans le travail élémentaire.

Explication

Le travail élémentaire de pression est proportionnel à la variation de volume, qui est nulle dans une transformation isochore. Une pression constante ne suffit pas à annuler le travail si le volume varie.

11. Pour une transformation quasi statique de A vers B, quelle expression donne le travail des forces de pression reçu par le système ?

WA→B=PBVB−PAVAW_{A\to B}=P_BV_B-P_AV_A
WA→B=∫VAVB−P dVW_{A\to B}=\int_{V_A}^{V_B}-P\,dV
WA→B=∫VAVBP dVW_{A\to B}=\int_{V_A}^{V_B}P\,dV
WA→B=∫PAPB−V dPW_{A\to B}=\int_{P_A}^{P_B}-V\,dP

$$W_{A\to B}=\int_{V_A}^{V_B}-P\,dV$$

Explication

Le travail reçu s’obtient en intégrant −P dV-P\,dV entre les volumes initial et final. L’intégrale de P dVP\,dV sans le signe moins correspondrait à la convention de signe opposée.

12. Dans un diagramme de Watt, comment interpréter le travail reçu lorsque le volume d’un système augmente ?

Il est égal à l’aire sous la courbe P(V)P(V).
Il est nul dès que la pression varie au cours de la transformation.
Il est égal à la variation de pression multipliée par le volume final.
Il est égal à l’opposé de l’aire sous la courbe P(V)P(V).

Il est égal à l’opposé de l’aire sous la courbe $$P(V)$$.

Explication

Lors d’une augmentation de volume, le travail reçu correspond à l’opposé de l’aire sous la courbe P(V)P(V). L’aire elle-même représente le travail reçu lors d’une diminution de volume.

13. Dans un solide où l’énergie thermique se transmet sans déplacement global de matière, quel mécanisme est à l’œuvre ?

La détente, par expansion du matériau vers une région plus froide.
Le rayonnement, par émission d’ondes nécessitant des particules voisines.
La convection, par déplacement d’un fluide chaud dans le solide.
La conduction, par interactions de proche en proche entre particules.

La conduction, par interactions de proche en proche entre particules.

Explication

La conduction transmet l’énergie de proche en proche par les interactions entre particules et tend à homogénéiser la température. La convection, contrairement à ce mécanisme, est associée au déplacement de matière dans un fluide.

14. Comment l’énergie peut-elle être transférée entre deux objets séparés par le vide ?

Par contact thermique, grâce à la propagation des particules matérielles.
Par rayonnement électromagnétique, qui ne nécessite pas de milieu matériel.
Par conduction, grâce aux chocs entre particules du vide.
Par convection, grâce au déplacement d’un fluide entre les objets.

Par rayonnement électromagnétique, qui ne nécessite pas de milieu matériel.

Explication

Le rayonnement électromagnétique transporte de l’énergie sans nécessiter de milieu matériel. La convection exige un fluide en mouvement, et la conduction repose sur des interactions entre particules.

15. Dans une pièce, de l’air chauffé monte et de l’air plus froid descend : quel transfert thermique ce mouvement illustre-t-il ?

Le rayonnement, transporté sans déplacement de matière par des ondes.
La convection, associée au déplacement d’un fluide.
L’adiabaticité, caractérisée par l’absence de transfert thermique.
La conduction, transmise de proche en proche sans mouvement de matière.

La convection, associée au déplacement d’un fluide.

Explication

La convection est un transfert thermique associé au déplacement de matière et nécessite un fluide en mouvement. La conduction peut transmettre de l’énergie sans mouvement global de matière, ce qui ne décrit pas l’air qui circule.

16. Quelle condition caractérise une transformation adiabatique d’un système ?

Des parois conductrices maintiennent la température du système constante.
Des parois calorifugées empêchent les échanges thermiques avec l’environnement.
Un rayonnement établit l’équilibre thermique entre le système et l’environnement.
Un fluide en mouvement transporte la chaleur entre le système et l’extérieur.

Des parois calorifugées empêchent les échanges thermiques avec l’environnement.

Explication

Une transformation adiabatique se déroule avec des parois calorifugées et sans transfert thermique entre le système et son environnement. Le maintien d’une température constante n’est pas la définition de l’adiabaticité.

17. Pour un système fermé de composition constante, quelle relation exprime globalement le premier principe ?

Δ(EC,macro+U)=Q−∑iWi\Delta(E_{C,\mathrm{macro}}+U)=Q-\sum_i W_i
Δ(EC,macro+U)=Q\Delta(E_{C,\mathrm{macro}}+U)=Q
Δ(EC,macro+U)=Q+∑iWi\Delta(E_{C,\mathrm{macro}}+U)=Q+\sum_i W_i
Δ(EC,macro+U)=∑iWi\Delta(E_{C,\mathrm{macro}}+U)=\sum_i W_i

$$\Delta(E_{C,\mathrm{macro}}+U)=Q+\sum_i W_i$$

Explication

Le premier principe relie la variation de l’énergie cinétique macroscopique et de l’énergie interne à la chaleur reçue et à la somme des travaux reçus. L’expression qui ne conserve que QQ omet la contribution des travaux.

18. Un piston est actionné par une force observable à l’échelle macroscopique : quel type de transfert énergétique cette action réalise-t-elle ?

Un travail thermodynamique, issu d’une action macroscopique.
Un rayonnement thermique, issu d’une émission électromagnétique.
Un transfert thermique, issu d’interactions microscopiques entre particules.
Une conduction, issue d’échanges de proche en proche dans la matière.

Un travail thermodynamique, issu d’une action macroscopique.

Explication

Un travail thermodynamique résulte d’une action observable à l’échelle macroscopique, comme un travail de pression ou mécanique. Un transfert thermique, à l’inverse, correspond à un transfert d’énergie à l’échelle microscopique.

19. Dans un système fermé, quel transfert d’énergie reçu par le système relève de l’échelle microscopique ?

Un travail mécanique, dû au déplacement macroscopique d’une force.
Un transfert thermique, notamment par conduction ou rayonnement.
Un travail de pression, dû à la variation macroscopique du volume.
Un travail électrocinétique, dû à une action macroscopique du circuit.

Un transfert thermique, notamment par conduction ou rayonnement.

Explication

Un transfert thermique correspond à un apport d’énergie à l’échelle microscopique, notamment par conduction ou rayonnement. Le travail mécanique ou de pression résulte plutôt d’une action observable à l’échelle macroscopique.

20. Un système reçoit un transfert thermique pendant une transformation : cette transformation peut-elle être adiabatique ?

Non, car une transformation adiabatique exige que le travail soit nul.
Oui, si le transfert thermique reçu est compensé par un travail.
Non, car une transformation adiabatique vérifie Q=0Q=0.
Oui, si le système conserve la même température pendant l’échange.

Non, car une transformation adiabatique vérifie $$Q=0$$.

Explication

Dans une transformation adiabatique, le transfert thermique reçu est nul, soit Q=0Q=0. La compensation d’un apport thermique par un travail ne rend pas la transformation adiabatique.

21. Quelle expression définit l’enthalpie d’un système, et dans quelle unité s’exprime-t-elle ?

H=U+PVH=U+PV, en joules
H=U+PVH=U+PV, en watts
H=U+PTH=U+PT, en joules
H=U−PVH=U-PV, en joules

$$H=U+PV$$, en joules

Explication

L’enthalpie est une fonction d’état définie par H=U+PVH=U+PV et son unité est le joule. L’expression avec U−PVU-PV change le signe du terme de pression et ne correspond pas à cette définition.

22. Un système passe d’un état A à un état B lors d’une transformation monobare, avec seul travail de pression et équilibre mécanique avec l’extérieur aux deux états. Quelle relation donne la chaleur reçue ?

QA→B=HB−HAQ_{A\to B}=H_B-H_A
QA→B=HA−HBQ_{A\to B}=H_A-H_B
QA→B=UB−UAQ_{A\to B}=U_B-U_A
QA→B=PBVB−PAVAQ_{A\to B}=P_BV_B-P_AV_A

$$Q_{A\to B}=H_B-H_A$$

Explication

Dans ces conditions, la chaleur reçue est égale à la variation d’enthalpie entre les états final et initial. La variation d’énergie interne intervient dans le premier principe général, mais ne remplace pas ici la relation monobare pour la chaleur.

23. Comment définit-on la capacité thermique à pression constante, et quelle est son unité ?

CP=(∂U∂T)VC_P=\left(\frac{\partial U}{\partial T}\right)_V, en J K−1\mathrm{J\,K^{-1}}
CP=(∂H∂T)PC_P=\left(\frac{\partial H}{\partial T}\right)_P, en J K−1\mathrm{J\,K^{-1}}
CP=(∂T∂H)PC_P=\left(\frac{\partial T}{\partial H}\right)_P, en J K−1\mathrm{J\,K^{-1}}
CP=(∂H∂P)TC_P=\left(\frac{\partial H}{\partial P}\right)_T, en J K−1\mathrm{J\,K^{-1}}

$$C_P=\left(\frac{\partial H}{\partial T}\right)_P$$, en $$\mathrm{J\,K^{-1}}$$

Explication

À pression constante, la capacité thermique est la dérivée de l’enthalpie par rapport à la température et s’exprime en joules par kelvin. La dérivée de l’énergie interne à volume constant définit plutôt la capacité thermique à volume constant.

24. Pour un échauffement infinitésimal à pression constante, quelle expression relie la variation d’enthalpie à la température pour un échantillon de masse mm ?

dH=mcP dTdH=mc_P\,dT
dH=P dVdH=P\,dV
dH=mcV dTdH=mc_V\,dT
dH=mcP dTdH=\frac{m}{c_P}\,dT

$$dH=mc_P\,dT$$

Explication

À pression constante, la variation d’enthalpie peut s’écrire dH=mcP dTdH=mc_P\,dT, ou de façon équivalente avec la capacité molaire et la quantité de matière. L’emploi de cVc_V correspond à une capacité définie à volume constant, et non à cette relation.

25. Pour un gaz parfait, que représentent respectivement la relation de Mayer et le rapport γ\gamma ?

La différence CP,m−CV,m=RC_{P,m}-C_{V,m}=R et le rapport γ=CV,mCP,m\gamma=\frac{C_{V,m}}{C_{P,m}}
La différence CP,m−CV,m=RC_{P,m}-C_{V,m}=R et le rapport γ=CP,mCV,m\gamma=\frac{C_{P,m}}{C_{V,m}}
Le rapport CP,m−CV,m=RC_{P,m}-C_{V,m}=R et la différence γ=CP,mCV,m\gamma=\frac{C_{P,m}}{C_{V,m}}
La somme CP,m+CV,m=RC_{P,m}+C_{V,m}=R et le rapport γ=CP,mCV,m\gamma=\frac{C_{P,m}}{C_{V,m}}

La différence $$C_{P,m}-C_{V,m}=R$$ et le rapport $$\gamma=\frac{C_{P,m}}{C_{V,m}}$$

Explication

La relation de Mayer fixe la différence entre les capacités molaires à pression et à volume constants à la constante des gaz parfaits, tandis que γ\gamma est leur rapport dans l’ordre CP,m/CV,mC_{P,m}/C_{V,m}. L’inversion du rapport donnerait une autre grandeur que le coefficient adiabatique défini ici.

26. Dans une détente de Joule-Thomson stationnaire sans transfert thermique ni travail actif, et en négligeant les variations d’énergie cinétique, quelle grandeur du fluide se conserve ?

Le volume
L’énergie cinétique
L’énergie interne
L’enthalpie

L’enthalpie

Explication

Dans les conditions indiquées, la détente de Joule-Thomson conserve l’enthalpie du fluide. La conservation de l’énergie interne caractérise plutôt la détente de Joule-Gay-Lussac, ce qui constitue une distinction entre les deux transformations.

27. Un gaz parfait subit une transformation adiabatique quasi statique. Quelle relation de Laplace peut-on utiliser pour relier sa pression et son volume ?

P1−γTγ=constanteP^{1-\gamma}T^\gamma=\mathrm{constante}
Vγ−1T=0V^{\gamma-1}T=0
PVγ=constantePV^\gamma=\mathrm{constante}
PV=constantePV=\mathrm{constante}

$$PV^\gamma=\mathrm{constante}$$

Explication

Pour une transformation adiabatique quasi statique d’un gaz parfait, l’une des relations de Laplace est PVγ=constantePV^\gamma=\mathrm{constante}. La relation faisant intervenir PP et TT est également une relation de Laplace, mais elle ne relie pas directement la pression au volume comme le demande la question.

28. Comment définit-on l’enthalpie molaire de vaporisation d’un corps pur aux conditions de changement de phase ?

Par la différence entre l’enthalpie molaire de la vapeur et celle du liquide
Par le rapport entre l’enthalpie molaire de la vapeur et celle du liquide
Par la somme des enthalpies molaires de la vapeur et du liquide
Par la différence entre l’enthalpie molaire du liquide et celle du solide

Par la différence entre l’enthalpie molaire de la vapeur et celle du liquide

Explication

Cette grandeur compare l’enthalpie molaire de la phase vapeur à celle de la phase liquide. La différence entre liquide et solide correspond plutôt à l’enthalpie molaire de fusion.

Révisez avec les flashcards

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Qu’est-ce qu’un système isolé n’échange pas avec le milieu extérieur ?

Ni matière ni énergie.

Qu’est-ce qu’un système fermé n’échange pas avec le milieu extérieur ?

De la matière.

Quels transferts un système fermé peut-il recevoir ?

Des transferts thermiques ou du travail.

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