QCM : Énergie et thermodynamique — 17 questions

Questions et réponses du QCM

1. Quelle caractéristique décrit l’échelle macroscopique de la matière ?

Les phénomènes y concernent des volumes proches de 10−6 m10^{-6}\ \text{m}
La matière y paraît dispersée à la taille des molécules
Les particules y sont observées autour de 10−10 m10^{-10}\ \text{m}
La matière y paraît continue à des dimensions perceptibles

La matière y paraît continue à des dimensions perceptibles

Explication

L’échelle macroscopique concerne les dimensions perceptibles, où la matière paraît continue. L’échelle moléculaire et les ordres de grandeur proposés dans les autres réponses relèvent d’échelles plus petites.

2. À quelle échelle les atomes et les molécules sont-ils principalement étudiés, avec une taille caractéristique proche de 10−10 m10^{-10}\ \text{m} ?

À l’échelle perceptible
À l’échelle mésoscopique
À l’échelle microscopique
À l’échelle macroscopique

À l’échelle microscopique

Explication

L’échelle microscopique correspond typiquement à la taille des atomes et des molécules, autour de 10−10 m10^{-10}\ \text{m}. L’échelle macroscopique concerne au contraire les dimensions directement perceptibles.

3. Qu’est-ce qui définit un système thermodynamique ?

Une particule isolée dont la trajectoire est suivie dans le milieu extérieur
Un ensemble de paramètres décrivant la température et la pression sans matière
Un volume perceptible dont la matière est considérée comme parfaitement continue
Un ensemble matériel contenant un très grand nombre de particules et délimité par une paroi

Un ensemble matériel contenant un très grand nombre de particules et délimité par une paroi

Explication

Un système thermodynamique contient un très grand nombre de particules et est séparé de son environnement par une frontière réelle ou fictive. Une particule étudiée isolément ne constitue pas la définition générale d’un tel système.

4. Quel échange caractérise un système fermé ?

Il échange de la matière sans transfert d’énergie avec son environnement
Il n’échange ni matière ni énergie avec son environnement
Il échange de la matière et de l’énergie avec son environnement
Il échange de l’énergie avec son environnement, sans échange de matière

Il échange de l’énergie avec son environnement, sans échange de matière

Explication

Un système fermé peut échanger de l’énergie, mais pas de matière, avec son environnement. Un système ouvert échange les deux, tandis qu’un système isolé n’effectue aucun de ces échanges.

5. Quelle distinction oppose correctement le micro-état et le macro-état d’un système ?

Le micro-état concerne les échanges externes, tandis que le macro-état définit la frontière du système
Le micro-état détaille chaque particule, tandis que le macro-état décrit un comportement moyen
Le micro-état indique les paramètres d’état, tandis que le macro-état donne la trajectoire de chaque particule
Le micro-état décrit une moyenne globale, tandis que le macro-état détaille chaque particule

Le micro-état détaille chaque particule, tandis que le macro-état décrit un comportement moyen

Explication

Le micro-état précise la position et la vitesse de chaque particule, alors que le macro-état utilise un nombre limité de paramètres pour caractériser le comportement moyen. Les autres réponses inversent ou confondent ces niveaux de description.

6. La pression d’un gaz reste la même lorsqu’on agrandit le système en lui associant une autre portion identique. De quel type de paramètre s’agit-il ?

D’un paramètre intensif, indépendant de l’étendue du système
D’un paramètre extensif, proportionnel au nombre de frontières du système
D’un paramètre microscopique, défini par la vitesse de chaque particule
D’un paramètre extensif, obtenu par addition entre les portions

D’un paramètre intensif, indépendant de l’étendue du système

Explication

Un paramètre intensif ne dépend pas de l’étendue du système et est défini en tout point, comme la pression. Un paramètre extensif est au contraire additif et varie avec la taille du système.

7. Quelle équation d’état caractérise un gaz parfait à l’échelle macroscopique ?

PV=nRTPV=nRT
P+V=nRTP+V=nRT
PV=RT+nPV=RT+n
P=n+RVTP= n+RVT

$$PV=nRT$$

Explication

Le modèle macroscopique du gaz parfait est défini par la relation PV=nRTPV=nRT. Les autres expressions ne correspondent pas à l’équation d’état des gaz parfaits.

8. Quelles grandeurs et unités sont correctement associées dans l’équation PV=nRTPV=nRT ?

PP en pascals, VV en mètres cubes, nn en moles et TT en kelvins
PP en joules, VV en moles, nn en mètres cubes et TT en pascals
PP en mètres cubes, VV en pascals, nn en kelvins et TT en moles
PP en moles, VV en kelvins, nn en pascals et TT en mètres cubes

$$P$$ en pascals, $$V$$ en mètres cubes, $$n$$ en moles et $$T$$ en kelvins

Explication

Dans cette équation, la pression s’exprime en pascals, le volume en mètres cubes, la quantité de matière en moles et la température en kelvins. La constante utilisée est alors R=8,32 J⋅K−1⋅mol−1R=8,32\ \text{J·K}^{-1}\text{·mol}^{-1}.

9. Quelle hypothèse décrit le modèle microscopique d’un gaz parfait ?

Les particules sont ponctuelles et n’interagissent pas en dehors de chocs élastiques
Les particules possèdent un volume important et s’attirent continuellement
Les particules échangent de l’énergie par des interactions permanentes à distance
Les particules restent immobiles et occupent des positions fixes dans le volume

Les particules sont ponctuelles et n’interagissent pas en dehors de chocs élastiques

Explication

Le modèle du gaz parfait considère des particules de volume négligeable, sans interaction hors des chocs élastiques. Les interactions permanentes et le volume propre important caractérisent plutôt les limites d’un modèle réel.

10. Dans quelle situation un gaz réel peut-il être assimilé au modèle du gaz parfait ?

À faible pression, lorsque les effets des interactions deviennent négligeables
À forte pression, lorsque les particules occupent une grande partie du volume
À température quelconque, lorsque les particules restent fortement rapprochées
À pression élevée, lorsque les interactions entre particules dominent le comportement

À faible pression, lorsque les effets des interactions deviennent négligeables

Explication

À faible pression, un gaz réel peut être considéré comme parfait, car les effets liés aux interactions et au volume propre deviennent moins importants. À forte pression, ces effets peuvent au contraire limiter cette approximation.

11. Quelle description correspond à l’énergie interne d’un système thermodynamique ?

La somme des énergies cinétique et potentielle microscopiques
La somme de l’énergie mécanique et de la chaleur échangée
L’énergie potentielle macroscopique due à la position du système
L’énergie cinétique du mouvement global du système

La somme des énergies cinétique et potentielle microscopiques

Explication

L’énergie interne regroupe les contributions cinétique et potentielle associées aux constituants microscopiques du système. Le mouvement global du système relève de son énergie macroscopique et n’est pas inclus dans cette définition.

12. Quelle relation définit la capacité thermique à volume constant ?

CV=(dUdV)T=constanteC_V=\left(\frac{dU}{dV}\right)_{T=\text{constante}}
CV=(dUdT)V=constanteC_V=\left(\frac{dU}{dT}\right)_{V=\text{constante}}
CV=(dVdT)U=constanteC_V=\left(\frac{dV}{dT}\right)_{U=\text{constante}}
CV=(dTdU)V=constanteC_V=\left(\frac{dT}{dU}\right)_{V=\text{constante}}

$$C_V=\left(\frac{dU}{dT}\right)_{V=\text{constante}}$$

Explication

La capacité thermique à volume constant mesure la variation de l’énergie interne par rapport à la température lorsque le volume reste constant. Une dérivée par rapport au volume ou l’inversion des grandeurs décrit une autre relation physique.

13. Un gaz parfait est chauffé sans changer de volume. Quelle conclusion décrit correctement l’évolution de son énergie interne ?

Elle reste constante parce que le volume ne varie pas
Elle dépend principalement de la pression imposée par le récipient
Elle diminue parce que l’énergie potentielle microscopique est nulle
Elle augmente parce que l’énergie interne dépend de la température

Elle augmente parce que l’énergie interne dépend de la température

Explication

Pour un gaz parfait, l’énergie potentielle microscopique est nulle et l’énergie interne dépend uniquement de la température ; un chauffage l’augmente donc. Le volume constant ne suffit pas à maintenir l’énergie interne constante.

14. Un gaz parfait monoatomique contenant nn moles passe d’une température T1T_1 à une température T2T_2. Quelle expression donne sa variation d’énergie interne ?

ΔU=32nR(T2−T1)\Delta U=\frac{3}{2}nR(T_2-T_1)
ΔU=52nR(T2−T1)\Delta U=\frac{5}{2}nR(T_2-T_1)
ΔU=32R(T2−T1)\Delta U=\frac{3}{2}R(T_2-T_1)
ΔU=23nR(T2−T1)\Delta U=\frac{2}{3}nR(T_2-T_1)

$$\Delta U=\frac{3}{2}nR(T_2-T_1)$$

Explication

Pour un gaz parfait monoatomique, la capacité thermique à volume constant vaut CV=32nRC_V=\frac{3}{2}nR, donc ΔU=CVΔT=32nR(T2−T1)\Delta U=C_V\Delta T=\frac{3}{2}nR(T_2-T_1). Le coefficient 52\frac{5}{2} correspond au gaz parfait diatomique, tandis que l’absence de nn est incorrecte pour une quantité de matière variable.

15. Dans quelle situation un système est-il à l’équilibre thermodynamique ?

Sa pression est constante, même si le système échange encore de la matière
Ses variables d’état sont uniformes et constantes, sans échanges avec l’environnement
Ses parois sont immobiles, alors que des échanges d’énergie persistent avec l’extérieur
Sa température est uniforme, même si ses variables d’état varient avec le temps

Ses variables d’état sont uniformes et constantes, sans échanges avec l’environnement

Explication

L’équilibre thermodynamique exige des variables d’état uniformes et constantes ainsi que l’absence d’échange d’énergie ou de matière avec l’environnement. Une température uniforme ou une paroi immobile caractérise seulement un aspect particulier de l’équilibre.

16. Deux systèmes séparés atteignent l’équilibre thermique lorsque quelle condition est satisfaite ?

Ils exercent la même pression sur la paroi qui les sépare
Ils cessent d’échanger toute forme d’énergie et de matière
Leur paroi séparatrice devient immobile et ne se déforme plus
Ils ont la même température, uniforme et constante dans chacun d’eux

Ils ont la même température, uniforme et constante dans chacun d’eux

Explication

L’équilibre thermique correspond à une température uniforme et constante, identique dans les deux systèmes. Une paroi immobile relève de l’équilibre mécanique, tandis que l’absence de tout échange caractérise une condition plus générale.

17. Quelle affirmation décrit correctement l’équilibre mécanique entre deux systèmes séparés par une paroi ?

La surface qui les sépare est immobile, sans imposer l’égalité de leurs pressions
Les deux systèmes ont la même température, tandis que la paroi peut encore bouger
Les deux systèmes ont nécessairement la même pression et la même température
La paroi laisse passer les transferts thermiques, ce qui égalise leurs températures

La surface qui les sépare est immobile, sans imposer l’égalité de leurs pressions

Explication

L’équilibre mécanique signifie que la paroi séparatrice est immobile ; cette condition n’impose pas nécessairement l’égalité des pressions. La même température relève de l’équilibre thermique, et une paroi laissant passer la chaleur décrit une paroi diatherme.

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Quelles dimensions caractérisent l'échelle macroscopique ?

Des dimensions perceptibles de l'ordre de 10³ mètres ou plus.

Comment la matière paraît-elle à l'échelle macroscopique ?

La matière paraît continue.

Quelle est la taille typique à l'échelle microscopique ?

De l'ordre de 10−10 m10^{-10}\ \text{m}, la taille des atomes ou molécules.

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