QCM : Fondements de thermodynamique (11 questions)

Questions et réponses du QCM

1. Dans un dispositif, l’énergie électrique est convertie en énergie thermique et en travail mécanique. Quelle interprétation respecte la première loi de la thermodynamique ?

L’énergie reste entièrement sous forme électrique.
L’énergie totale diminue, car une partie devient chaleur.
L’énergie est conservée, mais change de forme.
L’énergie totale augmente, car du travail est produit.

L’énergie est conservée, mais change de forme.

Explication

La première loi énonce la conservation de l’énergie : elle ne peut être ni créée ni détruite, mais peut être convertie. L’augmentation liée au travail confond conversion et création, la diminution liée à la chaleur confond conversion et destruction, et le maintien sous forme électrique nie la conversion décrite.

2. Une équipe étudie l’eau contenue dans un réservoir et trace une limite autour de cette eau pour la distinguer de l’environnement. Que représente l’eau délimitée dans cette étude ?

Une région d’espace exclue de l’étude de la matière.
Un système thermodynamique étudié et séparé de l’extérieur par une frontière.
Une frontière matérielle épaisse incluse dans la matière examinée.
Le milieu extérieur qui entoure la matière examinée.

Un système thermodynamique étudié et séparé de l’extérieur par une frontière.

Explication

Un système thermodynamique est la quantité de matière ou la région de l’espace étudiée, séparée du milieu extérieur par une frontière sans épaisseur. Le milieu extérieur est ce qui entoure le système, la frontière n’a pas d’épaisseur, et le système peut être une quantité de matière aussi bien qu’une région de l’espace.

3. On divise un échantillon homogène en deux portions égales. Comment évoluent la température et la masse totale de chaque portion par rapport à l’échantillon initial ?

La température est divisée par deux et la masse reste inchangée.
La température et la masse restent toutes deux inchangées.
La température et la masse sont toutes deux divisées par deux.
La température reste inchangée et la masse est divisée par deux.

La température reste inchangée et la masse est divisée par deux.

Explication

La température est une variable intensive, indépendante de la masse, tandis que la masse est une variable extensive qui varie proportionnellement à la quantité de matière. Diviser la température par deux applique à tort la règle des variables extensives; conserver la masse confond celle-ci avec une variable intensive.

4. Un piston est comprimé lentement, de sorte que les variables thermodynamiques restent réparties uniformément dans le système pendant la compression. De quel type d’évolution s’agit-il ?

Une évolution quasi statique.
Un état thermodynamique immobile.
Une évolution sans changement des variables.
Une évolution fortement non uniforme.

Une évolution quasi statique.

Explication

Une évolution quasi statique est suffisamment lente pour que les variables thermodynamiques changent uniformément dans l’espace. Une évolution fortement non uniforme s’oppose à cette répartition; un état immobile ou sans changement confond une évolution lente avec l’absence d’évolution.

5. Comment définit-on la chaleur en thermodynamique ?

Un transfert d’énergie qui accompagne le déplacement d’une frontière sous l’action d’une force
Un transfert d’énergie entre deux milieux causé par une différence de température
Une énergie stockée dans les liaisons entre atomes et molécules
Une énergie macroscopique directement convertible en travail mécanique par une machine idéale

Un transfert d’énergie entre deux milieux causé par une différence de température

Explication

La chaleur désigne l’énergie transférée entre deux milieux en raison d’une différence de température. Le déplacement d’une frontière sous l’action d’une force correspond plutôt à un travail de frontière.

6. Quelle relation donne le travail mécanique lorsque la force varie au cours du déplacement ?

Le rapport du déplacement à la force moyenne
L’intégrale de la force par rapport au déplacement
Le produit de la force finale par le déplacement total
La variation de l’énergie potentielle du système

L’intégrale de la force par rapport au déplacement

Explication

Lorsque la force varie, le travail se calcule en intégrant la force le long du déplacement. Le produit d’une force par le déplacement correspond au cas où la force est constante.

7. Quel est le rôle du premier principe dans l’analyse énergétique d’un système ?

Déterminer le sens spontané des transferts de chaleur entre deux milieux.
Prédire les propriétés d’équilibre à partir de deux variables intensives indépendantes.
Établir que la variation d’énergie correspond à l’énergie entrante moins l’énergie sortante.
Mesurer la dégradation de la qualité de l’énergie au cours d’une évolution.

Établir que la variation d’énergie correspond à l’énergie entrante moins l’énergie sortante.

Explication

Le premier principe sert à établir un bilan fondé sur la conservation de l’énergie : la variation du système dépend des énergies qui entrent et qui sortent. Le sens spontané d’un transfert thermique relève du deuxième principe, et non du bilan énergétique.

8. Un appareil consomme 500 kJ d’énergie et en fournit 350 kJ sous la forme recherchée. Quel est son rendement énergétique ?

150 %
70 %
85 %
30 %

70 %

Explication

Le rendement est le rapport de l’énergie utile à l’énergie consommée, soit 350/500 = 70 %. La valeur de 30 % correspond à la part non convertie en énergie utile, et non au rendement.

9. Quelle différence distingue la température de saturation de la pression de saturation lors d’un changement liquide-vapeur ?

La première est déterminée par le titre du mélange, tandis que la seconde dépend de son volume total.
La première caractérise le liquide saturé, tandis que la seconde caractérise uniquement la vapeur saturée.
La première est la température à laquelle le changement de phase se produit, tandis que la seconde est la pression à laquelle il se produit.
La première indique la quantité de liquide dans le mélange, tandis que la seconde indique la quantité de vapeur.

La première est la température à laquelle le changement de phase se produit, tandis que la seconde est la pression à laquelle il se produit.

Explication

La température et la pression de saturation désignent respectivement les valeurs de température et de pression auxquelles se produit le changement de phase liquide-vapeur. Le titre décrit plutôt la proportion de vapeur dans un mélange saturé, et non la température de saturation.

10. Pourquoi, lors d’une évolution isotherme d’un gaz parfait, l’énergie interne ne varie-t-elle pas ?

Parce que le gaz parfait ne peut échanger ni chaleur ni travail.
Parce que la pression demeure constante et empêche tout échange d’énergie.
Parce que le titre du mélange reste compris entre zéro et un.
Parce que l’énergie interne dépend uniquement de la température, qui reste constante.

Parce que l’énergie interne dépend uniquement de la température, qui reste constante.

Explication

Dans le modèle du gaz parfait, l’énergie interne est fonction de la température seule ; une température constante implique donc une variation d’énergie interne nulle. Une évolution isotherme n’empêche toutefois pas les échanges de chaleur ou de travail, contrairement à ce que suggère un distracteur.

11. Pour calculer le travail de frontière d’un système fermé entre deux volumes, quelle démarche faut-il appliquer lorsque la pression varie pendant l’évolution ?

Utiliser la variation d’énergie interne sans tenir compte du parcours.
Multiplier la pression initiale par la variation totale de volume.
Intégrer −P-P par rapport au volume entre les états initial et final.
Intégrer la température par rapport au volume entre les deux états.

Intégrer $$-P$$ par rapport au volume entre les états initial et final.

Explication

Le travail de frontière se calcule par W=∫12−P dVW=\int_1^2 -P\,dV, ce qui tient compte des variations de pression au fil du parcours. Multiplier la pression initiale par la variation de volume ne convient que dans des conditions particulières, notamment lorsque la pression reste constante.

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Quelles sont les deux bases de la thermodynamique ?

L’observation expérimentale et l’étude de l’énergie.

Que peut échanger un système fermé avec son milieu extérieur ?

De l’énergie sous forme de chaleur ou de travail.

Qu’est-ce qui distingue une variable intensive d’une variable extensive ?

Une variable intensive est indépendante de la masse, tandis qu’une variable extensive lui est proportionnelle.

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