QCM : Généralités de thermodynamique (33 questions)

Explication

La thermodynamique relie les états macroscopiques de la matière aux transferts et transformations d’énergie. L’étude détaillée des trajectoires moléculaires relève plutôt d’une description microscopique.

Explication

La chaleur et le travail sont des modes de transfert d’énergie, alors que l’échange de matière correspond au transfert de masse et d’espèces chimiques. Confondre matière et énergie conduit donc à attribuer à la matière un rôle qui ne correspond pas à cette distinction.

Explication

La thermodynamique permet de comparer les performances réelles, affectées par les pertes, à une limite maximale théorique idéale. Le rendement maximal ne décrit donc pas directement le fonctionnement réel de la machine.

Explication

Les fondements de la thermodynamique associent la conservation de l’énergie à la dégradation de sa qualité dans les transformations irréversibles. La réversibilité parfaite ne constitue pas une propriété générale des transformations réelles.

Explication

La loi de Boyle relie la pression et le volume par $PV=\text{constante}$ lorsque la température reste constante. Une relation valable sans condition thermique ne correspond pas à cette loi particulière.

Explication

Clausius formule la conservation de l’énergie et le second principe en 1850. Les autres dates renvoient à des étapes différentes de l’histoire de la discipline, notamment aux travaux de Huygens et Papin, de Carnot ou de Van der Waals.

Explication

Un cycle idéal est une succession théorique d’états qui sert à étudier les limites de fonctionnement et le rendement des machines thermiques. Il ne décrit pas directement les détails moléculaires ni les pertes propres à une installation réelle.

Explication

Carnot montre que le rendement d’une machine thermique dépend des températures de ses sources chaude et froide. Les caractéristiques du combustible ou de l’alternateur ne constituent pas, dans cette formulation, les facteurs fondamentaux du rendement idéal.

Explication

Le raisonnement de Carnot annonce le second principe en étudiant les limites et le sens des transformations dans les machines thermiques. Le premier principe concerne principalement la conservation de l’énergie, tandis que la relation pression-volume relève de la loi de Boyle.

Explication

La chaleur issue de la combustion ou de la fission vaporise un fluide, la vapeur met la turbine en mouvement, puis l’alternateur convertit ce mouvement mécanique en électricité. La turbine ne produit donc pas directement l’électricité : cette conversion est assurée par l’alternateur.

Explication

Dans un turboréacteur, l’air comprimé est chauffé par combustion, puis l’expansion des gaz produit la poussée et entraîne les étages de turbine. La confusion vient d’une centrale, où l’expansion sert principalement à entraîner un alternateur plutôt qu’à propulser directement un appareil.

Explication

Un véhicule hybride relie le carburant, la batterie, la traction et le freinage régénératif par des flux d’énergie. Les autres réponses décrivent respectivement un moteur aéronautique, un appareil électronique ou un organisme vivant.

Explication

Le système correspond au domaine sélectionné par l’étude thermodynamique, et l’extérieur regroupe tout ce qui est hors de ce domaine. La frontière ne constitue pas le système : elle sépare le système de l’extérieur et peut laisser passer des échanges.

Explication

La frontière est une séparation réelle ou imaginaire entre le système et l’extérieur, et des échanges d’énergie ou de matière peuvent la traverser. L’état initial décrit le système, tandis que les objets extérieurs et la matière ne définissent pas la frontière elle-même.

Explication

Modifier la frontière modifie le domaine retenu comme système, qui peut alors être l’ensemble du dispositif, un sous-système ou un composant. Une frontière peut rester imaginaire, et le changement de frontière ne supprime ni l’état initial ni les échanges.

Explication

Le travail est un transfert d’énergie associé à une force qui provoque ou freine un déplacement ou une déformation macroscopique. Une différence de température caractériserait un transfert de chaleur, tandis que le piston ne constitue pas ici un transfert de matière.

Explication

La chaleur est un transfert d’énergie provoqué par une différence de température entre le système et l’extérieur. Le travail est associé à une force et à un déplacement ou une déformation macroscopique, et non à la seule différence de température.

Explication

Une masse qui entre ou sort du système emporte de l’énergie ainsi que des espèces chimiques. La chaleur et le travail sont des modes de transfert d’énergie, non des substances stockées dans la masse.

Explication

Avec cette convention, une énergie reçue est positive et une énergie cédée est négative ; une chaleur cédée vérifie donc $Q < 0$. Le même principe s’applique au travail, mais le signe de la chaleur ne dépend pas de la valeur de $W$.

Explication

Un système ouvert échange de la matière et de l’énergie avec l’extérieur, ce qui permet à sa masse de varier. Un système fermé peut échanger de l’énergie, mais sa masse demeure constante car la matière ne traverse pas sa frontière.

Explication

Un système fermé conserve une masse constante, mais il peut recevoir ou céder de l’énergie. L’absence de transfert de matière le distingue d’un système ouvert, tandis que l’absence de tout échange caractérise un système isolé.

Explication

Un système isolé ne permet aucun échange de matière ni d’énergie avec l’extérieur, et sa masse reste constante. Un système fermé peut encore échanger de l’énergie, ce qui le rend moins contraignant.

Explication

L’isolation implique l’absence d’échange de chaleur, donc $Q=0$, mais un système adiabatique peut encore échanger du travail. Confondre adiabaticité et isolation revient à négliger la possibilité d’un transfert d’énergie mécanique.

Explication

Une variable d’état est une grandeur physique mesurable décrivant l’état macroscopique du système à un instant donné. Elle ne se limite donc ni aux échanges énergétiques ni aux transformations irréversibles.

Explication

Les variables d’état usuelles d’un gaz comprennent la pression en pascals, le volume en mètres cubes et la température en kelvins. Le volume est extensif, tandis que la pression et la température sont intensives, ce qui écarte les associations inversées.

Explication

Le volume est une variable extensive : les volumes se somment lors de la réunion de deux systèmes. La température est intensive et caractérise l’état local sans s’additionner, contrairement à une grandeur extensive.

Explication

L’équilibre thermodynamique correspond à un état commun entre les différentes parties, sans évolution macroscopique spontanée observable. La présence de gradients ou d’une évolution interne indique au contraire un état hors équilibre.

Explication

Une évolution réversible est une suite idéale d’états d’équilibre dont l’inversion théorique ne produit pas de dissipation. Les gradients et les phénomènes dissipatifs caractérisent plutôt les évolutions irréversibles.

Explication

L’irréversibilité réduit la part d’énergie utilisable pour produire un effet, sans contredire la conservation de la quantité totale d’énergie. Assimiler cette dégradation à une disparition de l’énergie totale constitue la confusion principale.

Explication

L’énergie thermique est liée à l’agitation microscopique et l’énergie nucléaire au noyau atomique. Confondre l’énergie thermique avec les liaisons chimiques attribue à cette forme d’énergie l’origine de l’énergie chimique.

Explication

L’énergie potentielle dépend de la position du système dans un champ de forces, notamment de son altitude dans le champ gravitationnel. L’énergie cinétique est liée au mouvement global et non à la position de l’objet.

Explication

En appliquant $E_c=\frac{1}{2}mV^2$, on obtient $E_c=\frac{1}{2}\times4\times3^2=18\,\mathrm{J}$. La valeur $12\,\mathrm{J}$ résulte d’un calcul qui ne respecte pas le carré de la vitesse.

Explication

Un bilan énergétique doit être préparé par le choix du système, la définition de sa frontière, l’identification des échanges et la précision du référentiel. Calculer les énergies avant de définir le système peut conduire à inclure ou exclure incorrectement des échanges.