QCM : Introduction à la thermodynamique — 26 questions

Question 1

1. Quelle définition décrit correctement un système thermodynamique ?

Une région réservée aux échanges de chaleur entre plusieurs corps

Une partie de l’univers étudiée, séparée du milieu extérieur par une paroi réelle ou fictive

L’univers entier considéré comme distinct de toute région extérieure

Un ensemble de molécules délimité par une paroi nécessairement matérielle

Explication

Un système thermodynamique est la partie de l’univers choisie pour être étudiée et délimitée par une paroi réelle ou fictive. Il ne correspond pas nécessairement à l’univers entier, qui constitue un cas particulier de système isolé.

Answer

Une partie de l’univers étudiée, séparée du milieu extérieur par une paroi réelle ou fictive

Question 2

2. Un récipient échange de la chaleur avec l’extérieur, mais aucune matière ne traverse sa paroi. Comment classer ce système ?

Comme un système fermé

Comme un système ouvert

Comme un système sans milieu extérieur

Comme un système isolé

Explication

Un système fermé peut échanger de l’énergie avec le milieu extérieur tout en ne transférant pas de matière. Un système ouvert échangerait également de la matière, tandis qu’un système isolé n’échangerait ni matière ni énergie.

Answer

Comme un système fermé

Question 3

3. Quel rôle joue une grandeur d’état dans la description thermodynamique d’un système ?

Elle représente nécessairement une quantité de matière échangée

Elle mesure uniquement les interactions avec le milieu extérieur

Elle définit le trajet suivi pendant une transformation

Elle contribue à caractériser l’état du système

Explication

Une grandeur d’état, aussi appelée variable d’état, participe à la description de l’état d’un système. Elle ne désigne pas nécessairement un échange ni le chemin suivi pendant une transformation.

Answer

Elle contribue à caractériser l’état du système

Question 4

4. Pourquoi la pression d’un gaz ne peut-elle pas être assimilée à la force exercée sur une paroi ?

Parce qu’elle représente la quantité de chaleur reçue par la paroi

Parce qu’elle correspond au rapport entre cette force et la surface de la paroi

Parce qu’elle mesure la vitesse moyenne des collisions moléculaires

Parce qu’elle correspond à la somme des masses des molécules du gaz

Explication

La pression est définie par le rapport entre la force exercée par les collisions moléculaires et la surface de la paroi. Une force identique appliquée sur des surfaces différentes peut donc produire des pressions différentes.

Answer

Parce qu’elle correspond au rapport entre cette force et la surface de la paroi

Question 5

5. Laquelle de ces associations respecte la distinction entre grandeurs extensives et intensives ?

Température et volume sont extensifs, tandis que masse et pression sont intensives

Masse et volume sont extensifs, tandis que pression et température sont intensives

Masse et pression sont extensives, tandis que volume et température sont intensives

Pression et température sont extensives, tandis que masse et volume sont intensives

Explication

La masse et le volume dépendent de la quantité de matière et sont additifs : ce sont des grandeurs extensives. La pression et la température sont indépendantes de la quantité de matière et ne s’additionnent pas dans ce sens.

Answer

Masse et volume sont extensifs, tandis que pression et température sont intensives

Question 6

6. Quelle condition caractérise une transformation adiabatique ?

Elle s’effectue à volume constant dans le système

Elle s’effectue sans échange de chaleur avec le milieu extérieur

Elle s’effectue à température constante pendant toute l’évolution

Elle s’effectue à pression constante entre les deux états

Explication

Une transformation adiabatique ne comporte pas d’échange de chaleur avec le milieu extérieur. Une température constante caractérise une transformation isotherme, tandis qu’une pression ou un volume constants définissent respectivement les transformations isobare et isochore.

Answer

Elle s’effectue sans échange de chaleur avec le milieu extérieur

Question 7

7. Comment s’écrit la variation infinitésimale d’une grandeur d’état $X$ entre deux états infiniment proches ?

Elle s’écrit

\frac{X}{dt}

Elle s’écrit

X^2

Elle s’écrit

\Delta X^2

Elle s’écrit

dX

Explication

Pour une transformation infinitésimale reliant deux états initial et final infiniment proches, la variation de la grandeur $X$ est notée $dX$ . Les autres expressions ne désignent pas la notation différentielle de cette variation.

Answer

Elle s’écrit $$dX$$

Question 8

8. Deux transformations différentes relient un même état initial à un même état final. Quelle propriété permet d’identifier une fonction d’état ?

Son échange d’énergie dépend nécessairement de la durée du trajet

Son évolution est déterminée par le travail fourni au système

Sa valeur varie avec chaque étape intermédiaire de la transformation

Sa variation a la même valeur pour les deux chemins

Explication

La variation d’une fonction d’état ne dépend que des états initial et final, et non du chemin suivi. Le travail, en revanche, dépend de la transformation empruntée et ne possède pas cette propriété.

Answer

Sa variation a la même valeur pour les deux chemins

Question 9

9. Que représente la variance d’un système en équilibre ?

Le nombre de phases coexistantes dans le système considéré à l’équilibre

Le nombre minimal de variables intensives fixables sans modifier l’état du système

Le nombre total d’espèces chimiques présentes dans le système à l’équilibre

Le nombre de variables extensives nécessaires pour décrire le système à l’équilibre

Explication

La variance correspond au nombre minimal de variables intensives que l’on peut fixer arbitrairement sans changer l’état du système. Elle ne se confond pas avec le nombre de constituants, qui désigne les espèces présentes avant la prise en compte des relations entre elles.

Answer

Le nombre minimal de variables intensives fixables sans modifier l’état du système

Question 10

10. Un système possède $N=4$ constituants, aucune réaction indépendante et $\phi=2$ phases ; quelle est sa variance ?

v=1

v=4

v=6

v=2

Explication

La relation donne $v=N-R+2-\phi$ , donc $v=4-0+2-2=4$ . La valeur $2$ correspondrait à une soustraction incorrecte du nombre de phases sans tenir compte du terme constant.

Answer

Elle évolue infiniment lentement entre des états d’équilibre et peut être inversée par le même parcours

Answer

On a $$\Delta E=\Delta U$$

Answer

L’énergie cinétique interne et les énergies potentielles physique, chimique, nucléaire et de masse

Answer

Un signe négatif, car l’énergie quitte le système

Answer

Un corps reçoit de l’énergie d’une source éloignée par des ondes électromagnétiques

Answer

Un corps pur contient une espèce chimique, un corps simple un élément, un corps composé plusieurs éléments et un mélange plusieurs corps purs

Answer

Une région homogène où toutes les grandeurs intensives varient continûment dans l’espace

Answer

Le solide garde sa forme, le liquide prend celle du récipient en restant cohésif, et le gaz remplit le récipient en étant compressible

Answer

Des particules ponctuelles très éloignées, sans interaction, dans un milieu homogène et isotrope

Answer

$$P=\frac{nRT}{V}$$

Answer

$$0{,}60\ \mathrm{bar}$$

Answer

Elle augmente avec la température

Answer

La vaporisation

Answer

Les phases solide, liquide et gazeuse sont simultanément en équilibre

Answer

L’énergie nécessaire pour augmenter de 1 K la température d’une mole à pression constante

Answer

$$Q=nC_p(T_2-T_1)$$

Question 11

11. Quelle caractéristique permet de distinguer une transformation réversible d’une transformation irréversible ?

Elle exige un transfert thermique important entre deux systèmes à températures différentes

Elle évolue infiniment lentement entre des états d’équilibre et peut être inversée par le même parcours

Elle se produit rapidement entre l’état initial et l’état final sans état d’équilibre intermédiaire

Elle modifie la composition du système par plusieurs réactions chimiques successives

Explication

Une transformation réversible passe par une infinité d’états d’équilibre intermédiaires et peut être parcourue en sens inverse selon le même chemin. Une transformation irréversible ne possède pas cette succession continue d’états d’équilibre.

Question 12

12. Pour un système au repos dont l’énergie mécanique ne varie pas, comment relier la variation d’énergie totale à la variation d’énergie interne ?

On a

\Delta E=0

On a

\Delta E=\Delta U

On a

\Delta U=0

On a

\Delta E=\Delta E_m+\Delta U

avec

\Delta E_m=\Delta U

Explication

L’énergie totale vérifie $E=E_m+U$ et, pour les systèmes au repos étudiés, sa variation se réduit à $\Delta E=\Delta U$ . Cela ne signifie pas que l’énergie totale exclut l’énergie mécanique, mais que sa variation mécanique est nulle dans ce contexte.

Question 13

13. Quelle combinaison décrit correctement les contributions à l’énergie interne d’un système ?

La pression, le volume, la température et la quantité de matière du système

L’énergie mécanique macroscopique et l’énergie cinétique de translation du système dans son ensemble

La chaleur reçue, le travail fourni et les échanges de matière avec l’extérieur

L’énergie cinétique interne et les énergies potentielles physique, chimique, nucléaire et de masse

Explication

L’énergie interne regroupe l’énergie cinétique liée à l’agitation microscopique ainsi que plusieurs énergies potentielles internes, notamment physique, chimique, nucléaire et de masse. La chaleur et le travail décrivent des transferts d’énergie plutôt que des constituants de l’énergie interne.

Question 14

14. Un système perd une certaine quantité d’énergie vers son environnement ; quel signe lui attribue-t-on pour ce transfert ?

Un signe négatif, car l’énergie quitte le système

Un signe positif, car tout transfert modifie l’état du système

Un signe nul, car l’énergie transférée n’appartient plus au système

Un signe dépendant de la température extérieure du système

Explication

Selon la convention adoptée, une énergie reçue par le système est positive et une énergie perdue est négative. La température extérieure peut influencer certains transferts, mais elle ne définit pas directement le signe conventionnel.

Question 15

15. Quelle situation illustre un transfert par rayonnement plutôt qu’un transfert de chaleur par contact matériel ?

Deux solides à températures différentes échangent de l’agitation lors d’un contact direct

Un liquide transmet de l’énergie à un autre liquide placé dans le même récipient

Un gaz reçoit de l’énergie lorsque ses particules heurtent la paroi chauffée

Un corps reçoit de l’énergie d’une source éloignée par des ondes électromagnétiques

Explication

Le rayonnement transporte l’énergie par des ondes électromagnétiques et ne nécessite pas de contact matériel, comme entre une source éloignée et un corps récepteur. La chaleur correspond à un transfert d’agitation désordonnée entre systèmes matériellement en contact et initialement à des températures différentes.

Question 16

16. Laquelle de ces descriptions distingue correctement un corps pur, un corps simple, un corps composé et un mélange ?

Un corps pur contient une espèce chimique, un corps simple un élément, un corps composé plusieurs éléments et un mélange plusieurs corps purs

Un corps pur contient un élément, un corps simple une espèce chimique, un corps composé un corps pur et un mélange plusieurs phases

Un corps pur désigne une phase homogène, un corps simple une phase solide, un corps composé une phase liquide et un mélange une phase gazeuse

Un corps pur contient plusieurs espèces, un corps simple plusieurs éléments, un corps composé un élément et un mélange une seule espèce

Explication

Un corps pur est constitué d’une seule espèce chimique ; un corps simple ne contient qu’un élément, tandis qu’un corps composé en contient plusieurs. Un mélange associe plusieurs corps purs, qu’ils appartiennent ou non à la même phase.

Question 17

17. Comment définir une phase dans un système matériel ?

Une région contenant une seule espèce chimique, quelle que soit son homogénéité

Une région homogène où toutes les grandeurs intensives varient continûment dans l’espace

Une portion du système délimitée par une surface, même si ses grandeurs intensives sont discontinues

Un ensemble de particules ayant la même masse, même si ses propriétés changent brutalement

Explication

Une phase est une région homogène de l’espace dans laquelle les grandeurs intensives sont des fonctions continues de la position. La présence d’une seule espèce chimique n’est pas suffisante pour définir une phase.

Question 18

18. Quelle propriété caractérise correctement les trois états solide, liquide et gazeux ?

Le solide prend la forme du récipient, le liquide garde sa forme, et le gaz possède une forme propre incompressible

Le solide et le liquide gardent une forme propre, tandis que le gaz possède un volume fixe et une faible compressibilité

Le solide garde sa forme, le liquide prend celle du récipient en restant cohésif, et le gaz remplit le récipient en étant compressible

Le solide remplit le récipient, le liquide est fortement compressible, et le gaz conserve une cohésion propre

Explication

Un solide possède une forme propre, un liquide épouse le récipient tout en conservant sa cohésion, et un gaz occupe tout le volume disponible en étant compressible. Les autres descriptions attribuent aux états liquide ou gazeux des propriétés caractéristiques du solide ou l’inverse.

Question 19

19. Quelle description caractérise le mieux le modèle du gaz parfait ?

Des particules volumineuses qui s’attirent fortement dans un milieu hétérogène

Des particules rapprochées échangeant continuellement de l’énergie par des interactions durables

Des particules ponctuelles très éloignées, sans interaction, dans un milieu homogène et isotrope

Des particules immobiles occupant tout le volume disponible dans un milieu anisotrope

Explication

Le gaz parfait est modélisé par des particules ponctuelles très éloignées, sans interactions, dont les chocs sont élastiques. Le gaz réel peut s’écarter de cette hypothèse en raison des interactions entre particules.

Question 20

20. Un échantillon contient $2{,}0\ \mathrm{mol}$ de gaz parfait à $300\ \mathrm{K}$ dans un volume de $0{,}050\ \mathrm{m^3}$ . Quelle relation permet de calculer sa pression ?

P=\frac{nV}{RT}

P=\frac{RT}{nV}

P=\frac{nRT}{V}

P=\frac{V}{nRT}

Explication

L’équation d’état d’un gaz parfait est $PV=nRT$ , donc la pression s’obtient en isolant $P$ : $P=\frac{nRT}{V}$ . L’expression inverse placerait le volume au numérateur et ne respecte pas cette équation.

Question 21

21. Dans un mélange de gaz parfaits, un gaz A représente $30\%$ de la quantité totale et la pression totale vaut $2{,}0\ \mathrm{bar}$ . Quelle est sa pression partielle ?

1{,}40\ \mathrm{bar}

0{,}60\ \mathrm{bar}

2{,}30\ \mathrm{bar}

6{,}67\ \mathrm{bar}

Explication

La loi de Dalton donne $P_A=x_A P$ ; avec $x_A=0{,}30$ et $P=2{,}0\ \mathrm{bar}$ , on obtient $P_A=0{,}60\ \mathrm{bar}$ . La pression partielle ne correspond donc pas à la pression totale diminuée de la fraction molaire.

Question 22

22. Comment évolue la pression de vapeur saturante d’un composé lorsque sa température augmente ?

Elle reste constante à pression extérieure fixée

Elle augmente avec la température

Elle diminue avec la température

Elle devient égale à la pression atmosphérique pour toute température

Explication

La pression de vapeur saturante augmente lorsque la température augmente. Une température d’ébullition sous 1 bar correspond précisément à la température pour laquelle cette pression atteint 1 bar.

Question 23

23. Quelle transformation relie directement une phase liquide à une phase gazeuse ?

La sublimation

La fusion

La vaporisation

La solidification

Explication

La vaporisation est le passage de la phase liquide à la phase gazeuse. La sublimation relie les phases solide et gazeuse, tandis que la fusion concerne le passage du solide au liquide.

Question 24

24. Que se passe-t-il au point triple d’un corps pur ?

Une seule phase stable subsiste à une pression et une température données

Les phases solide, liquide et gazeuse sont simultanément en équilibre

La courbe de vaporisation se termine entre les phases liquide et gazeuse

Les phases solide et liquide deviennent indiscernables au-dessus d’une température critique

Explication

Au point triple, les phases solide, liquide et gazeuse coexistent en équilibre. La fin de la courbe de vaporisation correspond au point critique, et non au point triple.

Question 25

25. Que représente la capacité calorifique molaire $C_p$ d’un corps pur ?

La chaleur libérée par une mole lors d’un changement d’état à pression constante

L’énergie nécessaire pour augmenter de 1 K la température totale d’un échantillon quelconque

L’énergie nécessaire pour augmenter de 1 K la température d’une mole à pression constante

L’énergie nécessaire pour augmenter de 1 K la température d’un corps à volume constant

Explication

$C_p$ est l’énergie nécessaire pour élever de 1 K la température d’une mole à pression constante. À volume constant, la grandeur correspondante est $C_v$ , et non $C_p$ .

Question 26

26. Un corps pur de quantité $n$ est chauffé sans changement d’état, avec une capacité $C_p$ constante. Quelle expression donne la chaleur échangée à pression constante ?

Q=\frac{C_p(T_2-T_1)}{n}

Q=nC_p(T_2-T_1)

Q=nC_p(T_1+T_2)

Q=\frac{n(T_2-T_1)}{C_p}

Explication

Sans changement d’état et pour $C_p$ constant, la chaleur à pression constante vaut $Q=nC_p\Delta T=nC_p(T_2-T_1)$ . Diviser par la quantité de matière ou par la capacité calorifique inverserait la dépendance physique attendue.

QCM : Introduction à la thermodynamique — 26 questions

Questions et réponses du QCM

1. Quelle définition décrit correctement un système thermodynamique ?

2. Un récipient échange de la chaleur avec l’extérieur, mais aucune matière ne traverse sa paroi. Comment classer ce système ?

3. Quel rôle joue une grandeur d’état dans la description thermodynamique d’un système ?

4. Pourquoi la pression d’un gaz ne peut-elle pas être assimilée à la force exercée sur une paroi ?

5. Laquelle de ces associations respecte la distinction entre grandeurs extensives et intensives ?

6. Quelle condition caractérise une transformation adiabatique ?

7. Comment s’écrit la variation infinitésimale d’une grandeur d’état $X$ entre deux états infiniment proches ?

8. Deux transformations différentes relient un même état initial à un même état final. Quelle propriété permet d’identifier une fonction d’état ?

9. Que représente la variance d’un système en équilibre ?

10. Un système possède $N=4$ constituants, aucune réaction indépendante et $\phi=2$ phases ; quelle est sa variance ?

11. Quelle caractéristique permet de distinguer une transformation réversible d’une transformation irréversible ?

12. Pour un système au repos dont l’énergie mécanique ne varie pas, comment relier la variation d’énergie totale à la variation d’énergie interne ?

13. Quelle combinaison décrit correctement les contributions à l’énergie interne d’un système ?

14. Un système perd une certaine quantité d’énergie vers son environnement ; quel signe lui attribue-t-on pour ce transfert ?

15. Quelle situation illustre un transfert par rayonnement plutôt qu’un transfert de chaleur par contact matériel ?

16. Laquelle de ces descriptions distingue correctement un corps pur, un corps simple, un corps composé et un mélange ?

17. Comment définir une phase dans un système matériel ?

18. Quelle propriété caractérise correctement les trois états solide, liquide et gazeux ?

19. Quelle description caractérise le mieux le modèle du gaz parfait ?

20. Un échantillon contient $2{,}0\ \mathrm{mol}$ de gaz parfait à $300\ \mathrm{K}$ dans un volume de $0{,}050\ \mathrm{m^3}$ . Quelle relation permet de calculer sa pression ?

21. Dans un mélange de gaz parfaits, un gaz A représente $30\%$ de la quantité totale et la pression totale vaut $2{,}0\ \mathrm{bar}$ . Quelle est sa pression partielle ?

22. Comment évolue la pression de vapeur saturante d’un composé lorsque sa température augmente ?

23. Quelle transformation relie directement une phase liquide à une phase gazeuse ?

24. Que se passe-t-il au point triple d’un corps pur ?

25. Que représente la capacité calorifique molaire $C_p$ d’un corps pur ?

26. Un corps pur de quantité $n$ est chauffé sans changement d’état, avec une capacité $C_p$ constante. Quelle expression donne la chaleur échangée à pression constante ?

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QCM : Introduction à la thermodynamique — 26 questions

Questions et réponses du QCM

1. Quelle définition décrit correctement un système thermodynamique ?

2. Un récipient échange de la chaleur avec l’extérieur, mais aucune matière ne traverse sa paroi. Comment classer ce système ?

3. Quel rôle joue une grandeur d’état dans la description thermodynamique d’un système ?

4. Pourquoi la pression d’un gaz ne peut-elle pas être assimilée à la force exercée sur une paroi ?

5. Laquelle de ces associations respecte la distinction entre grandeurs extensives et intensives ?

6. Quelle condition caractérise une transformation adiabatique ?

7. Comment s’écrit la variation infinitésimale d’une grandeur d’état XXX entre deux états infiniment proches ?

8. Deux transformations différentes relient un même état initial à un même état final. Quelle propriété permet d’identifier une fonction d’état ?

9. Que représente la variance d’un système en équilibre ?

10. Un système possède N=4N=4N=4 constituants, aucune réaction indépendante et ϕ=2\phi=2ϕ=2 phases ; quelle est sa variance ?

11. Quelle caractéristique permet de distinguer une transformation réversible d’une transformation irréversible ?

12. Pour un système au repos dont l’énergie mécanique ne varie pas, comment relier la variation d’énergie totale à la variation d’énergie interne ?

13. Quelle combinaison décrit correctement les contributions à l’énergie interne d’un système ?

14. Un système perd une certaine quantité d’énergie vers son environnement ; quel signe lui attribue-t-on pour ce transfert ?

15. Quelle situation illustre un transfert par rayonnement plutôt qu’un transfert de chaleur par contact matériel ?

16. Laquelle de ces descriptions distingue correctement un corps pur, un corps simple, un corps composé et un mélange ?

17. Comment définir une phase dans un système matériel ?

18. Quelle propriété caractérise correctement les trois états solide, liquide et gazeux ?

19. Quelle description caractérise le mieux le modèle du gaz parfait ?

20. Un échantillon contient 2,0 mol2{,}0\ \mathrm{mol}2,0 mol de gaz parfait à 300 K300\ \mathrm{K}300 K dans un volume de 0,050 m30{,}050\ \mathrm{m^3}0,050 m3. Quelle relation permet de calculer sa pression ?

21. Dans un mélange de gaz parfaits, un gaz A représente 30%30\%30% de la quantité totale et la pression totale vaut 2,0 bar2{,}0\ \mathrm{bar}2,0 bar. Quelle est sa pression partielle ?

22. Comment évolue la pression de vapeur saturante d’un composé lorsque sa température augmente ?

23. Quelle transformation relie directement une phase liquide à une phase gazeuse ?

24. Que se passe-t-il au point triple d’un corps pur ?

25. Que représente la capacité calorifique molaire CpC_pCp​ d’un corps pur ?

26. Un corps pur de quantité nnn est chauffé sans changement d’état, avec une capacité CpC_pCp​ constante. Quelle expression donne la chaleur échangée à pression constante ?

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7. Comment s’écrit la variation infinitésimale d’une grandeur d’état $X$ entre deux états infiniment proches ?

10. Un système possède $N=4$ constituants, aucune réaction indépendante et $\phi=2$ phases ; quelle est sa variance ?

20. Un échantillon contient $2{,}0\ \mathrm{mol}$ de gaz parfait à $300\ \mathrm{K}$ dans un volume de $0{,}050\ \mathrm{m^3}$ . Quelle relation permet de calculer sa pression ?

21. Dans un mélange de gaz parfaits, un gaz A représente $30\%$ de la quantité totale et la pression totale vaut $2{,}0\ \mathrm{bar}$ . Quelle est sa pression partielle ?

25. Que représente la capacité calorifique molaire $C_p$ d’un corps pur ?

26. Un corps pur de quantité $n$ est chauffé sans changement d’état, avec une capacité $C_p$ constante. Quelle expression donne la chaleur échangée à pression constante ?