QCM : Introduction à la thermodynamique (22 questions)

Explication

La thermodynamique décrit le comportement des systèmes par des grandeurs physiques et étudie leurs transformations lors des échanges d’énergie. La trajectoire individuelle relève d’une approche microscopique, tandis que la composition et les forces seules ne rendent pas compte de cet objet d’étude.

Explication

L’approche classique décrit l’équilibre et le comportement global des systèmes macroscopiques, tandis que l’approche statistique relie les grandeurs macroscopiques et les notions de chaleur, de travail et d’entropie à l’agitation moléculaire. Inverser les approches confond leurs niveaux d’analyse, et utiliser une seule approche pour les deux objectifs méconnaît leur distinction.

Explication

Le système est l’ensemble délimité par l’enveloppe macroscopique; le milieu désigne ce qui n’en fait pas partie, autrement dit le reste de l’univers. La surface limite est la frontière, les objets délimités constituent le système et l’univers entier inclut les deux.

Explication

Un système thermodynamique est délimité par une enveloppe géométrique macroscopique, qui peut être déformable ou non. Le liquide est le contenu du système, le milieu se trouve à l’extérieur, et la déformation n’empêche pas l’enveloppe de définir la limite.

Explication

Une phase est définie comme une partie homogène d’un système. L’ensemble du système inclut potentiellement plusieurs phases, une région hétérogène n’est pas homogène et le milieu extérieur n’appartient pas au système.

Explication

Les quatre phases mentionnées sont le solide, le liquide, le gaz et le plasma. La vapeur est une forme gazeuse, tandis que la condensation et la fusion désignent des changements d’état, non des phases supplémentaires.

Explication

Une variable d’état est une grandeur macroscopique utilisée pour décrire complètement l’état d’un système. Une transformation décrit une évolution, une caractéristique microscopique concerne une échelle différente et les échanges ne définissent pas à eux seuls une variable d’état.

Explication

La masse est une variable extensive, car elle est quantitative et additive, tandis que la température est intensive, car elle est indépendante de la quantité de matière. Dire que la température est extensive confond intensité et additivité; qualifier la masse d’intensive néglige son caractère additif; classer les deux de la même manière efface leur distinction.

Explication

Une fonction d’état dépend de l’état d’équilibre et non du chemin suivi pour l’atteindre; au même état final, elle a donc la même valeur. La dépendance au chemin ou à la durée contredit cette définition, et une quantité échangée pendant le processus n’est pas, en tant que telle, une fonction d’état.

Explication

Les variables d’état sont liées entre elles, de sorte qu’elles ne sont pas indépendantes. Les considérer comme indépendantes nie ce lien, les fonctions d’état sont une autre notion, et le chemin concerne la façon dont un système évolue.

Explication

Une équation d’état formalise les relations entre variables d’état et aide à prévoir le comportement du système dans différentes conditions. La dépendance au chemin relève d’une confusion avec la description d’un processus, tandis que la conservation de l’énergie est un principe distinct.

Explication

La loi des gaz parfaits donne $p=\frac{nRT}{V}=\frac{2.0\times8.314\times300}{0.050}\approx9.98\times10^4$ Pa. La valeur proche de $2.0\times10^5$ Pa traduit un facteur deux en trop, $3.3\times10^2$ Pa inverse le rapport quantité-volume, et $1.2\times10^4$ Pa ne correspond pas à l’application correcte de la relation.

Explication

L’énergie totale est conservée : elle ne peut être ni créée ni détruite, même si elle change de forme. L’augmentation par création, la disparition lors d’une dissipation et la condition de constance de la seule composante macroscopique confondent conservation et évolution des formes d’énergie.

Explication

L’énergie du système comprend une composante macroscopique définie en mécanique et une composante microscopique appelée énergie interne, notée $U$. Assimiler l’énergie interne à l’énergie totale ou attribuer son nom à la composante macroscopique confond les deux composantes.

Explication

L’énergie interne est la somme des énergies microscopiques de translation, de rotation, de vibration et d’interaction moléculaire. L’énergie macroscopique n’est pas une contribution microscopique, et la seule translation omet les autres formes mentionnées.

Explication

L’énergie interne $U$ désigne l’énergie stockée à l’échelle microscopique au sein du système. L’énergie mécanique macroscopique concerne l’échelle d’ensemble, et l’énergie totale rassemble les composantes plutôt que de se limiter à l’énergie interne.

Explication

Tout changement d’état d’un système constitue une transformation thermodynamique. Un état d’équilibre décrit une condition du système, un transfert concerne un échange, et une variable d’état est une grandeur qui caractérise le système.

Explication

Un système fermé peut échanger de l’énergie avec le milieu, mais pas de matière. L’échange de matière caractérise un système ouvert, tandis que l’absence de tout échange avec le milieu correspond au système isolé.

Explication

Une transformation suffisamment lente pour passer par une suite continue d’états d’équilibre internes est quasi-statique. Le caractère adiabatique concerne l’échange de chaleur, et la réversibilité exige aussi les équilibres mécanique et thermique.

Explication

Les effets visqueux sont dissipatifs et caractérisent une transformation irréversible. Le fait d’être fermé ou adiabatique ne supprime pas cette dissipation, et une variation de pression ne suffit pas à établir le caractère quasi-statique.

Explication

Une transformation adiabatique se déroule sans échange de chaleur avec le milieu extérieur, le système étant thermiquement isolé. Cette condition ne signifie pas qu’aucune autre forme d’énergie ne peut être échangée et ne garantit pas la réversibilité.

Explication

Une transformation réversible parcourt au retour les états d’équilibre de l’aller dans l’ordre inverse. Un chemin retour différent, des états hors équilibre ou la seule lenteur ne satisfont pas cette condition.