QCM : Introduction à la thermodynamique (24 questions)

Questions et réponses du QCM

1. Pour décrire un gaz dans une enceinte, que désigne le système thermodynamique étudié ?

Le corps ou l’ensemble de corps distingué du milieu extérieur et décrit par des paramètres macroscopiques
L’ensemble des positions et vitesses de toutes les particules
Le reste de l’univers avec lequel le corps peut échanger
La pression ou la température considérée isolément

Le corps ou l’ensemble de corps distingué du milieu extérieur et décrit par des paramètres macroscopiques

Explication

Un système thermodynamique est le corps ou l’ensemble de corps délimité par rapport au milieu extérieur et caractérisé par des paramètres macroscopiques. Le milieu extérieur est ce qui est exclu du système, tandis que la pression seule est une variable d’état.

2. Un récipient échange de la chaleur avec son environnement, mais aucune matière ne franchit ses parois. Comment classe-t-on ce système ?

Comme un système ouvert, car toute interaction avec l’extérieur implique un échange de matière
Comme un système isolé, car il n’échange pas de matière
Comme un système fermé, car il échange de l’énergie sans échanger de matière
Comme un système ouvert, car la chaleur traverse ses parois

Comme un système fermé, car il échange de l’énergie sans échanger de matière

Explication

Un système fermé ne transfère pas de matière, mais il peut échanger de l’énergie, notamment sous forme de chaleur. Le terme « isolé » suppose aussi l’absence d’échange d’énergie, tandis qu’un système ouvert peut échanger de la matière.

3. La pression d’un fluide décrit une propriété macroscopique mesurable. De quelle catégorie de grandeur s’agit-il ?

Une coordonnée microscopique décrivant une particule isolée
Une variable d’état caractérisant le système thermodynamique
Une frontière séparant le système de son environnement
Une partie de l’univers exclue du système

Une variable d’état caractérisant le système thermodynamique

Explication

Une variable d’état est une grandeur macroscopique qui caractérise le système, et la pression en est un exemple. Une frontière délimite le système, alors qu’une coordonnée de particule relève d’une description microscopique.

4. Deux récipients contenant chacun un système de même température sont réunis à l’équilibre. Quelle propriété distingue correctement la température du volume total ?

La température est intensive et commune, tandis que le volume est extensif et s’additionne
La température et le volume sont extensifs et s’additionnent
La température et le volume sont intensifs et prennent une valeur commune
La température est extensive et s’additionne, tandis que le volume est intensif et commun

La température est intensive et commune, tandis que le volume est extensif et s’additionne

Explication

Une grandeur intensive est indépendante de la taille et prend une valeur commune dans des systèmes réunis à l’équilibre; la température est intensive. Le volume est extensif et s’additionne lors de la réunion des systèmes.

5. Dans une enceinte, les variables d’état restent constantes dans le temps et uniformes dans l’espace, mais le système continue d’échanger de l’énergie avec l’extérieur. Peut-on conclure à l’équilibre thermodynamique selon les critères définis ?

Non, car l’absence d’échange d’énergie avec l’extérieur est aussi requise
Oui, car l’équilibre mécanique suffit à établir l’équilibre thermodynamique
Oui, car des variables constantes et homogènes suffisent
Non, car les variables d’état doivent varier dans le temps

Non, car l’absence d’échange d’énergie avec l’extérieur est aussi requise

Explication

L’équilibre thermodynamique requiert des variables définies, homogènes et stationnaires, ainsi que l’absence d’échange d’énergie avec l’extérieur. Des variables stables et homogènes ne compensent donc pas un échange énergétique persistant.

6. Dans un système fermé, pression et température sont équilibrées, mais la concentration d’un constituant varie encore d’une région à l’autre. Quelle condition d’équilibre fait défaut ?

L’équilibre thermique
L’équilibre de diffusion
L’équilibre avec le milieu extérieur
L’équilibre mécanique

L’équilibre de diffusion

Explication

L’équilibre de diffusion est caractérisé par l’homogénéité des concentrations; leur variation spatiale indique qu’il n’est pas atteint. L’équilibre thermique concerne la température et l’équilibre mécanique les conditions mécaniques.

7. Pour identifier la phase d’un corps pur dans un diagramme thermodynamique, quelles données suffit-il en pratique de connaître ?

Le volume et la masse
La pression et la concentration
La pression et la température
La température et le nombre de particules

La pression et la température

Explication

Pour un corps pur, la pression et la température suffisent en pratique à repérer l’état physique dans un diagramme (P,T) (P,T) . Le volume, la masse ou la concentration ne remplacent pas ces deux variables dans le critère indiqué.

8. Sur un diagramme pression-température d’un corps pur, quelle coexistence de phases correspond à la sublimation ?

Le liquide et la vapeur
Le solide et le plasma
Le solide et le gaz
Le solide et le liquide

Le solide et le gaz

Explication

La sublimation correspond à la coexistence du solide et du gaz. La vaporisation met en coexistence liquide et vapeur, tandis que la fusion concerne solide et liquide.

9. À l’échelle macroscopique, que représente la température d’un système du point de vue microscopique ?

Une mesure de l’agitation thermique des particules, proportionnelle à leur énergie cinétique microscopique rapportée à la constante de Boltzmann
Une mesure de l’énergie interne totale, indépendante du mouvement microscopique des particules
Une mesure du mouvement collectif ordonné des particules, rapporté à la constante de Boltzmann
Une mesure de la masse moyenne des particules, rapportée à leur énergie cinétique microscopique

Une mesure de l’agitation thermique des particules, proportionnelle à leur énergie cinétique microscopique rapportée à la constante de Boltzmann

Explication

La température caractérise macroscopiquement l’agitation thermique et est proportionnelle à l’énergie cinétique microscopique divisée par la constante de Boltzmann. L’énergie interne totale, la masse et le mouvement collectif ordonné ne définissent pas cette relation.

10. Après un contact prolongé, deux objets ne présentent plus d’échange thermique net. Quelle relation existe entre leurs températures ?

Ils ont la même température
Ils ont la même masse
Ils ont des températures différentes selon leur matière
Ils contiennent la même quantité de chaleur

Ils ont la même température

Explication

Deux corps en équilibre thermique ont la même température, indépendamment de leur nature. L’égalité des quantités de chaleur ou des masses n’est pas une condition de cet équilibre.

11. Un thermomètre est d’abord mis en équilibre thermique avec un bain de référence, puis avec un échantillon. Quel principe permet de relier l’état du thermomètre dans les deux situations à la température de l’échantillon ?

Le principe zéro : deux corps en équilibre avec un troisième sont en équilibre entre eux
L’équilibre direct : deux corps ont la même température sans comparaison avec un tiers
L’indépendance thermométrique : la température mesurée ne dépend pas du contact
La conservation de l’énergie : deux corps en contact possèdent la même énergie totale

Le principe zéro : deux corps en équilibre avec un troisième sont en équilibre entre eux

Explication

Le principe zéro établit la transitivité de l’équilibre thermique : si deux corps sont chacun en équilibre avec un troisième, ils sont en équilibre entre eux. La conservation de l’énergie et l’égalité des énergies totales ne sont pas ce principe.

12. Un thermomètre indique T=300 KT=300\,\text{K}. Quelle température Celsius correspond à cette valeur en appliquant θC=T−273,15\theta_C=T-273{,}15 ?

26,85 ∘C26{,}85\,^{\circ}\text{C}
27 ∘C27\,^{\circ}\text{C}
81 ∘C81\,^{\circ}\text{C}
573,15 ∘C573{,}15\,^{\circ}\text{C}

$$26{,}85\,^{\circ}\text{C}$$

Explication

La conversion donne 300−273,15=26,85 ∘C300-273{,}15=26{,}85\,^{\circ}\text{C}. Ajouter la constante, l’arrondir à 273 ou multiplier par elle sont des erreurs de calcul distinctes.

13. Dans un thermomètre à dénivellation, une colonne de liquide s’allonge lorsque la température augmente. Quelle grandeur sert ici d’indicateur thermométrique ?

La variation de longueur de la colonne de liquide
La variation de volume du récipient contenant le liquide
La variation de pression dans la colonne de liquide
La valeur de température lue sans changement de longueur

La variation de longueur de la colonne de liquide

Explication

Dans un thermomètre à dénivellation, la dilatation linéaire fait varier la longueur de la colonne, qui constitue la grandeur thermométrique. La pression, le volume du récipient et la température elle-même ne sont pas la grandeur indicatrice décrite.

14. Une tige de longueur initiale Li=2 mL_i=2\,\text{m}, de coefficient constant α=1,0×10−5 K−1\alpha=1{,}0\times10^{-5}\,\text{K}^{-1}, est chauffée de 20 K20\,\text{K}. Quelle est sa variation de longueur selon la loi de dilatation linéaire ?

2,0×10−4 m2{,}0\times10^{-4}\,\text{m}
2,0×10−5 m2{,}0\times10^{-5}\,\text{m}
1,0×106 m1{,}0\times10^{6}\,\text{m}
4,0×10−4 m4{,}0\times10^{-4}\,\text{m}

$$4{,}0\times10^{-4}\,\text{m}$$

Explication

La loi donne ΔL=αLiΔT=(1,0×10−5)(2)(20)=4,0×10−4 m\Delta L=\alpha L_i\Delta T=(1{,}0\times10^{-5})(2)(20)=4{,}0\times10^{-4}\,\text{m}. Omettre la longueur initiale ou l’écart de température supprime un facteur, tandis qu’inverser le coefficient produit une valeur incohérente.

15. Dans un liquide au repos soumis à la pesanteur, l’axe vertical zz est orienté vers le haut. Quelle variation de pression prévoit l’équilibre lorsque l’on se déplace horizontalement, sans changer d’altitude ?

La pression diminue horizontalement selon la masse volumique
La pression ne varie pas horizontalement
La pression augmente horizontalement selon la pesanteur
La pression reste uniforme selon l’altitude et les directions horizontales

La pression ne varie pas horizontalement

Explication

L’équilibre hydrostatique donne dPdx=dPdy=0\frac{dP}{dx}=\frac{dP}{dy}=0 : à altitude constante, la pression ne varie pas horizontalement. Une variation liée à la masse volumique ou à la pesanteur confond les directions horizontales avec l’axe vertical, tandis qu’une uniformité selon l’altitude contredit le gradient vertical.

16. Dans un fluide au repos de masse volumique ρ\rho, on choisit un axe vertical zz orienté vers le haut. Quelle relation décrit la variation locale de pression lorsqu’on monte d’une petite hauteur dz>0dz>0 ?

dP=0dP=0
dP=−g dzdP=-g\,dz
dP=ρg dzdP=\rho g\,dz
dP=−ρg dzdP=-\rho g\,dz

$$dP=-\rho g\,dz$$

Explication

L’équation locale de l’hydrostatique est dP=−ρg dzdP=-\rho g\,dz ; pour une montée, la pression diminue. Le signe positif inverse le sens de variation, l’expression sans ρ\rho omet la masse volumique, et une variation nulle ne décrit pas le gradient vertical.

17. Un laboratoire choisit un dispositif dont une grandeur mesurable change avec la pression suivant une relation établie à l’avance. Quel type de dispositif répond à cette définition ?

Un baromètre étalon sans grandeur mesurable variable
Un thermomètre
Une pompe
Un manomètre

Un manomètre

Explication

Un manomètre est un système thermodynamique dont une grandeur mesurable varie avec la pression selon une variation connue ou calibrée. Un thermomètre relève la température, une grandeur mesurée n’est pas l’instrument qui la mesure, et une pompe sert à produire un écoulement ou une pression.

18. Une équipe doit mesurer d’une part la différence de pression entre les deux branches d’un tube en U et, d’autre part, la pression atmosphérique absolue à partir d’une colonne de mercure. Quels instruments conviennent dans cet ordre ?

Baromètre de Torricelli, puis manomètre hydrostatique en U
Deux baromètres de Torricelli
Deux manomètres hydrostatiques en U
Manomètre hydrostatique en U, puis baromètre de Torricelli

Manomètre hydrostatique en U, puis baromètre de Torricelli

Explication

Le tube en U fournit une mesure relative entre ses deux branches, tandis que la hauteur de mercure du baromètre de Torricelli donne la pression atmosphérique absolue. Inverser ces appareils confond leurs usages, et les deux autres choix attribuent à tort la mesure absolue ou relative au mauvais instrument.

19. Lorsqu’on diminue la pression d’un gaz réel vers zéro, quel comportement le modèle du gaz parfait permet-il de représenter ?

Le comportement des gaz à pression élevée
Une composition chimique identique pour tous les gaz
Le comportement universel des gaz à faible pression
Un comportement différent pour chaque gaz à faible pression

Le comportement universel des gaz à faible pression

Explication

Le modèle du gaz parfait reproduit le comportement universel des gaz dans la limite où la pression tend vers zéro. L’option sur la pression élevée inverse la limite considérée, celle sur les comportements propres nie leur universalité, et celle sur la composition confond comportement physique et nature chimique.

20. Deux gaz de natures différentes sont étudiés à température fixe et à très faible pression. Selon la loi de Boyle-Mariotte, que peut-on conclure sur le produit PVPV ?

Il tend vers une constante dépendant de la quantité de gaz, mais pas de sa nature.
Il tend vers une constante dépendant de la nature du gaz, mais pas de sa quantité.
Il varie avec la température, même si celle-ci reste fixe.
Il tend vers une constante indépendante de la quantité et de la nature du gaz.

Il tend vers une constante dépendant de la quantité de gaz, mais pas de sa nature.

Explication

À température fixe, PVPV tend vers une constante lorsque la pression tend vers zéro ; cette constante dépend de la quantité de matière, et non de la nature du gaz. Faire dépendre la constante de la nature du gaz confond ces deux facteurs, la rendre indépendante de la quantité oublie une dépendance explicitement prévue, et invoquer une température variable contredit la situation.

21. Un échantillon contient 2,02{,}0 moles de gaz parfait à 300 K300\ \mathrm{K} dans un volume de 0,050 m30{,}050\ \mathrm{m^3}. En utilisant R=8,314 J⋅K−1⋅mol−1R=8{,}314\ \mathrm{J\cdot K^{-1}\cdot mol^{-1}}, quelle pression prévoit l’équation d’état ?

Environ 9,98×104 Pa9{,}98\times10^4\ \mathrm{Pa}
Environ 4,99×104 Pa4{,}99\times10^4\ \mathrm{Pa}
Environ 2,50×10−7 Pa2{,}50\times10^{-7}\ \mathrm{Pa}
Environ 2,49×102 Pa2{,}49\times10^2\ \mathrm{Pa}

Environ $$9{,}98\times10^4\ \mathrm{Pa}$$

Explication

L’équation PV=nRTPV=nRT donne P=nRT/V=(2,0×8,314×300)/0,050≈9,98×104 PaP=nRT/V=(2{,}0\times8{,}314\times300)/0{,}050\approx9{,}98\times10^4\ \mathrm{Pa}. La valeur très faible traduit une inversion du rapport, la moitié du résultat omet une mole, et la valeur en pascals trop petite correspond à une mauvaise utilisation du volume.

22. Un gaz contient 3,0×10233{,}0\times10^{23} particules. Quelle relation permet de déterminer sa quantité de matière en moles ?

Prendre le nombre de particules comme valeur en moles
Diviser le nombre de particules par le nombre d’Avogadro
Multiplier le nombre de particules par le nombre d’Avogadro
Diviser le nombre d’Avogadro par le nombre de particules

Diviser le nombre de particules par le nombre d’Avogadro

Explication

La relation est n=N/NAn=N/N_A : la quantité de matière s’obtient en divisant le nombre de particules par le nombre d’Avogadro. La multiplication inverse l’opération, le quotient inversé échange le numérateur et le dénominateur, et prendre directement NN pour des moles confond particules et quantité de matière.

23. Dans un récipient de volume VV à la température TT, comment définir la pression partielle de l’espèce gazeuse ii ?

La pression qu’aurait l’espèce si elle occupait seule le volume VV à la température TT
La pression exercée par l’ensemble des espèces présentes dans le volume VV
La fraction de la pression totale correspondant à la proportion molaire de l’espèce
La pression qu’aurait l’espèce si elle occupait seule son volume propre à la température TT

La pression qu’aurait l’espèce si elle occupait seule le volume $$V$$ à la température $$T$$

Explication

La pression partielle est la pression que le gaz de l’espèce ii exercerait s’il occupait seul le volume total, à la même température. La pression totale concerne toutes les espèces, tandis que le volume propre et la fraction molaire ne sont pas la définition demandée.

24. Un mélange de deux gaz parfaits dans un même récipient présente des pressions partielles de 120 kPa120\,\text{kPa} et 80 kPa80\,\text{kPa}. Quelle est sa pression totale selon la loi de Dalton ?

9600 kPa9600\,\text{kPa}
200 kPa200\,\text{kPa}
40 kPa40\,\text{kPa}
120 kPa120\,\text{kPa}

$$200\,\text{kPa}$$

Explication

La loi de Dalton donne la pression totale comme la somme des pressions partielles : 120+80=200 kPa120+80=200\,\text{kPa}. La différence, le produit et la seule pression la plus élevée résultent respectivement d’une soustraction, d’une multiplication et de l’omission d’une espèce.

Révisez avec les flashcards

Mémorisez les réponses avec 62 flashcards sur Introduction à la thermodynamique.

Qu’est-ce qu’un système thermodynamique ?

Un corps ou un ensemble de corps distingué du milieu extérieur et décrit par des paramètres macroscopiques.

Qu’est-ce qu’un système fermé n’échange pas avec l’extérieur ?

De la matière.

Qu’est-ce qu’un système fermé peut échanger avec l’extérieur ?

De l’énergie.

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