QCM : Premier principe en système ouvert (14 questions)

Questions et réponses du QCM

1. Comment caractériser un système ouvert par rapport aux échanges de matière ?

Il contient une entrée et une sortie, mais celles-ci ne sont pas délimitées par un volume de contrôle.
Il échange de l’énergie avec l’extérieur, mais sa matière reste enfermée dans une frontière fixe.
Il échange de la matière à travers une frontière sans entrée ni sortie identifiables.
Il échange de la matière avec l’extérieur par une entrée et une sortie délimitées par un volume de contrôle.

Il échange de la matière avec l’extérieur par une entrée et une sortie délimitées par un volume de contrôle.

Explication

Un système ouvert permet un échange de matière avec l’extérieur au niveau d’une entrée et d’une sortie définies par un volume de contrôle. Un système qui échange de l’énergie sans échange de matière ne correspond pas à cette caractérisation.

2. Un système ouvert fonctionne en régime stationnaire : que peut-on conclure sur son état au cours du temps ?

Sa masse ne s’accumule pas, mais son énergie interne augmente au cours du temps.
Ses paramètres d’état varient périodiquement, tandis que les accumulations moyennes s’annulent.
Ses paramètres d’état restent constants, mais une accumulation de masse peut se produire.
Ses paramètres d’état sont indépendants du temps et il n’accumule ni masse ni énergie.

Ses paramètres d’état sont indépendants du temps et il n’accumule ni masse ni énergie.

Explication

En régime stationnaire, les paramètres d’état ne dépendent pas du temps et il n’y a d’accumulation ni de masse ni d’énergie. Une accumulation de masse, même avec des paramètres constants, contredirait cette condition.

3. Dans un système ouvert en régime stationnaire, quelle relation exprime le débit massique ?

Le débit massique varie avec le temps selon la masse présente, soit qm=mtq_m=\frac{m}{t}.
Le débit massique constant est égal au produit de la masse par le temps, soit qm=mtq_m=mt.
Le débit massique constant est égal à la dérivée de la masse par rapport au temps, soit qm=m˙=dmdtq_m=\dot m=\frac{dm}{dt}.
Le débit massique est égal à la dérivée du volume par rapport au temps, soit qm=dVdtq_m=\frac{dV}{dt}.

Le débit massique constant est égal à la dérivée de la masse par rapport au temps, soit $$q_m=\dot m=\frac{dm}{dt}$$.

Explication

Le débit massique correspond à la variation de masse par unité de temps et reste constant en régime stationnaire. La dérivée du volume décrit un débit volumique, pas un débit massique.

4. Quel rôle remplit le travail de transvasement dans un système ouvert ?

Il représente le travail échangé entre le fluide et une pièce mécanique mobile du système.
Il mesure la variation d’énergie thermique du fluide entre l’entrée et la sortie du système.
Il correspond au travail nécessaire pour immobiliser le fluide à l’intérieur du système.
Il fournit le travail nécessaire pour faire circuler le fluide de l’entrée à la sortie du système.

Il fournit le travail nécessaire pour faire circuler le fluide de l’entrée à la sortie du système.

Explication

Le travail de transvasement sert à faire circuler le fluide entre l’entrée et la sortie du système. Le travail échangé avec une pièce mobile relève du travail utile.

5. Dans une turbine, quelle caractéristique permet de reconnaître le travail utile échangé par le fluide ?

Il s’agit du travail associé à la variation de masse du fluide stocké dans le système.
Il s’agit de l’énergie thermique échangée par le fluide pendant son passage dans la turbine.
Il s’agit du travail qui pousse le fluide de l’entrée vers la sortie à travers le système.
Il s’agit de la part du travail total échangée avec une pièce mécanique mobile, telle que la turbine.

Il s’agit de la part du travail total échangée avec une pièce mécanique mobile, telle que la turbine.

Explication

Le travail utile est la part du travail total échangée entre le fluide et une pièce mécanique mobile, comme une turbine. Le travail qui fait circuler le fluide correspond au travail de transvasement.

6. Pour un fluide dont les états d’entrée et de sortie sont caractérisés par P1,v1P_1,v_1 et P2,v2P_2,v_2, quelle expression donne le travail massique de transvasement ?

wt=P1v2−P2v1w_t=P_1v_2-P_2v_1
wt=P1v1+P2v2w_t=P_1v_1+P_2v_2
wt=P2v2−P1v1w_t=P_2v_2-P_1v_1
wt=P1v1−P2v2w_t=P_1v_1-P_2v_2

$$w_t=P_1v_1-P_2v_2$$

Explication

Le travail massique de transvasement est donné par la différence entre le produit pression-volume à l’entrée et celui à la sortie. Inverser l’ordre de ces deux termes change le signe de la relation.

7. Lorsqu’on applique le premier principe massique à un système ouvert, quelle relation relie les variations d’enthalpie et d’énergie mécanique massique au travail utile et à la chaleur ?

h2−h1+em,2−em,1=wu−qh_2-h_1+e_{m,2}-e_{m,1}=w_u-q
h2−h1+em,2−em,1=wu+qh_2-h_1+e_{m,2}-e_{m,1}=w_u+q
h2−h1−em,2+em,1=wu+qh_2-h_1-e_{m,2}+e_{m,1}=w_u+q
h2−h1+em,2−em,1=wt+qh_2-h_1+e_{m,2}-e_{m,1}=w_t+q

$$h_2-h_1+e_{m,2}-e_{m,1}=w_u+q$$

Explication

Le premier principe massique associe la variation d’enthalpie et celle de l’énergie mécanique massique au travail utile et à la chaleur. L’énergie mécanique massique inclut les contributions cinétique et potentielle, et le travail dans cette relation est le travail utile, non le travail de transvasement.

8. Dans un système ouvert, comment s’écrit le bilan de puissance à partir du débit massique ?

qm(h2−h1+em,2−em,1)=Pu−Pthq_m(h_2-h_1+e_{m,2}-e_{m,1})=P_u-P_{th}
qm(h2−h1−em,2+em,1)=Pu+Pthq_m(h_2-h_1-e_{m,2}+e_{m,1})=P_u+P_{th}
qm(h2−h1+em,2−em,1)=Pt+Pthq_m(h_2-h_1+e_{m,2}-e_{m,1})=P_t+P_{th}
qm(h2−h1+em,2−em,1)=Pu+Pthq_m(h_2-h_1+e_{m,2}-e_{m,1})=P_u+P_{th}

$$q_m(h_2-h_1+e_{m,2}-e_{m,1})=P_u+P_{th}$$

Explication

Le bilan de puissance s’obtient en associant le débit massique à la variation d’enthalpie et d’énergie mécanique massique, égale à la somme de la puissance utile et de la puissance thermique. La puissance de transvasement n’est pas le terme de puissance utilisé dans cette relation.

9. Quelle expression donne le travail utile massique échangé dans un compresseur ou une turbine entre les états 1 et 2 ?

wu=∫12T dsw_u=\int_1^2 T\,ds
wu=∫12h dTw_u=\int_1^2 h\,dT
wu=∫12v dPw_u=\int_1^2 v\,dP
wu=∫12P dvw_u=\int_1^2 P\,dv

$$w_u=\int_1^2 v\,dP$$

Explication

Le travail utile massique s’obtient en intégrant le volume massique par rapport à la pression entre les états 1 et 2. L’intégrale de P dvP\,dv correspond à une autre forme de travail et ne représente pas ici la relation demandée.

10. Une pompe comprime de l’eau au débit massique de 2 kg s−12\,\mathrm{kg\,s^{-1}}, avec vL=10−3 m3 kg−1v_L=10^{-3}\,\mathrm{m^3\,kg^{-1}}, de 1 bar à 20 bar. Quelle puissance consomme-t-elle ?

380 W
1900 W
3800 W
38 000 W

3800 W

Explication

Pour ces données, la puissance consommée par la pompe est de 3800 W. La valeur de 1900 W correspondrait à la moitié de cette puissance, alors que le débit massique fourni est bien pris en compte dans le résultat.

11. Dans un échangeur horizontal calorifugé, sans pièce mécanique et à vitesse constante, que peut-on conclure sur les puissances d’enthalpie des deux fluides ?

Elles sont nécessairement égales et positives
Leur somme est nulle
Leur somme est égale au travail d’une pièce mobile
La puissance du fluide chaud est toujours nulle

Leur somme est nulle

Explication

En l’absence d’échange thermique avec l’extérieur, de travail mécanique et de variation de vitesse, la somme des puissances d’enthalpie des fluides est nulle. Des puissances égales et positives ne traduiraient pas le bilan énergétique de l’échangeur.

12. Quel bilan exprime la conservation de la puissance d’enthalpie dans un échangeur traversé par les fluides F et C ?

qm,F(hF,2+hF,1)+qm,C(hC,2+hC,1)=0q_{m,F}(h_{F,2}+h_{F,1})+q_{m,C}(h_{C,2}+h_{C,1})=0
qm,F(hF,2−hF,1)+qm,C(hC,2−hC,1)=0q_{m,F}(h_{F,2}-h_{F,1})+q_{m,C}(h_{C,2}-h_{C,1})=0
qm,F(hF,2−hF,1)−qm,C(hC,2−hC,1)=0q_{m,F}(h_{F,2}-h_{F,1})-q_{m,C}(h_{C,2}-h_{C,1})=0
qm,F(hF,2−hF,1)+hC,2−hC,1=0q_{m,F}(h_{F,2}-h_{F,1})+h_{C,2}-h_{C,1}=0

$$q_{m,F}(h_{F,2}-h_{F,1})+q_{m,C}(h_{C,2}-h_{C,1})=0$$

Explication

Le bilan additionne les variations de puissance d’enthalpie des deux fluides et les égale à zéro. Soustraire le terme du second fluide n’est pas la forme du bilan donnée pour l’échangeur.

13. Dans une conduite en régime permanent, adiabatique et sans travail utile, quelle combinaison de grandeurs massiques reste constante ?

L’enthalpie, l’énergie cinétique et l’énergie potentielle
La pression, l’énergie cinétique et l’énergie potentielle
L’enthalpie, l’énergie cinétique et le travail utile
L’enthalpie, la pression et l’énergie potentielle

L’enthalpie, l’énergie cinétique et l’énergie potentielle

Explication

Le bilan énergétique associe l’enthalpie massique, l’énergie cinétique massique et l’énergie potentielle massique, dont la somme reste constante. La pression ne remplace pas l’enthalpie dans cette relation énergétique générale.

14. Dans une conduite où le diamètre se réduit, quel changement est prévu par l’application de Bernoulli à l’effet Venturi ?

La vitesse diminue et la pression diminue
La vitesse diminue et la pression augmente
La vitesse augmente et la pression diminue
La vitesse augmente et la pression augmente

La vitesse augmente et la pression diminue

Explication

Au rétrécissement, l’écoulement accélère tandis que la pression diminue, conformément à l’effet Venturi. Une hausse de pression avec l’augmentation de vitesse inverse la relation décrite pour ce cas.

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Qu’échange un système ouvert avec l’extérieur ?

De la matière, par une entrée et une sortie délimitées par un volume de contrôle.

Comment évoluent les paramètres d’état en régime stationnaire ?

Ils sont indépendants du temps.

Quelle grandeur ne s’accumule pas dans un système ouvert en régime stationnaire ?

La masse ni l’énergie ne s’y accumulent.

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