QCM : Propriétés thermodynamiques de la matière (48 questions)

Explication

En appliquant $pV=nRT$, on obtient $V=\frac{nRT}{p}=\frac{2{,}0\times8{,}314\times300}{1{,}0\times10^5}\approx4{,}99\times10^{-2}\ \mathrm{m^3}$. Les autres valeurs résultent d’erreurs dans le facteur numérique ou dans le réarrangement de l’équation.

Explication

Pour une masse donnée de gaz, l’équation s’écrit $pV=mrT$, où $r$ est la constante massique. La constante molaire $R$ s’emploie avec la quantité de matière $n$ dans $pV=nRT$.

Explication

Le paramètre $a$ corrige l’effet des attractions intermoléculaires, tandis que $b$ tient compte du volume propre des molécules, appelé covolume. Inverser ces deux rôles constitue la confusion principale associée à cette équation.

Explication

Le point triple de l’eau est défini par une température de $0,01\ ^\circ\mathrm{C}$ et une pression de $611\ \mathrm{Pa}$. La température proche de $0\ ^\circ\mathrm{C}$ sous pression atmosphérique correspond plutôt à la fusion usuelle.

Explication

La chaleur sensible entraîne une variation de température sans changement d’état, alors que la chaleur latente accompagne une transformation physique à température constante. La distinction repose donc sur l’effet thermique observé, et non sur l’état initial du corps.

Explication

Une équation d’état relie les variables d’état et permet d’exprimer l’état d’équilibre d’un système. Elle ne décrit ni la trajectoire individuelle des particules ni, à elle seule, la composition chimique détaillée.

Explication

La thermodynamique étudie aujourd’hui les transformations de l’énergie et de la matière, en reliant notamment les phénomènes thermiques et mécaniques. L’étude de la composition chimique relève principalement de la chimie, tandis que les deux autres propositions concernent la mécanique ou la physique des ondes.

Explication

Un système thermodynamique est une portion de l’espace limitée par une surface réelle ou fictive et contenant la matière étudiée. Il ne s’agit donc pas nécessairement d’une surface matérielle ni d’une région définie par les seuls échanges thermiques.

Explication

Le cycle Diesel étudié comprend une compression adiabatique et une détente adiabatique. Les transformations isochores ou isobares correspondent plutôt à des étapes d’apport ou de rejet de chaleur.

Explication

La forme intégrée met en jeu la différence des inverses de température et s’écrit avec le facteur $-L/R$. Une différence directe de températures ou un signe différent ne correspond pas à cette intégration.

Explication

La chaleur sensible entraîne une variation de température, alors que la chaleur latente intervient lors d’un changement d’état. Confondre leurs rôles revient à attribuer une variation de température caractéristique à la chaleur latente.

Explication

Pour une force constante colinéaire au déplacement, la puissance vaut $P=Fv$, donc $P=200\times3=600\,\mathrm{W}$. La valeur $66{,}7\,\mathrm{W}$ résulterait d’une division de la force par la vitesse, qui ne correspond pas à cette relation.

Explication

Le modèle du gaz parfait décrit correctement les gaz réels à faible pression et suit rigoureusement plusieurs lois fondamentales des gaz. Une pression élevée ne constitue pas la condition privilégiée indiquée pour cette approximation.

Explication

Dans cette convention, une énergie reçue par le système est comptabilisée positivement, tandis qu’une énergie cédée est négative. Le signe ne dépend pas de la nature chimique du système, mais du sens de l’échange énergétique.

Explication

L’énergie potentielle gravitationnelle dépend de la masse, de l’accélération gravitationnelle et de la hauteur, selon $E_p=mgz$. L’énergie cinétique dépend de la masse et du carré de la vitesse, selon $E_c=\frac{1}{2}mu^2$.

Explication

La démarche consiste à obtenir d’abord une approximation par la loi des gaz parfaits, puis à utiliser une équation réelle comme celle de Van der Waals. Cette seconde étape prend en compte les interactions moléculaires et le volume propre des molécules.

Explication

La méthode consiste à calculer d’abord le facteur de compressibilité $Z_g$, puis la masse volumique $\rho_g$ pour chaque température. Les autres couples de grandeurs ne décrivent pas la procédure indiquée avec Redlich-Kwong.

Explication

La relation de Clapeyron donne $\frac{dp}{dT}=\frac{L}{T\Delta V}$. Inverser le rapport ou multiplier par $\Delta V$ ne respecte pas la dépendance entre la pente, la chaleur latente et la variation de volume.

Explication

À volume constant, le transfert élémentaire vérifie $\delta Q=nC_vdT$. L’expression avec $C_p$ correspond à une transformation à pression constante, et non à volume constant.

Explication

Le travail mécanique des forces de pression s’écrit $W_{if}=-\int_i^f p\,dV$, avec le signe négatif selon la convention indiquée. L’expression utilisant directement $\int p\,dV$ omet ce signe essentiel.

Explication

En rotation, la puissance mécanique se calcule par $P=C\omega$, soit $P=40\times15=600\,\mathrm{W}$. La relation de translation $P=Fv$ ne convient pas ici, car le mouvement est décrit par un couple et une vitesse angulaire.

Explication

Le travail d’une force constante est égal à la composante de la force dans la direction du déplacement multipliée par la distance, soit $W=Fd\cos\alpha$. Le sinus correspondrait à la composante perpendiculaire et ne donne pas l’expression du travail.

Explication

Un mélange homogène a une composition identique en tout point et constitue une seule phase. La présence de plusieurs phases caractérise au contraire un mélange hétérogène.

Explication

Une pression inférieure à la pression de vapeur saturante favorise la vaporisation du liquide. Lorsque la pression remonte, la vapeur formée peut ensuite se condenser.

Explication

Le potentiel chimique s’écrit $\mu_i(T)=\mu_i^*(T)+RT\ln a_i$, où l’activité intervient dans le terme logarithmique. Le signe négatif ou la division par la température modifierait la relation donnée.

Explication

Une transformation isobare conserve une pression constante. Une transformation isotherme conserve la température, tandis qu’une transformation isochore conserve le volume et qu’une transformation adiabatique se définit par l’absence d’échange de chaleur.

Explication

La chaleur totale s’obtient en additionnant successivement les contributions sensibles et latentes correspondant à chaque étape du chauffage. Se limiter à la variation globale de température négligerait l’énergie consommée lors des changements d’état.

Explication

Un cycle est moteur lorsque le système fournit un travail total au milieu extérieur. Lorsqu’il reçoit ce travail total, il est qualifié de récepteur, indépendamment d’une éventuelle constance de pression ou de variation de température.

Explication

La chaleur latente de changement d’état est donnée par $Q=mL$, avec $L$ exprimée en $\mathrm{J\,kg^{-1}}$. La température n’apparaît pas directement dans cette relation, contrairement à une formule de chaleur sensible.

Explication

Pour cette transformation, le travail massique reçu s’écrit $w_{12}=rT_1\ln\left(\frac{V_1}{V_2}\right)$. L’inversion du rapport des volumes changerait le signe du logarithme et ne correspondrait pas à la convention indiquée pour le travail reçu.

Explication

La grandeur $n$ désigne la quantité de matière, généralement exprimée en moles, dans l’équation $pV=nRT$. La masse $m$ est une grandeur différente et doit être reliée à la quantité de matière par la masse molaire.

Explication

Le facteur $Z$ sert à comparer le comportement d’un fluide réel à celui d’un gaz parfait, pour lequel il vaut 1. Il ne représente ni une quantité de matière, ni une température critique, ni une chaleur échangée.

Explication

La variation d’une fonction d’état ne dépend que des états initial et final, et non du chemin suivi. Le travail et la chaleur dépendent au contraire de la transformation particulière réalisée entre ces états.

Explication

Le rendement compare le travail utile fourni à l’énergie thermique reçue, d’où $\eta=\frac{W_{utile}}{Q_{reçue}}$. L’inversion du rapport ne correspond pas à la définition du rendement moteur.

Explication

Rumford a constaté que le perçage de fûts de canon en cuivre réchauffait l’eau voisine, ce qui indiquait un lien entre travail mécanique et chaleur. La dilatation de l’air dans un tube correspond plutôt au fonctionnement d’un thermoscope.

Explication

Une variable extensive dépend de la quantité de matière et ses valeurs s’additionnent pour des sous-systèmes réunis. Une variable intensive est au contraire indépendante de la quantité de matière et n’est pas additive.

Explication

Comme 120° est supérieur à 90°, $\cos(120^\circ)$ est négatif et le travail de la force est résistant. Un travail nul correspondrait à une force perpendiculaire au déplacement, soit un angle de 90°.

Explication

L’énergie interne $U$ correspond à la somme des énergies microscopiques des particules du système et constitue une fonction d’état extensive. La position et le mouvement globaux relèvent plutôt des descriptions macroscopiques de l’énergie potentielle ou cinétique.

Explication

L’équilibre entre deux phases exige que leur composition chimique n’évolue pas lorsqu’elles sont en contact. Une évolution de composition signale un transfert entre les phases, ce qui exclut cet équilibre.

Explication

La température de rosée correspond à l’apparition d’eau liquide, alors que la température de givre correspond à la formation d’une phase solide. La distinction repose donc sur l’état physique de l’eau formée.

Explication

Le volume dépend de la quantité de matière et s’additionne, ce qui en fait une variable extensive, tandis que la température est intensive. La confusion entre ces deux grandeurs constitue précisément une erreur fréquente.

Explication

Un système ouvert échange de la matière à travers sa frontière, comme ce réservoir qui reçoit du combustible et rejette des gaz. Un système fermé n’échange pas de matière, même s’il peut échanger de l’énergie.

Explication

Lorsqu’il n’y a pas de changement d’état, la chaleur échangée est donnée par $Q=mc\Delta T$, où $c$ est la capacité thermique massique. La relation $Q=mL$ s’applique plutôt à une chaleur latente associée à un changement d’état.

Explication

Une diminution de température indique que le système cède de la chaleur, donc que $Q$ est négatif. Une chaleur positive correspondrait au cas où le système reçoit de l’énergie thermique et voit sa température augmenter.

Explication

Pour un gaz parfait, $Z=1$, alors qu’un gaz réel peut présenter $Z<1$ et atteindre $Z>1$ dans le domaine supercritique. L’égalité à 1 ne caractérise donc pas tous les gaz réels.

Explication

Les interactions moléculaires deviennent importantes notamment à pression élevée, ce qui éloigne le gaz réel du modèle parfait et peut favoriser sa liquéfaction. À pression faible et dans des conditions où les molécules sont éloignées, le comportement idéal est généralement une meilleure approximation.

Explication

La loi de Charles relie le volume à la température lorsque la pression reste constante, tandis que la loi de Gay-Lussac relie la pression à la température absolue lorsque le volume reste constant. Les deux lois se distinguent donc par la grandeur maintenue constante.

Explication

À température constante, la loi de Boyle-Mariotte impose que le produit $pV$ demeure constant pour une masse donnée de gaz. La pression varie donc en sens inverse du volume, et non dans le même sens.