Flashcards : Structure et fonctions thermodynamiques — 90 cartes

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1Question

Quelle machine thermique Héron d’Alexandrie a-t-il construit au 1er siècle ?

Réponse

L’éolipyle, première machine thermique connue.

2Question

Quelle équivalence mécanique de la chaleur James Joule a-t-il établi ?

Réponse

1calorie=4,185J1\,\mathrm{calorie}=4{,}185\,\mathrm{J}.

3Question

Quelle loi fondamentale James Joule a-t-il montré concernant l’énergie ?

Réponse

L’énergie se conserve en se transformant entre ses formes.

4Question

En quelle année Sadi Carnot a-t-il publié ses résultats sur les machines thermiques ?

Réponse

En 1824.

5Question

Quel principe Sadi Carnot a-t-il posé en 1824 ?

Réponse

Les bases du second principe de la thermodynamique.

6Question

Quelle affirmation Julius Robert Mayer a-t-il formulée en 1842 ?

Réponse

L’énergie mécanique et la chaleur sont deux formes d’une même grandeur conservée et transformée.

7Question

Quelle notion Clausius a-t-il introduite en 1865 ?

Réponse

L’entropie liée à l’évolution réversible ou irréversible d’un système.

8Question

Quel auteur a introduit l’entropie en 1865 ?

Réponse

Clausius.

9Question

Qu'est-ce que la thermodynamique ?

Réponse

La science des systèmes en interaction avec le reste du monde.

10Question

Qu'est-ce que la thermodynamique classique décrit ?

Réponse

Les phénomènes observables à partir de grandeurs macroscopiques et lois empiriques.

11Question

Qu'est-ce qui n'est pas pris en compte par la thermodynamique classique ?

Réponse

La structure microscopique de la matière.

12Question

Quelles sont les principales grandeurs macroscopiques en thermodynamique classique ?

Réponse

La température, la pression, le volume, l’énergie et l’entropie.

13Question

Que représente le nombre de degrés de liberté d’un système mécanique ?

Réponse

Le nombre minimum de coordonnées indépendantes pour décrire sa configuration.

14Question

Quelle est la nature des observables thermodynamiques ?

Réponse

Elles sont de nature statistique.

15Question

Quand les fluctuations thermodynamiques deviennent-elles négligeables ?

Réponse

Lorsque le nombre de constituants est immense.

16Question

Qu'est-ce qu'une grandeur émergente ?

Réponse

Une grandeur sans sens à l’échelle moléculaire mais qui apparaît macroscopiquement.

17Question

Qu'est-ce qu'un système thermodynamique ?

Réponse

Un système délimité par une enveloppe séparant intérieur et extérieur.

18Question

Qu'est-ce que l'énergie interne U dans un système ?

Réponse

L'énergie contenue dans le système échangeant chaleur et travail.

19Question

Quelle est la formule du premier principe de la thermodynamique ?

Réponse

dU=δQ+δWdU=\delta Q+\delta W relie variation d'énergie interne, chaleur et travail.

20Question

Que ne peut pas interdire le premier principe de la thermodynamique ?

Réponse

Qu'un corps froid cède spontanément de la chaleur à un corps chaud.

21Question

Quand un échange est-il appelé travail ?

Réponse

Lorsqu'il implique un déplacement imposé de la frontière du système.

22Question

Quand un échange est-il appelé chaleur ?

Réponse

Lorsqu'il se produit sans déplacement imposé de la frontière du système.

23Question

Qu'impose un échange de travail dans un système thermodynamique ?

Réponse

Un déplacement imposé des frontières du système.

24Question

Qu'impose un échange de chaleur dans un système thermodynamique ?

Réponse

Un échange sans déplacement imposé des frontières.

25Question

Que se passe-t-il lors d'un échange de travail sur les niveaux d'énergie ?

Réponse

Les niveaux d'énergie se déplacent.

26Question

Que change lors d'un échange de chaleur dans la répartition des particules ?

Réponse

La répartition des particules change.

27Question

Comment varie une variable extensive avec la taille du système ?

Réponse

Elle varie linéairement avec la taille du système.

28Question

Comment varie une variable intensive quand on partage le système en sous-systèmes ?

Réponse

Elle ne varie pas.

29Question

Quelle est l'expression de l'énergie interne pour un gaz non chargé sans échange de matière ?

Réponse

U=TSPVU=TS-PV

30Question

Quelle différence principale existe entre premier et second principe de la thermodynamique ?

Réponse

Le premier principe traite de la quantité d’énergie, le second de sa qualité et direction.

31Question

Qu'est-ce que l'entropie selon Clausius (1845) ?

Réponse

L’entropie formalise l’irréversibilité et quantifie la dispersion de l’énergie.

32Question

Quelle est l'unité de l'entropie ?

Réponse

Le joule par kelvin.

33Question

Que se passe-t-il à la qualité de l’énergie lors d’une transformation spontanée ?

Réponse

Elle diminue en général.

34Question

Comment évolue la capacité d’un système à fournir du travail dans une transformation spontanée ?

Réponse

Elle se dégrade.

35Question

Quelle est la formule du rendement maximal d’une machine thermique réversible ?

Réponse

η=1TCTH\eta=1-\frac{T_C}{T_H}

36Question

Que signifient les énoncés de Clausius, Kelvin-Planck et Carnot ?

Réponse

Ils expriment l’impossibilité de certaines transformations spontanées.

37Question

Quelle impossibilité commune expriment Clausius, Kelvin-Planck et Carnot ?

Réponse

Le transfert spontané de chaleur du froid vers le chaud et un rendement cyclique de 100 %.

38Question

Quelles conditions définissent l'équilibre thermique, mécanique et chimique ?

Réponse

Les gradients de température, pression et potentiel chimique sont nuls.

39Question

Que stipule le principe zéro de la thermodynamique ?

Réponse

L'équilibre thermodynamique est transitif entre trois systèmes.

40Question

Que signifie l'équilibre thermodynamique concernant les flux de chaleur, matière et déformation ?

Réponse

Aucun flux net ne persiste à l'équilibre thermodynamique.

41Question

L'équilibre thermodynamique implique-t-il une homogénéité spatiale de toutes les grandeurs ?

Réponse

Non, l'équilibre ne signifie pas nécessairement une homogénéité spatiale.

42Question

Quelle différence existe-t-il entre un état stationnaire et un équilibre thermodynamique ?

Réponse

Un état stationnaire peut avoir des gradients et flux constants, l'équilibre thermodynamique aucun flux net.

43Question

Comment s'exprime le flux d'énergie à l'équilibre local dans un état stationnaire ?

Réponse

U˙=TS˙+μN˙\dot U = T\dot S + \mu \dot N lorsque les grandeurs intensives sont définies localement.

44Question

En quoi se décompose le flux d’énergie ?

Réponse

En un flux de travail W˙\dot{W} et un flux de chaleur Q˙\dot{Q}.

45Question

Les flux de travail et de chaleur sont-ils conservatifs séparément ?

Réponse

Non, ils ne sont pas conservatifs séparément mais peuvent se convertir l’un dans l’autre.

46Question

Quelle formule relie le courant d’entropie S˙\dot{S} au courant de chaleur Q˙\dot{Q} ?

Réponse

S˙=Q˙T\dot{S}=\frac{\dot{Q}}{T}.

47Question

Quelle est l’expression de la production d’entropie σ˙\dot{\sigma} ?

Réponse

σ˙=(1T)Q˙+1TQ˙\dot{\sigma}=\nabla\left(\frac{1}{T}\right)\cdot\dot{Q}+\frac{1}{T}\nabla\cdot\dot{Q}.

48Question

Quelle condition exprime la conservation de l’énergie ?

Réponse

U˙=0\nabla\cdot\dot{U}=0.

49Question

Pourquoi l’entropie n’est-elle généralement pas conservée ?

Réponse

Parce que σ˙=S˙0\dot{\sigma}=\nabla\cdot\dot{S}\neq0.

50Question

Qu’impose une transformation isentropique sur la production d’entropie σ˙\dot{\sigma} ?

Réponse

σ˙=0\dot{\sigma}=0.

51Question

Une transformation isentropique est-elle toujours adiabatique réversible ?

Réponse

Non, elle peut être adiabatique réversible mais ce n’est pas nécessairement le cas.

52Question

Qu'est-ce qui caractérise une transformation réversible ?

Réponse

Une succession infiniment dense d’états d’équilibre nécessitant une durée infinie.

53Question

Quelle différence principale existe entre transformation réversible et quasi-statique ?

Réponse

La transformation quasi-statique dure un temps fini avec une évolution macroscopique lente.

54Question

Quelle échelle de temps macroscopique justifie le caractère quasi-statique en électronique ?

Réponse

Environ 1010s10^{-10}\,\mathrm{s}.

55Question

Quelle grandeur impose une condition aux limites de Dirichlet ?

Réponse

La valeur d’une grandeur intensive.

56Question

Quel exemple illustre une condition aux limites de Dirichlet ?

Réponse

La température d’un thermostat.

57Question

Quelle grandeur impose une condition aux limites de Neumann ?

Réponse

La valeur d’un flux.

58Question

Quel exemple illustre une condition aux limites de Neumann ?

Réponse

Le flux solaire reçu par un panneau.

59Question

Qu'est-ce qu'un réservoir thermique ?

Réponse

Un système de capacité infinie dont la grandeur intensive reste inchangée par couplage.

60Question

Quelle loi relie le flux électrique au gradient de potentiel ?

Réponse

La loi d’Ohm Je=σV\mathbf{J}_e=-\sigma\nabla V.

61Question

Quelle loi relie le flux thermique au gradient de température ?

Réponse

La loi de Fourier JQ=κT\mathbf{J}_Q=-\kappa\nabla T.

62Question

Qu'est-ce qui différencie la conduction de la convection thermique ?

Réponse

La conduction transfère la chaleur sans mouvement de fluide, la convection avec.

63Question

Quelle formule exprime le flux convectif en fonction de la température ?

Réponse

qconv=h(TsT)q_{\mathrm{conv}}=h(T_s-T_\infty) avec hh coefficient de convection.

64Question

Quelle loi donne la puissance rayonnée par un corps noir ?

Réponse

La loi de Stefan-Boltzmann Q˙=σεAT4\dot{Q}=\sigma\varepsilon A T^4.

65Question

Quelle est la valeur de la constante de Stefan-Boltzmann ?

Réponse

σ=5.67×108Wm2K4\sigma=5.67\times10^{-8}\,\mathrm{W\,m^{-2}\,K^{-4}}.

66Question

Quelle est la puissance solaire moyenne interceptée par la Terre ?

Réponse

Environ 1.74×1017W1.74\times10^{17}\,\mathrm{W} avant albédo et atmosphère.

67Question

Quelle est la valeur approximative de l’albédo terrestre ?

Réponse

Environ 0,3, reflétant 30 % du rayonnement solaire incident.

68Question

Qu'est-ce qu'une grandeur intensive en thermodynamique ?

Réponse

Une grandeur intensive est une dérivée partielle d'une grandeur extensive par rapport à une autre.

69Question

Quelle homogénéité impose l'extensivité à la fonction énergie ?

Réponse

L'extensivité impose une homogénéité du premier ordre.

70Question

Quelle est la relation d'Euler pour un système simple ?

Réponse

U=TSPV+μNU=TS-PV+\mu N

71Question

Quelle est la forme différentielle de la relation de Gibbs pour l'énergie ?

Réponse

dU=TdSPdV+μdNdU=T\,dS-P\,dV+\mu\,dN

72Question

Quelle est la relation de Gibbs-Duhem pour l'énergie ?

Réponse

SdTVdP+Ndμ=0S\,dT - V\,dP + N\,d\mu = 0

73Question

Sur quoi reposent les relations de Maxwell ?

Réponse

Sur l'égalité des dérivées croisées d'une différentielle totale exacte.

74Question

Donnez un exemple de relation de Maxwell issue de l'énergie interne.

Réponse

(TV)S,N=(PS)V,N\left(\frac{\partial T}{\partial V}\right)_{S,N} = -\left(\frac{\partial P}{\partial S}\right)_{V,N}

75Question

Comment s'obtient l'équilibre dans un système isolé à deux sous-systèmes ?

Réponse

En imposant la nullité de la variation de l'entropie totale pour chaque échange extensif autorisé.

76Question

Qu'impose l'équilibre pour une paroi mobile, diathermane et perméable ?

Réponse

L'égalité de la température, de la pression et du potentiel chimique.

77Question

Qu'impose l'équilibre pour une paroi fixe concernant la pression ?

Réponse

L'égalité des pressions n'est pas nécessaire.

78Question

Que dit le troisième principe de la thermodynamique sur l'entropie à zéro absolu ?

Réponse

L'entropie tend vers une constante indépendante des autres paramètres.

79Question

Quelle est la formule de l'énergie libre de Helmholtz ?

Réponse

F(T,V,N)=UTSF(T,V,N)=U-TS

80Question

Quelle est la différentielle de l'énergie libre de Helmholtz ?

Réponse

dF=SdTPdV+μdNdF=-S\,dT-P\,dV+\mu\,dN

81Question

Quelles sont les formules des potentiels thermodynamiques H et G ?

Réponse

H=U+PVH=U+PV et G=HTSG=H-TS

82Question

Quelle condition rend une réaction spontanée à température et pression constantes ?

Réponse

La variation d'enthalpie libre vérifie ΔG<0\Delta G<0.

83Question

Comment s'exprime la chaleur spécifique à volume constant CVC_V ?

Réponse

CV=T(ST)VC_V = T\left(\frac{\partial S}{\partial T}\right)_V.

84Question

Quelle est la relation générale entre CPC_P et CVC_V ?

Réponse

CPCV=T(PT)V(VT)PC_P - C_V = T\left(\frac{\partial P}{\partial T}\right)_V \left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)_P.

85Question

Comment définit-on le coefficient adiabatique γ\gamma ?

Réponse

γ=CPCV\gamma = \frac{C_P}{C_V}.

86Question

Quelle relation vérifie une compression adiabatique réversible ?

Réponse

PVγ=cstePV^\gamma = \mathrm{cste}.

87Question

Quelle valeur prend γ\gamma pour un gaz parfait monoatomique ?

Réponse

γ=53\gamma = \frac{5}{3}.

88Question

Quelle est l'équation d'état du gaz parfait ?

Réponse

PV=nRTPV = nRT.

89Question

De quoi dépend l'énergie interne d'un gaz parfait ?

Réponse

Elle dépend uniquement de la température.

90Question

Quelle est la formule de la variation d'entropie ΔS\Delta S pour un gaz parfait ?

Réponse

ΔS=CVln(T2T1)+Rln(V2V1)\Delta S = C_V \ln\left(\frac{T_2}{T_1}\right) + R \ln\left(\frac{V_2}{V_1}\right).

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1. Quelle conclusion principale les expériences de James Joule ont-elles apportée à l’étude de la chaleur et de l’énergie ?

2. Quel résultat Sadi Carnot établit-il en 1824 dans ses travaux sur les machines thermiques ?

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