QCM : Thermodynamique générale — 30 questions

Questions et réponses du QCM

1. Pourquoi la variation infinitésimale du travail est-elle notée δW\delta W plutôt que dWdW ?

Parce que le travail ne peut être transféré qu’à volume constant
Parce que le travail correspond toujours à un transfert thermique
Parce que le travail n’est pas a priori une fonction d’état
Parce que le travail est une grandeur d’état indépendante du chemin

Parce que le travail n’est pas a priori une fonction d’état

Explication

Le travail dépend en général du chemin suivi et n’est donc pas a priori une fonction d’état, ce qui conduit à employer δW\delta W. Une différentielle exacte comme dWdW serait associée à une fonction d’état bien définie.

2. Dans quelle condition une transformation thermodynamique est-elle qualifiée d’isochore ?

Sa température reste constante
Son volume reste constant
Sa pression reste constante
Son entropie reste constante

Son volume reste constant

Explication

Une transformation isochore se déroule à volume constant. Une température constante définit une transformation isotherme, tandis qu’une entropie constante intervient dans la définition d’une transformation isentrope.

3. À quelle température l’eau pure est-elle en équilibre liquide-solide sous une pression de 1 atm1\ \mathrm{atm} ?

273 ∘C273\ ^\circ\mathrm{C}
100 ∘C100\ ^\circ\mathrm{C}
0 ∘C0\ ^\circ\mathrm{C}
25 ∘C25\ ^\circ\mathrm{C}

$$0\ ^\circ\mathrm{C}$$

Explication

Sous une pression de 1 atm1\ \mathrm{atm}, l’équilibre entre l’eau liquide et la glace se produit à 0 ∘C0\ ^\circ\mathrm{C}. La température de 100 ∘C100\ ^\circ\mathrm{C} correspond à l’équilibre liquide-vapeur dans ces mêmes conditions de pression.

4. Un système possède des paramètres d’état constants dans le temps et dans l’espace, mais sa température diffère de celle de son environnement. Quelle conclusion est correcte ?

Il est en équilibre interne, mais pas nécessairement en équilibre avec son environnement.
Il est en équilibre avec son environnement, même si sa température reste différente.
Il est en transformation cyclique, car ses paramètres d’état restent constants.
Il est hors équilibre interne, car l’environnement n’a pas la même température.

Il est en équilibre interne, mais pas nécessairement en équilibre avec son environnement.

Explication

La constance des paramètres dans le système suffit à caractériser l’équilibre interne. L’équilibre avec l’environnement demande en plus l’égalité de paramètres pertinents, notamment la température ou la pression.

5. Pour un gaz parfait, comment s’expriment les variations d’énergie interne et d’enthalpie lors d’une variation de température ?

ΔU=nCpΔT\Delta U=nC_p\Delta T et ΔH=nCvΔT\Delta H=nC_v\Delta T
ΔU=nCvΔT\Delta U=nC_v\Delta T et ΔH=nCpΔT\Delta H=nC_p\Delta T
ΔU=nRΔT\Delta U=nR\Delta T et ΔH=n(Cp−Cv)ΔT\Delta H=n(C_p-C_v)\Delta T
ΔU=nCvΔT\Delta U=nC_v\Delta T et ΔH=nRΔT\Delta H=nR\Delta T

$$\Delta U=nC_v\Delta T$$ et $$\Delta H=nC_p\Delta T$$

Explication

La loi de Joule associe CvC_v à la variation d’énergie interne et CpC_p à la variation d’enthalpie. Intervertir ces deux capacités thermiques constitue la confusion classique entre les deux grandeurs.

6. Quelles propriétés caractérisent une transformation isentrope ?

Elle est adiabatique, réversible et sans frottement
Elle est isotherme, irréversible et avec frottement
Elle est isobare, irréversible et sans échange mécanique
Elle est isochore, réversible et avec échange thermique

Elle est adiabatique, réversible et sans frottement

Explication

Une transformation isentrope est adiabatique et réversible ; elle est donc sans transfert de chaleur, quasi-statique et sans frottement. Une transformation isotherme concerne la température et ne garantit pas, à elle seule, l’absence de chaleur ou de frottement.

7. Dans une transformation isochore sans autre travail, quelle relation décrit correctement les échanges d’énergie ?

ΔH=nCv‾ΔT=Q\Delta H=n\overline{C_v}\Delta T=Q, avec un travail des forces pressantes non nul
ΔU=nCp‾ΔT=Q\Delta U=n\overline{C_p}\Delta T=Q, avec un travail des forces pressantes non nul
ΔH=nCp‾ΔT=Q\Delta H=n\overline{C_p}\Delta T=Q, avec un travail des forces pressantes nul
ΔU=nCv‾ΔT=Q\Delta U=n\overline{C_v}\Delta T=Q, avec un travail des forces pressantes nul

$$\Delta U=n\overline{C_v}\Delta T=Q$$, avec un travail des forces pressantes nul

Explication

À volume constant, le travail des forces pressantes est nul ; la chaleur reçue ou cédée correspond donc à la variation d’énergie interne, calculée avec Cv‾\overline{C_v}. L’enthalpie et Cp‾\overline{C_p} interviennent plutôt dans le bilan thermique isobare.

8. Quelle température absolue correspond à 25 °C25\,°\mathrm C ?

273,15 K273{,}15\,\mathrm K
325,15 K325{,}15\,\mathrm K
298,15 K298{,}15\,\mathrm K
248,15 K248{,}15\,\mathrm K

$$298{,}15\,\mathrm K$$

Explication

La conversion s’effectue avec T(K)=θ(°C)+273,15T(\mathrm K)=\theta(°\mathrm C)+273{,}15, ce qui donne 25+273,15=298,15 K25+273{,}15=298{,}15\,\mathrm K. La valeur 273,15 K273{,}15\,\mathrm K correspond à 0 °C0\,°\mathrm C.

9. Quelle grandeur reste constante au cours d’une transformation isotherme ?

La pression
L’entropie
La température
Le volume

La température

Explication

Le terme isotherme signifie que la température demeure constante pendant la transformation. Un volume constant correspond à une transformation isochore, alors qu’une pression constante correspond à une transformation isobare.

10. Un gaz parfait se détend de l’état initial à l’état final selon une transformation isentropique ; quelle expression permet de calculer son travail ?

WFP=PfVf−PiViγ−1W_{FP}=\frac{P_fV_f-P_iV_i}{\gamma-1}
WFP=−nRTln⁡(VfVi)W_{FP}=-nRT\ln\left(\frac{V_f}{V_i}\right)
WFP=PiVi−PfVfγW_{FP}=\frac{P_iV_i-P_fV_f}{\gamma}
WFP=nCv(Tf−Ti)W_{FP}=nC_v\left(T_f-T_i\right)

$$W_{FP}=\frac{P_fV_f-P_iV_i}{\gamma-1}$$

Explication

Le travail isentropique s’exprime à partir des produits pression-volume des états initial et final, divisés par γ−1\gamma-1. L’expression logarithmique est celle du travail isotherme, et la variation d’énergie interne ne constitue pas directement cette formule de travail.

11. Un fluide subit une transformation isobare sous une pression extérieure constante. Quelle expression donne le travail des forces pressantes reçu par le fluide ?

WFP=Pe(Vf−Vi)2W_{FP}=P_e(V_f-V_i)^2
WFP=−Pe(Vf−Vi)W_{FP}=-P_e(V_f-V_i)
WFP=Pe(Vf+Vi)W_{FP}=P_e(V_f+V_i)
WFP=−Vf−ViPeW_{FP}=-\frac{V_f-V_i}{P_e}

$$W_{FP}=-P_e(V_f-V_i)$$

Explication

Pour une transformation isobare, la pression extérieure constante peut être sortie de l’intégrale, donnant WFP=−Pe(Vf−Vi)W_{FP}=-P_e(V_f-V_i). Les autres expressions ne correspondent pas à l’intégration de −Pe dV-P_e\,dV.

12. Quelle définition correspond à une transformation thermodynamique ?

Une évolution suffisamment lente maintenant l’équilibre interne à chaque instant.
Une relation mathématique entre les paramètres d’un système à l’équilibre.
Une modification d’un ou plusieurs paramètres entre deux états d’équilibre interne.
Un retour du système à son état initial après une succession d’états intermédiaires.

Une modification d’un ou plusieurs paramètres entre deux états d’équilibre interne.

Explication

Une transformation est le passage entre deux états d’équilibre interne avec modification d’un ou plusieurs paramètres du système. Le retour à l’état initial caractérise une transformation cyclique, tandis que l’évolution lente décrit une transformation quasi-statique.

13. Une force normale de 200 N200\,\mathrm{N} agit sur une surface de 0,5 m20{,}5\,\mathrm{m^2}. Quelle pression exerce-t-elle ?

100 Pa100\,\mathrm{Pa}
200,5 Pa200{,}5\,\mathrm{Pa}
400 Pa400\,\mathrm{Pa}
0,0025 Pa0{,}0025\,\mathrm{Pa}

$$400\,\mathrm{Pa}$$

Explication

La pression se calcule par P=FAP=\frac{F}{A}, donc P=2000,5=400 PaP=\frac{200}{0{,}5}=400\,\mathrm{Pa}. Multiplier la pression par l’aire permettrait plutôt de retrouver la force totale.

14. Un objet de masse 2 kg2\,\mathrm{kg} se déplace à 3 m s−13\,\mathrm{m\,s^{-1}}. Quelle est son énergie cinétique de translation ?

3 J3\,\mathrm J
18 J18\,\mathrm J
9 J9\,\mathrm J
6 J6\,\mathrm J

$$9\,\mathrm J$$

Explication

L’énergie cinétique de translation vaut Ec=12mu2E_c=\frac{1}{2}mu^2, donc Ec=12×2×32=9 JE_c=\frac{1}{2}\times2\times3^2=9\,\mathrm J. La vitesse intervient au carré et non de manière linéaire.

15. Quel est le travail des forces pressantes reçu par un fluide dont le volume reste constant ?

WFP=PeViW_{FP}=P_eV_i
WFP=Pe(Vf−Vi)2W_{FP}=P_e(V_f-V_i)^2
WFP=0W_{FP}=0
WFP=−PeVfW_{FP}=-P_eV_f

$$W_{FP}=0$$

Explication

À volume constant, on a dV=0dV=0 pendant toute la transformation, donc δWFP=−Pe dV=0\delta W_{FP}=-P_e\,dV=0 et le travail total est nul. Une pression non nulle ne suffit pas à produire un travail si le volume ne varie pas.

16. Comment est compté un transfert d’énergie reçu par le système dans la convention indiquée ?

Son signe dépend de la pression extérieure
Il est positif
Il est nul
Il est négatif

Il est positif

Explication

Un transfert d’énergie est positif lorsqu’il correspond à un don d’énergie au système. Il est négatif lorsque le système cède de l’énergie ; son signe ne dépend donc pas directement de la pression extérieure.

17. Pour un gaz parfait en transformation isotherme, quelle expression donne le travail échangé ?

WFP=PfVf−PiViγ−1W_{FP}=\frac{P_fV_f-P_iV_i}{\gamma-1}
WFP=−nR(Tf−Ti)ln⁡(VfVi)W_{FP}=-nR\left(T_f-T_i\right)\ln\left(\frac{V_f}{V_i}\right)
WFP=−nRTln⁡(VfVi)W_{FP}=-nRT\ln\left(\frac{V_f}{V_i}\right)
WFP=−nRT(Vf−Vi)W_{FP}=-nRT\left(V_f-V_i\right)

$$W_{FP}=-nRT\ln\left(\frac{V_f}{V_i}\right)$$

Explication

Le travail isotherme d’un gaz parfait dépend du logarithme du rapport entre les volumes initial et final, à température constante. L’expression fondée sur la différence de volumes correspond à une autre forme de travail, tandis que la formule avec γ\gamma concerne l’évolution isentropique.

18. Quelle expression représente une variation finie de la grandeur PP entre deux états ?

ΔP=P2−P1\Delta P=P_2-P_1
ΔP=P2P1\Delta P=\frac{P_2}{P_1}
dP=P2−P1dP=P_2-P_1
dP=P1+P2dP=P_1+P_2

$$\Delta P=P_2-P_1$$

Explication

Une variation finie compare deux états séparés et s’écrit ΔP=P2−P1\Delta P=P_2-P_1. La notation dPdP est réservée à une variation infiniment petite, et non à une différence finie entre deux états.

19. Que devient principalement l’eau liquide lorsqu’on fournit de la chaleur à l’équilibre liquide-vapeur de l’eau ?

Elle reste liquide et augmente la quantité de glace présente
Elle se solidifie et alimente la phase solide
Elle se refroidit et transfère de la matière vers la phase solide
Elle se vaporise et alimente la phase vapeur

Elle se vaporise et alimente la phase vapeur

Explication

Un apport de chaleur à l’équilibre liquide-vapeur favorise la vaporisation de l’eau liquide, qui fournit alors de la matière à la vapeur. La solidification concerne l’équilibre liquide-solide et résulte d’un changement de phase différent.

20. Lors d’une transformation isobare avec changement de phase, quelle relation relie la chaleur et la variation d’enthalpie ?

ΔU=nCv‾ΔT=Q\Delta U=n\overline{C_v}\Delta T=Q
ΔU=nLchangement de phase=Q\Delta U=nL_{changement\ de\ phase}=Q
ΔH=nLchangement de phase=Q\Delta H=nL_{changement\ de\ phase}=Q
ΔH=nCp‾ΔT=Q\Delta H=n\overline{C_p}\Delta T=Q

$$\Delta H=nL_{changement\ de\ phase}=Q$$

Explication

Pendant un changement de phase à pression constante, la chaleur échangée est liée à l’enthalpie de changement de phase, soit nLchangement de phasenL_{changement\ de\ phase}. La relation avec Cp‾ΔT\overline{C_p}\Delta T décrit une transformation isobare sans changement de phase.

21. Quelle distinction caractérise les grandeurs extensives et intensives en thermodynamique ?

Les grandeurs extensives sont locales, tandis que les intensives s’additionnent dans tout le système.
Les grandeurs extensives sont additives pour le système, tandis que les intensives sont définies localement.
Les grandeurs extensives restent constantes dans le temps, tandis que les intensives varient avec la position.
Les grandeurs extensives décrivent la température, tandis que les intensives décrivent la quantité de matière.

Les grandeurs extensives sont additives pour le système, tandis que les intensives sont définies localement.

Explication

Une grandeur extensive concerne le système entier et peut être additionnée, comme la masse ou le volume, tandis qu’une grandeur intensive est définie en chaque point, comme la pression ou la température. La température et la pression ne sont donc pas des grandeurs extensives.

22. Dans quelles conditions plusieurs phases en contact sont-elles en équilibre thermodynamique ?

Elles sont en contact, même si des échanges d’énergie modifient encore leurs propriétés
Elles ont des températures différentes et une pression commune imposée par le récipient
Elles ont la même température, mais leurs pressions peuvent varier selon leur volume
Elles ont la même pression et la même température, avec une composition fixée si nécessaire

Elles ont la même pression et la même température, avec une composition fixée si nécessaire

Explication

L’équilibre entre phases requiert l’égalité de la pression et de la température, ainsi qu’une composition déterminée pour un mélange. Le simple contact entre deux phases ne suffit pas, car elles peuvent encore être hors équilibre.

23. Pourquoi une transformation menée suffisamment lentement peut-elle être qualifiée de quasi-statique ?

Parce que le système reste en quasi-équilibre interne et que ses paramètres restent identifiables.
Parce que le système conserve nécessairement sa température initiale pendant toute l’évolution.
Parce que le système atteint son état final sans modifier aucun paramètre d’état.
Parce que le système échange une quantité constante d’énergie avec son environnement.

Parce que le système reste en quasi-équilibre interne et que ses paramètres restent identifiables.

Explication

Une transformation quasi-statique est assez lente pour maintenir progressivement un quasi-équilibre interne et rendre les paramètres continuellement identifiables. Une transformation rapide peut ne pas préserver cet équilibre pendant son déroulement.

24. Quelle pression doit intervenir dans le calcul général du travail des forces pressantes reçu par un fluide ?

La pression finale du fluide
La pression initiale du fluide
La pression interne moyenne du fluide
La pression extérieure PeP_e

La pression extérieure $$P_e$$

Explication

Le travail élémentaire reçu par le fluide est δWFP=−Pe dV\delta W_{FP}=-P_e\,dV, et le travail total s’obtient en intégrant la pression extérieure. La pression du système peut la remplacer lorsque la transformation est quasi-statique, mais pas dans le cas général.

25. Quelle expression décrit l’énergie interne d’un système ?

L’énergie microscopique totale, incluant les mouvements des particules et leurs interactions.
L’énergie potentielle gravitationnelle associée à la position du système.
L’énergie mécanique macroscopique liée au déplacement et à la hauteur du système.
L’énergie reçue sous forme de chaleur pendant une transformation donnée.

L’énergie microscopique totale, incluant les mouvements des particules et leurs interactions.

Explication

L’énergie interne regroupe les énergies microscopiques des particules, notamment leurs énergies cinétiques et potentielles d’interaction. L’énergie potentielle gravitationnelle décrit la position macroscopique du système et ne constitue pas à elle seule son énergie interne.

26. Comment caractérise-t-on un système isolé du point de vue de ses échanges avec l’environnement ?

Il ne peut échanger d’énergie avec son environnement
Il peut échanger de la chaleur mais pas de matière
Il peut échanger du travail mais pas de chaleur
Il échange de l’énergie lorsque son volume varie

Il ne peut échanger d’énergie avec son environnement

Explication

Un système isolé est un système fermé qui ne peut échanger d’énergie avec son environnement. Le fait de permettre un échange de chaleur ou de travail le rendrait non isolé, même s’il restait fermé.

27. Quelle expression différentielle décrit l’énergie interne de nn moles lorsqu’elle dépend de la température et du volume ?

dU=nCvdT+(l−p)dVdU=nC_vdT+(l-p)dV
dU=nCpdT+(nk+V)dVdU=nC_pdT+(nk+V)dV
dU=nCvdT+(l−p)dPdU=nC_vdT+(l-p)dP
dU=nCpdT+(nk+V)dPdU=nC_pdT+(nk+V)dP

$$dU=nC_vdT+(l-p)dV$$

Explication

L’énergie interne est décrite ici par un terme thermique en dTdT associé à CvC_v et par un terme lié à la variation de volume. L’expression faisant intervenir CpC_p et dPdP correspond à la différentielle de l’enthalpie.

28. Quelle relation caractérise une transformation isentropique d’un gaz parfait ?

P1V1γ=P2V2γP_1V_1^\gamma=P_2V_2^\gamma
P1γV1=P2γV2P_1^\gamma V_1=P_2^\gamma V_2
P1V1=P2V2P_1V_1=P_2V_2
P1V1γ=P2V2γ\frac{P_1}{V_1^\gamma}=\frac{P_2}{V_2^\gamma}

$$P_1V_1^\gamma=P_2V_2^\gamma$$

Explication

Une transformation isentropique réversible d’un gaz parfait vérifie la relation de Laplace, dans laquelle la puissance γ\gamma porte sur le volume. La relation PV=constantePV=\text{constante} décrit plutôt le cas isotherme.

29. Quelle relation de Mayer relie les capacités thermiques molaires d’un gaz parfait ?

Cv−Cp=RC_v-C_p=R
Cp=CvC_p=C_v
Cp+Cv=RC_p+C_v=R
Cp−Cv=RC_p-C_v=R

$$C_p-C_v=R$$

Explication

La relation de Mayer indique que la capacité thermique à pression constante dépasse celle à volume constant de la constante des gaz parfaits. Ainsi, CpC_p et CvC_v ne sont pas égales et leur différence est positive.

30. Pour nn moles sans changement de phase, quelle expression différentielle correspond à l’enthalpie ?

dH=nCpdT+(nk+V)dPdH=nC_pdT+(nk+V)dP
dH=nCvdT+(nk+V)dPdH=nC_vdT+(nk+V)dP
dH=nCvdT+(l−p)dVdH=nC_vdT+(l-p)dV
dH=nCpdT+(nk+V)dVdH=nC_pdT+(nk+V)dV

$$dH=nC_pdT+(nk+V)dP$$

Explication

La différentielle de l’enthalpie associe la variation de température à la capacité thermique CpC_p et la variation de pression au terme complémentaire indiqué. L’emploi de CvC_v avec une variation de volume caractérise plutôt l’expression donnée pour l’énergie interne.

Révisez avec les flashcards

Mémorisez les réponses avec 57 flashcards sur Thermodynamique générale.

Quelles grandeurs sont additives et concernent le système entier ?

Les grandeurs extensives.

Quelles grandeurs sont définies en chaque point du corps ?

Les grandeurs intensives.

Qu'est-ce qu'un système en équilibre interne ?

Ses paramètres d’état restent constants dans le temps et dans l’espace.

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