Quiz: Thermodynamique appliquée — 20 questions

1. Quelle caractéristique distingue principalement un solide à l’échelle microscopique ?

A. Ses particules restent liées et vibrent autour d’une position d’équilibre

B. Ses particules restent en contact mais roulent librement les unes sur les autres

C. Ses particules sont très éloignées et occupent tout l’espace disponible

D. Ses particules se déplacent sans interaction dans un récipient ouvert

Answer: (A)

Explanation

Dans un solide, les atomes ou molécules restent liés et vibrent autour d’une position d’équilibre. Cette organisation explique notamment sa forme propre et son incompressibilité.

2. On verse un liquide dans des récipients de formes différentes. Quelle propriété doit-on observer ?

A. Il occupe tout l’espace disponible et devient facilement compressible

B. Il forme nécessairement une surface inclinée quelle que soit la situation

C. Il épouse la forme du récipient tout en restant incompressible

D. Il conserve sa forme propre et devient compressible

Answer: (C)

Explanation

Un liquide prend la forme du récipient, mais ses particules restent en contact, ce qui le rend incompressible. Il se distingue ainsi à la fois du solide et du gaz.

3. Pourquoi un gaz peut-il être facilement comprimé ?

A. Parce que ses particules sont liées autour de positions fixes

B. Parce que ses particules restent en contact et glissent les unes sur les autres

C. Parce que ses particules forment une surface libre horizontale

D. Parce que ses particules sont très éloignées et occupent l’espace disponible

Answer: (D)

Explanation

Dans un gaz, les atomes sont très éloignés et en mouvement permanent. Les espaces entre eux peuvent donc être réduits par compression.

4. Quelle affirmation décrit correctement un changement d’état ?

A. C’est une variation de température sans modification de l’état physique

B. C’est une rupture mécanique qui modifie la forme mais pas l’état du corps

C. C’est une transformation chimique qui crée nécessairement une nouvelle substance

D. C’est une transformation physique au cours de laquelle le corps change d’état

Answer: (D)

Explanation

Un changement d’état est une transformation physique : le corps passe d’un état physique à un autre sans que sa nature chimique soit modifiée. Il se distingue donc d’une transformation chimique.

5. Lors de la condensation d’un gaz en liquide, que devient l’énergie échangée par le système ?

A. Le système libère de l’énergie

B. Le système consomme de l’énergie

C. Le système ne peut échanger aucune énergie

D. Le système transforme nécessairement l’énergie en matière

Answer: (A)

Explanation

La condensation fait partie des changements d’état qui libèrent de l’énergie. À l’inverse, la vaporisation consomme de l’énergie.

6. Quelle grandeur représente la chaleur latente de vaporisation ?

A. La puissance dégagée lors de la vaporisation, exprimée en watts

B. La température nécessaire pour vaporiser une unité de volume, exprimée en kelvins

C. L’énergie nécessaire pour vaporiser une unité de masse, exprimée en J/kg

D. La masse vaporisée par unité d’énergie, exprimée en kg/J

Answer: (C)

Explanation

La chaleur latente est l’énergie nécessaire pour faire changer d’état une unité de masse. Pour la vaporisation, elle est notée Lv et s’exprime en joules par kilogramme.

7. À pression constante, que se passe-t-il pendant le changement d’état d’un corps pur ?

A. La température reste constante et les deux états physiques coexistent

B. La température reste constante uniquement si le corps est un mélange

C. La température varie continûment et un seul état physique est présent

D. La pression augmente nécessairement tandis que le corps devient gazeux

Answer: (A)

Explanation

À pression constante, le changement d’état d’un corps pur se déroule à température constante. Durant cette transformation, les deux états physiques coexistent.

8. Quelle distinction entre chaleur, travail et énergie interne est correcte ?

A. Q et W sont des fonctions d’état, tandis qu'U dépend du chemin suivi

B. U et Q sont des modes d’échange, tandis que W est une fonction d’état

C. Q, W et U sont trois fonctions d’état indépendantes du chemin suivi

D. Q et W sont des modes d’échange d’énergie, tandis qu'U est une fonction d’état

Answer: (D)

Explanation

La chaleur Q et le travail W décrivent des échanges d’énergie avec le milieu extérieur. L’énergie interne U est une fonction d’état, et sa variation ne dépend pas du chemin suivi.

9. Selon la convention adoptée, quels signes correspondent à un système qui reçoit de l’énergie sous forme de chaleur et de travail ?

A. W < 0 et Q < 0

B. W < 0 et Q > 0

C. W > 0 et Q > 0

D. W > 0 et Q < 0

Answer: (C)

Explanation

Avec la convention indiquée, une énergie reçue par le système donne W > 0 et Q > 0. Lorsqu’il fournit de l’énergie, ces deux grandeurs sont négatives.

10. Quelle propriété caractérise la variation de l’énergie interne entre deux états donnés ?

A. Elle est toujours égale à la chaleur reçue et s’exprime en kelvins

B. Elle dépend uniquement du travail fourni et s’exprime en kilogrammes

C. Elle dépend du chemin suivi et s’exprime en joules par seconde

D. Elle ne dépend pas du chemin suivi et s’exprime en joules

Answer: (D)

Explanation

L’énergie interne U est l’énergie propre du système et s’exprime en joules. Sa variation ΔU est une grandeur d’état : elle ne dépend pas du chemin suivi entre les deux états.

11. Quelle relation décrit l’état d’un gaz parfait lorsque la quantité de matière n et la température T sont connues ?

A. pV=nRT, avec T exprimée en kelvins

B. p+V=nRT, avec T exprimée en kelvins

C. pV=RT/n, avec T exprimée en degrés Celsius

D. pV=nR/T, avec T exprimée en degrés Celsius

Answer: (A)

Explanation

L’équation d’état d’un gaz parfait est pV=nRT, et la température doit être exprimée en kelvins. La conversion est T(K)=T(°C)+273,15.

12. Une transformation au cours de laquelle la pression reste constante est appelée transformation :

A. Adiabatique

B. Isochore

C. Isobare

D. Isotherme

Answer: (C)

Explanation

Une transformation isobare conserve la pression. Une transformation isotherme conserve la température, tandis qu’une transformation isochore conserve le volume.

13. Quelle relation un gaz parfait vérifie-t-il au cours d’une transformation isobare ?

A. pV=constante

B. p/T=constante

C. V/T=constante

D. p+T=constante

Answer: (C)

Explanation

À pression constante, le rapport V/T reste constant. Le rapport p/T correspond à une transformation isochore, tandis que pV reste constant lors d’une transformation isotherme.

14. Un gaz parfait passe de la température T_A à la température T_B au cours d’une transformation isochore. Quelle expression donne la chaleur échangée ?

A. Q=nC_v(T_B-T_A)

B. Q=nC_p(T_B-T_A)

C. Q=-p(V_B-V_A)

D. Q=0

Answer: (A)

Explanation

En transformation isochore, la chaleur échangée vaut Q=nC_v(T_B-T_A). La chaleur est nulle dans le cas isotherme, et l’expression avec C_p concerne la transformation isobare.

15. Dans le cycle de Beau de Rochas, quelle transformation correspond à la compression BC ?

A. Une compression isotherme

B. Une compression adiabatique

C. Une compression isobare

D. Une compression isochore

Answer: (B)

Explanation

La compression BC du cycle de Beau de Rochas est adiabatique. L’explosion CD est ensuite isochore, ce qui constitue une confusion fréquente entre ces deux étapes.

16. Dans quelle condition l’apport de chaleur se produit-il dans le modèle du moteur à essence ?

A. À température constante

B. À volume constant

C. À pression constante

D. Sans variation de pression ni de volume

Answer: (B)

Explanation

Dans le moteur à essence, l’apport de chaleur est modélisé par une transformation isochore, donc à volume constant. Dans le moteur diesel, cet apport est considéré comme isobare.

17. Pour un cycle moteur, quelle combinaison respecte le premier principe et les conventions de signe indiquées ?

A. ΔU_cycle=0, Q_1>0, Q_2<0 et W<0

B. ΔU_cycle>0, Q_1>0, Q_2<0 et W>0

C. ΔU_cycle=0, Q_1<0, Q_2>0 et W<0

D. ΔU_cycle<0, Q_1<0, Q_2>0 et W>0

Answer: (C)

Explanation

Sur un cycle, la variation d’énergie interne est nulle : ΔU_cycle=Q_1+Q_2+W=0. La source froide reçoit Q_1<0 selon la convention, la source chaude fournit Q_2>0 et le moteur fournit du travail avec W<0.

18. De quelles transformations élémentaires le cycle de Carnot est-il constitué ?

A. Deux transformations isobares et deux transformations isochores

B. Quatre transformations isothermes

C. Deux transformations isothermes et deux transformations adiabatiques

D. Deux transformations adiabatiques et deux transformations isobares

Answer: (C)

Explanation

Le cycle de Carnot comprend deux transformations isothermes et deux transformations adiabatiques. Cette combinaison le distingue notamment des cycles idéalisés comportant des phases isobares ou isochores.

19. Un moteur fonctionne entre une source froide à T_1 et une source chaude à T_2. Quelle expression donne son rendement de Carnot, avec les températures en kelvins ?

A. η=T_1/T_2

B. η=1−T_1/T_2

C. η=T_2−T_1

D. η=1−T_2/T_1

Answer: (B)

Explanation

Le rendement de Carnot est η=1−T_1/T_2, où T_1 est la température de la source froide et T_2 celle de la source chaude. Les deux températures doivent être exprimées en kelvins.

20. Pour améliorer le rendement d’un moteur dont la température minimale reste proche de la température ambiante, quelle modification faut-il privilégier ?

A. Augmenter la température maximale du cycle

B. Remplacer la source chaude par une source froide

C. Maintenir les deux températures égales

D. Diminuer la température maximale du cycle

Answer: (A)

Explanation

Lorsque la température minimale reste proche de l’ambiante, augmenter la température maximale du cycle accroît l’écart entre les sources et améliore le rendement. Cette règle concerne le rendement théorique du cycle considéré.