QCM sur le thème de l’énergie interne – Définition et fiche pratique

Définition et terminologie de base sur l’énergie interne

L’énergie interne est un concept clé en thermodynamique, représentant l’énergie totale contenue dans un système à l’échelle microscopique. Elle est la somme des différentes énergies possédées par les particules individuelles du système (atomes, molécules), notamment les énergies cinétiques et potentielles. Voici un aperçu des définitions et terminologies essentielles associées à l’énergie interne :

1. Énergie interne (U)

Définition : L’énergie interne est l’énergie totale d’un système due à la somme des énergies cinétiques et potentielles des particules microscopiques qui le composent. Elle inclut :
Énergie cinétique microscopique : liée au mouvement des molécules (translation, rotation, vibration).
Énergie potentielle microscopique : liée aux interactions entre les particules (forces intermoléculaires, énergies de liaison). Formule :

U = Énergie cinétique totale + Énergie potentielle totale

Dans un gaz parfait, l’énergie interne dépend uniquement de la température.

2. Chaleur (Q)

Définition : La chaleur est une forme d’énergie qui est transférée d’un système à un autre en raison d’une différence de température. Elle se mesure en joules (J). Contrairement à l’énergie interne, la chaleur n’est pas une fonction d’état, c’est un processus de transfert. Relation avec l’énergie interne :
Si un système absorbe de la chaleur, son énergie interne augmente.
Si un système perd de la chaleur, son énergie interne diminue.

3. Travail (W)

Définition : Le travail en thermodynamique correspond à l’énergie transférée d’un système à un autre par une force externe, comme la compression ou l’expansion d’un gaz. Il est mesuré en joules (J) et, comme la chaleur, il s’agit d’un processus et non d’une fonction d’état. Relation avec l’énergie interne :
Lorsque le travail est effectué sur le système (compression), l’énergie interne augmente.
Lorsque le système effectue un travail (expansion), l’énergie interne diminue.

4. Première loi de la thermodynamique

Définition : La première loi de la thermodynamique est une loi de conservation de l’énergie qui relie l’énergie interne à la chaleur et au travail. Elle énonce que l’énergie totale d’un système fermé est conservée. Formule :

Delta U = Q – W

Où :
( Delta U ) est la variation d’énergie interne,
( Q ) est la chaleur reçue par le système,
( W ) est le travail effectué par le système. Cela signifie que l’énergie interne d’un système augmente avec l’ajout de chaleur ou lorsqu’un travail est effectué sur le système.

5. Fonction d’état

Définition : Une fonction d’état est une grandeur thermodynamique qui dépend uniquement de l’état initial et final d’un système, indépendamment du chemin suivi pour passer d’un état à l’autre. L’énergie interne est une fonction d’état, car elle dépend de variables comme la température, le volume et la pression. Exemple : Peu importe comment un gaz parfait est chauffé (lentement ou rapidement), son énergie interne finale dépend uniquement de la température.

6. Gaz parfait

Définition : Un gaz parfait est un modèle théorique dans lequel les molécules du gaz n’ont pas d’interactions intermoléculaires et où le volume des molécules est négligeable. Pour un gaz parfait, l’énergie interne dépend uniquement de la température. Équation d’état (loi des gaz parfaits) :

PV = nRT
Où :
( P ) est la pression,
( V ) est le volume,
( n ) est la quantité de matière en moles,
( R ) est la constante des gaz parfaits,
( T ) est la température.

7. Transformation thermodynamique

Définition : C’est un processus par lequel un système thermodynamique passe d’un état d’équilibre à un autre. Il existe plusieurs types de transformations :
Isotherme : transformation à température constante. L’énergie interne reste inchangée, et la chaleur échangée est égale au travail effectué.
Adiabatique : transformation sans échange de chaleur avec l’extérieur. Toute variation de l’énergie interne est due au travail.
Isochore : transformation à volume constant. Le travail est nul et toute variation de l’énergie interne est liée à la chaleur échangée.
Isobare : transformation à pression constante. La variation d’énergie interne dépend de la chaleur reçue et du travail effectué.

8. Capacité thermique (C)

Définition : La capacité thermique d’un système est la quantité de chaleur nécessaire pour élever sa température d’une unité. Elle dépend de la nature du matériau et de la taille du système. Formule :

Q = C \Delta T

Où ( Delta T ) est la variation de température.

9. Transformation réversible et irréversible

Transformation réversible : C’est une transformation idéalisée qui peut être inversée sans laisser de trace dans l’environnement. Pendant une transformation réversible, le système reste en équilibre thermodynamique.
Transformation irréversible : Une transformation est dite irréversible lorsqu’elle ne peut pas revenir à son état initial sans entraîner de changement dans l’environnement, souvent en raison de pertes d’énergie sous forme de chaleur.

10. Énergie potentielle

Définition : L’énergie potentielle est l’énergie stockée dans un système en raison de sa position ou de sa configuration, comme l’énergie potentielle gravitationnelle, élastique ou intermoléculaire dans le cas des systèmes à particules.

L’énergie interne est une fonction d’état qui représente la somme des énergies microscopiques dans un système. Elle peut être modifiée par le transfert de chaleur ou le travail effectué sur ou par le système, selon la première loi de la thermodynamique. Dans un gaz parfait, l’énergie interne dépend uniquement de la température, et elle varie en fonction des transformations thermodynamiques appliquées au système, comme les transformations isothermes, adiabatiques, isochoriques, ou isobares.

QCM 1 : Première loi de la thermodynamique et énergie interne

Question 1 : Un système reçoit 800 J de chaleur et effectue un travail de 300 J. Quelle est la variation de son énergie interne ?

[ ] a) 500 J
[ ] b) 1100 J
[ ] c) 300 J
[ ] d) 800 J

Réponse correcte : a) 500 J
Explication :
La première loi de la thermodynamique donne :

ΔU=Q−W=800J−300J=500J

Question 2 : Si un système cède 400 J de chaleur à son environnement et effectue un travail de 100 J sur son environnement, quelle est la variation de son énergie interne ?

[ ] a) -500 J
[ ] b) -300 J
[ ] c) -100 J
[ ] d) 100 J

Réponse correcte : b) -300 J
Explication :

ΔU=Q−W=−400J−100J=−500J

Le système perd de l’énergie interne.

Question 3 : Si la variation de l’énergie interne d’un système est de 200 J et que le travail effectué par le système est de 100 J, combien de chaleur le système a-t-il reçu ?

[ ] a) 300 J
[ ] b) 100 J
[ ] c) 200 J
[ ] d) 400 J

Réponse correcte : a) 300 J
Explication :
En réarrangeant la première loi :

Q=ΔU+W=200J+100J=300J

Question 4 : Si un système ne reçoit pas de chaleur (Q = 0) et effectue un travail de 150 J, comment varie son énergie interne ?

[ ] a) Elle augmente de 150 J
[ ] b) Elle diminue de 150 J
[ ] c) Elle reste constante
[ ] d) Elle dépend de la température uniquement

Réponse correcte : b) Elle diminue de 150 J
Explication :
Puisque ( Q = 0 ), la variation d’énergie interne dépend uniquement du travail effectué :

ΔU=0−150J=−150J

QCM 2 : Énergie interne d’un gaz parfait

Question 1 : L’énergie interne d’un gaz parfait dépend principalement de quelle grandeur ?

[ ] a) Le volume
[ ] b) La température
[ ] c) La pression
[ ] d) La masse

Réponse correcte : b) La température
Explication :
Pour un gaz parfait, l’énergie interne dépend uniquement de la température, car elle est liée à l’agitation thermique des particules.

Question 2 : Dans une transformation isotherme d’un gaz parfait, comment évolue l’énergie interne ?

[ ] a) Elle augmente
[ ] b) Elle diminue
[ ] c) Elle reste constante
[ ] d) Elle dépend du volume

Réponse correcte : c) Elle reste constante
Explication :
Dans une transformation isotherme, la température ne change pas, donc l’énergie interne reste constante.

Question 3 : Lors d’une transformation isochore (volume constant), si la température augmente, comment varie l’énergie interne d’un gaz parfait ?

[ ] a) Elle augmente
[ ] b) Elle diminue
[ ] c) Elle reste constante
[ ] d) Elle dépend de la pression uniquement

Réponse correcte : a) Elle augmente
Explication :
L’énergie interne d’un gaz parfait dépend de la température, donc si la température augmente, l’énergie interne augmente aussi.

Question 4 : Lors d’une compression adiabatique (sans échange de chaleur), comment varie l’énergie interne d’un gaz parfait ?

[ ] a) Elle diminue
[ ] b) Elle reste constante
[ ] c) Elle augmente
[ ] d) Elle dépend uniquement de la quantité de travail

Réponse correcte : c) Elle augmente
Explication :
Dans une compression adiabatique, le travail est effectué sur le gaz, ce qui augmente son énergie interne.

QCM 3 : Transformation isotherme d’un gaz parfait

Question 1 : Lors d’une transformation isotherme, que se passe-t-il si le volume d’un gaz parfait augmente ?

[ ] a) La pression augmente
[ ] b) La pression diminue
[ ] c) La température diminue
[ ] d) La température augmente

Réponse correcte : b) La pression diminue
Explication :
La loi de Boyle-Mariotte nous dit que dans une transformation isotherme, la pression et le volume sont inversement proportionnels :

P×V=constante

Question 2 : Lors d’une transformation isotherme, comment la chaleur échangée (Q) est-elle liée au travail effectué (W) ?

[ ] a) Q est supérieur à W
[ ] b) Q est inférieur à W
[ ] c) Q est égal à W
[ ] d) Q dépend du volume

Réponse correcte : c) Q est égal à W
Explication :
Dans une transformation isotherme, l’énergie interne reste constante. Par conséquent, toute la chaleur échangée est convertie en travail :

ΔU=0⟹Q=W

Question 3 : Lors d’une transformation isotherme d’un gaz parfait, si le volume diminue, quelle est l’évolution de la pression ?

[ ] a) Elle diminue
[ ] b) Elle reste constante
[ ] c) Elle augmente
[ ] d) Elle ne dépend pas du volume

Réponse correcte : c) Elle augmente
Explication :
D’après la loi de Boyle-Mariotte, si le volume diminue, la pression augmente pour maintenir la température constante.

Question 4 : Quelle est la caractéristique principale d’une transformation isotherme ?

[ ] a) La pression reste constante
[ ] b) Le volume reste constant
[ ] c) La température reste constante
[ ] d) La chaleur échangée est nulle

Réponse correcte : c) La température reste constante
Explication :
Par définition, une transformation isotherme se déroule à température constante.

QCM 4 : Processus adiabatique

Question 1 : Dans une transformation adiabatique, quel est l’échange de chaleur entre le système et son environnement ?

[ ] a) La chaleur est absorbée
[ ] b) La chaleur est rejetée
[ ] c) Il n’y a aucun échange de chaleur
[ ] d) Cela dépend de la pression

Réponse correcte : c) Il n’y a aucun échange de chaleur
Explication :
Par définition, une transformation adiabatique se déroule sans échange de chaleur, donc ( Q = 0 ).

Question 2 : Si un gaz parfait subit une expansion adiabatique, comment varie son énergie interne ?

[ ] a) Elle augmente
[ ] b) Elle diminue
[ ] c) Elle reste constante
[ ] d) Elle dépend uniquement de la température

Réponse correcte : b) Elle diminue
Explication :
Lors d’une expansion adiabatique, le gaz effectue un travail sur son environnement, ce qui diminue son énergie interne.

Question 3 : Dans une compression adiabatique, comment évolue la température d’un gaz parfait ?

[ ] a) Elle augmente
[ ] b) Elle diminue
[ ] c) Elle reste constante
[ ] d) Elle dépend du volume uniquement

Réponse correcte : a) Elle augmente
Explication :
Lors d’une compression adiabatique, le travail est effectué sur le gaz, ce qui augmente son énergie interne et donc sa température.

Question 4 : Quelle relation existe entre le travail effectué et l’énergie interne dans une transformation adiabatique ?

[ ] a) Le travail est converti en chaleur
[ ] b) L’énergie interne ne change pas
[ ] c) Le travail effectué par le gaz diminue l’énergie interne
[ ] d) Le travail dépend uniquement de la pression

Réponse correcte : c) Le travail effectué par le gaz diminue l’énergie interne
Explication :
Dans une transformation adiabatique, toute l’énergie interne perdue par le système est convertie en travail, puisque ( Q = 0 ).