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 :
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.
Question 1 : Un système reçoit 800 J de chaleur et effectue un travail de 300 J. Quelle est la variation de son énergie interne ?
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 ?
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 ?
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 ?
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
Question 1 : L’énergie interne d’un gaz parfait dépend principalement de quelle grandeur ?
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 ?
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 ?
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 ?
Réponse correcte : c) Elle augmente
Explication :
Dans une compression adiabatique, le travail est effectué sur le gaz, ce qui augmente son énergie interne.
Question 1 : Lors d’une transformation isotherme, que se passe-t-il si le volume d’un gaz parfait 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) ?
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 ?
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 ?
Réponse correcte : c) La température reste constante
Explication :
Par définition, une transformation isotherme se déroule à température constante.
Question 1 : Dans une transformation adiabatique, quel est l’échange de chaleur entre le système et son environnement ?
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 ?
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 ?
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 ?
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 ).
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