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Questions de cours et exercices sur la thermodynamique
1) Qu’est-ce que la thermodynamique ? Pour la définir, on précisera son but et on utilisera entre autres l’ordre de grandeur de la constante d’Avogadro.
2) Définir l’échelle mésoscopique.
3) Définir un système fermé, un système ouvert, et un système isolé.
4) Donner un ordre de grandeur du libre parcours moyen dans un gaz, puis dans un liquide.
5) Définir l’énergie interne d’un système thermodynamique.
6) Définir l’équilibre thermodynamique. Établir l’état d’équilibre d’un système soumis aux forces de pression et à une force de frottement solide constante.
7)Différencier les variables d’état extensives et intensives et donner des exemples pour chacune
8) Définir la vitesse quadratique moyenne à l’aide d’une moyenne d’ensemble
9). Donner sans aucune démonstration l’expression de l’énergie cinétique moyenne d’une particule de gaz parfait monoatomique en fonction de la constante de Boltzmann kB et de la température. b. En déduire l’expression de la vitesse quadratique moyenne u en fonction de m, kB et T.
10) Donner la relation entre la pression cinétique P, la densité particulaire d’un gaz n, la masse d’une particule de gaz m et la vitesse quadratique moyenne u. Etablir très précisément cette relation.
11) Quel est l’ordre de grandeur de la vitesse quadratique moyenne des particules d’un gaz parfait à T ambiante ?
12) Quelles sont les hypothèses du modèle du gaz « parfait » ?
13) Donner l’équation d’état d’un gaz parfait.
14) Quand peut-on dire qu’un gaz réel se comporte comme un gaz parfait ? Pour répondre, on pourra s’appuyer sur des réseaux d’isothermes expérimentales en coordonnées de Clapeyron(ou Watt) et d’Amagat.
15) Définir la capacité thermique à volume constant CV, la capacité thermique molaire à volume constant CVm, et la capacité thermique massique à volume constant cVmasse. On donnera les unités de chacune de ces grandeurs. Quelle est la signification physique de cVm ? de cVmasse ?
16) Comment calculer la variation d’énergie interne ΔU lors d'une transformation à volume constant d’un système passant d’une température Ti à une température Tf, connaissant la capacité thermique à volume constant ?
17 Donner l’expression de l’énergie interne d’un gaz parfait monoatomique en fonction de n, R et T.
18 Donner l’expression de l’énergie interne molaire Um d’un gaz parfait monoatomique. faire le lien avec la première loi de Joule ( Um ne depend que de T pour un GP)
19 Comment calculer la variation d’énergie interne ΔU lors d'une transformation quelconque d’un solide ou d’un liquide passant d’une température Ti à une température Tf, connaissant la capacité thermique à volume constant (que l’on considère indépendante de la température) ? Même question si on connait CVm, et même question si on connait cVmasse.
20) Donner la valeur numérique de la capacité thermique massique de l’eau.
Questions de cours et exercices sur le premier principe de la thermodynamique
1 Définir rapidement une transformation isochore, monotherme, isotherme, monobare, isobare, quasi-statique, mécaniquement réversible, réversible.
2 Qu’est-ce qu’un thermostat en thermodynamique ? En donner un exemple.
3 Etablir l’expression du travail élémentaire δW des forces de pression extérieures s’exerçant sur un piston mobile d’une enceinte cylindrique horizontale contenant un gaz. Commenter le signe en fonction de l'augmentation ou de la diminution du volume.
4 Généralisation : donner l’expression du travail W des forces de pression au cours d’une transformation d’un état initial i à un état final f.
5 Donner l’expression de W dans le cas : 5.a D’une transformation isochore ; 5.b D’une transformation monobare ; 5.c D’une transformation mécaniquement réversible ; 5.d D’une transformation isobare mécaniquement réversible.
6 Etablir l’expression du travail des forces de pression lors d’une transformation isotherme mécaniquement réversible d’un gaz parfait d’un volume Vi à un volume Vf.
7 Interpréter géométriquement le travail des forces de pression dans un diagramme de Clapeyron.
8 Comment appelle-t-on un cycle parcouru dans le sens trigonométrique dans le diagramme de Clapeyron ? Comment appelle-t-on un cycle parcouru dans le sens horaire dans le diagramme de Clapeyron ? Justifier.
9 Quels sont les trois types de transferts thermiques ? Les expliquer très rapidement (schéma).
10 Qu’est-ce qu’une transformation adiabatique ?
. 11 Enoncer très clairement et de façon complète le premier principe de la thermodynamique.
12 Comment s’exprime (simplement) le transfert thermique Q lors d’une transformation isochore d’un système thermodynamique macroscopiquement au repos, les seules forces extérieures étant les forces de pression ?
13 Définir l’enthalpie H d’un système thermodynamique.
14 Comment s’exprime (simplement) le transfert thermique Q lors d’une transformation « à pression constante » les seules forces extérieures étant les forces de pression ? N.B. : par « pression constante », on entend soit isobare mécaniquement réversible, soit monobare avec, à l’état initial et l’état final, Pint=Pext.
15 Montrer que, pour un gaz parfait, Hm=Hm(T) (deuxième loi de Joule).
17 l’enthalpie massique de vaporisation de l’eau liquide est LV=ΔhL V=2257kJ.kg-1. Qu’est-ce que cela signifie ?
18 Définir la capacité thermique à pression constante Cp, la capacité thermique molaire à pression constante CPm, et la capacité thermique massique à pression constante cP. On donnera à chaque fois les unités.
19 Etablir la relation entre CVm et CPm pour un gaz parfait (relation de Mayer).
20 En déduire l’expression de CPm pour un gaz parfait monoatomique en fonction de R. Même question pour un gaz parfait diatomique.
21 Exprimer, pour un gaz parfait, CV et CP en fonction de n, R et γ.22 Que dire de CVm et CPm pour une phase incompressible et indilatable (elles sont égales) ?
23 Pour une phase incompressible et indilatable, comment calculer ΔH connaissant ΔT et la capacité thermique C ? Même question connaissant ΔT et Cm. Même question connaissant ΔT et cmasse.
24 Exprimer le premier principe dans le cas général d’un système thermodynamique fermé subissant une transformation monobare, avec à l’état initial et à l’état final, Pext=Pint.
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