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Thermodynamique

As-tu déjà pensé au fait que nous ressentons la chaleur du soleil bien qu'il se trouve à près de 100 millions de kilomètres dans le vide spatial ? Et comment la climatisation de ta maison extrait la chaleur de l'air en ne consommant que de l'électricité ? Ces processus relèvent tous deux de la thermodynamique, qui est un domaine de la physique faisant intervenir les propriétés physiques comme la température, le volume et la pression, et permet notamment d'étudier les gaz.

La thermodynamique étudie comment l'énergie est échangée par transfert de chaleur et de travail entre des substances d'un système qui peuvent éventuellement avoir différentes températures. Cette étude est traduite par un développement théorique d'équations, appelé formulaire thermodynamique ; et par plusieurs applications cruciales au domaine industriel. Tandis que la loi des gaz parfaits propose un modèle simple du comportement des gaz, reliant leur volume, leur pression et leur température. Cet article présente les différents sujets couverts par la thermodynamique, chacun d'entre eux pouvant être étudié plus en détail dans les sous-articles correspondants.

Température, volume et pression

La température, le volume et la pression sont des propriétés physiques des objets. Ces propriétés sont étroitement liées les unes aux autres, bien que les différents états de la matière offrent un large éventail de combinaisons possibles de ces grandeurs. Les matériaux solides se dilatent légèrement (augmentant leur volume) lorsque leur température augmente, et se contractent lorsqu'elle diminue. C'est ce que l'on appelle la dilatation thermique. Cette dernière est en général négligeable, mais sur les grandes structures telles que les ponts, des sections mobiles spéciales doivent être incluses pour permettre à la structure de se dilater ou de se contracter.

Thermodynamique Dilatation thermique d'un pont StudySmarter Figure 1. Une section de dilatation thermique dans un pont. Lorsque les sections du pont en béton chauffent et refroidissent, elles se dilatent et se contractent. La section de dilatation permet au béton de se déplacer sans s'étirer ou se comprimer, ce qui réduit les risques de dommages causés par les contraintes. Wikimedia Commons.

En ce qui concerne les liquides, différentes substances se comportent de différentes manières. L'eau liquide ne change pas de volume ni de pression lorsque sa température change (à moins qu'elle atteigne son point de congélation ou d'ébullition), tandis que le mercure liquide se dilate considérablement lorsqu'il est chauffé.

Dans des conditions non extrêmes, les gaz se comportent de manière prévisible, de sorte que la relation entre la température, le volume et la pression est définie par la loi des gaz parfaits. Pour un volume fixe de gaz, une baisse de la pression entraîne une baisse proportionnelle de la température, tandis qu'une augmentation de la pression entraîne une augmentation proportionnelle de la température. La loi des gaz parfaits est étudiée plus en détail par la suite.

Température

La température d'une substance est proportionnelle à l'énergie cinétique (moyenne) des molécules/atomes qui la composent. On parle également d'agitation thermique. Dans un système comprenant deux objets, l'objet le plus chaud a une température plus élevée et donc, une énergie cinétique moyenne plus importante.

Après avoir défini ce qu'est la température, il nous faut un moyen de la mesurer. Et pour comparer les températures de différents objets, il faut une échelle. Une échelle de température est définie par deux points fixes à des températures spécifiques, avec un certain nombre de graduations entre eux.

Il existe trois principales échelles de température utilisées dans le monde aujourd'hui :

Celsius

  • Cette échelle de température proposée par l'astronome suédois Anders Celsius en 1742 est utilisée par la plupart des pays du monde.
  • Les points fixes utilisés par l'échelle Celsius sont le point de fusion (0° C) et le point d'ébullition (100° C) de l'eau, avec 100 graduations de 1° C entre les deux.

Fahrenheit

  • L'échelle Fahrenheit proposée par le physicien allemand Daniel Fahrenheit au 18ᵉ siècle est principalement utilisée aux États-Unis.
  • L'échelle est également basée sur les points d'ébullition et de fusion de l'eau, sauf que ceux-ci représentent 32° F (congélation) et 212° F (ébullition), avec 180 graduations entre les deux.

Kelvin (température absolue)

  • L'échelle de température absolue utilise les points fixes du point triple de l'eau (273,16 K) et du zéro absolu (0 K). Ces points ont été choisis, car ce sont des températures spécifiques qui ne varient pas avec la pression atmosphérique, contrairement aux points utilisés pour les échelles Celsius et Fahrenheit.
  • Lors de la définition de l'échelle Kelvin, il a été décidé que chaque graduation devait être égal à 1° C afin de simplifier les conversions. C'est pourquoi il y a exactement 273,16° C entre les deux points fixes.
  • Le Kelvin est l'unité de la température dans le système international (SI). Pour faire la conversion entre les températures en Celsius TC et en Kelvin TK, on peut se servir de la formule TK = TC + 273,16.
  • Les températures dans l'échelle Kelvin sont toujours positives.

Le point triple de l'eau (ou d'autres substances) est la température et la pression auxquelles les trois phases de la matière (solide, liquide et gaz) peuvent coexister. Les différentes phases sont alors en équilibre thermique, sans transfert de chaleur entre elles. Pour l'eau pure, le point triple est de 0,01° C et 611,2 Pa.

Volume

Le volume d'un objet définit l'espace tridimensionnel qu'il occupe. Pour mieux comprendre cela, commençons par imaginer l'espace que prend un objet dans une dimension. Il s'agit d'une longueur, ce qui est mesurable par une règle. En deux dimensions, l'espace occupé par un objet est une surface et est défini par son aire, qui nécessite la mesure de deux longueurs. Enfin, en trois dimensions, l'espace requis est donné par le volume, défini par trois mesures de longueur.

Thermodynamique Longueur Surface Volume StudySmarter

Figure 2. La longueur est une mesure de l'espace occupé par un objet dans une dimension, l'aire est une mesure de l'espace occupé dans deux dimensions et le volume est une mesure de l'espace occupé dans trois dimensions

Le volume est mesuré en \(m^3\) dans le système international (SI) d'unités.

Pression

La pression d'une substance est une mesure de la quantité de force produite à la surface limite de l'objet. On l'obtient en divisant la force F (en newtons) par la surface A (en mètres carrés) sur laquelle elle agit.

La pression est mesurée en pascals (Pa) dans le SI, ce qui correspond à des \(N/m^2\).

Les gaz parfaits

Nous pouvons décrire les propriétés macroscopiques, telles que la masse, la température et la pression des gaz, assez facilement. Cependant, pour comprendre pleinement le comportement des gaz, nous devons également savoir ce qui se passe à l'échelle des atomes et des molécules.

Pour ce faire, la théorie cinétique des gaz a été inventée. Elle nécessite de faire plusieurs hypothèses simplificatrices afin qu'un gaz ait le comportement décrit par la loi des gaz parfaits :

  • Le gaz contient de nombreux atomes/molécules se déplaçant de manière aléatoire à des vitesses aléatoires.
  • Le volume occupé par les atomes ou les molécules est négligeable par rapport au volume du gaz.
  • Les collisions entre atomes/molécules peuvent être considérées comme instantanées.
  • Les forces électrostatiques entre les atomes/molécules sont négligeables, sauf pendant les collisions.
  • Toutes les collisions entre les atomes/molécules et la limite du récipient sont parfaitement élastiques (aucune énergie cinétique n'est perdue).

Un gaz parfait est une substance théorique où les molécules qui la composent occupent un espace négligeable et n'interagissent pas entre elles, sauf éventuellement lors de collisions très brèves. Ce modèle est valable lorsque la pression du gaz est suffisamment faible. Le gaz obéit alors à la loi des gaz parfaits.

Écrivons la loi des gaz parfaits, qui est une équation d'état reliant la température, le volume et la pression : \[PV=nRT\]

Ici :

  • P est la pression en pascals (Pa) ;
  • V est le volume en mètres cubes (\(m^3\)) ;
  • n est la quantité de matière du gaz en moles (mol) ;
  • R est la constante des gaz parfaits ;
  • T est la température en Kelvin (K).

La loi des gaz parfaits fournit une bonne approximation du comportement des gaz à des températures et des pressions non extrêmes.

Énergie thermique

Maintenant que nous savons ce qu'est la température, nous pouvons étudier comment l'énergie thermique (ou chaleur) est échangée entre les objets d'un système. Ce domaine de la physique, appelé thermodynamique, traite des relations entre la chaleur, le travail, la température et l'énergie dans les systèmes.

Chaleur et Température

Alors que la température décrit un état d'une substance, à savoir si elle est plus ou moins chaude ou froide, la chaleur, quant à elle, mesure un transfert d'énergie. Bien sûr, si une substance reçoit de la chaleur, alors sa température aura tendance à augmenter. Et inversement, si la substance cède de la chaleur, sa température diminue. Mais ces deux quantités s'expriment avec des unités différentes. On a déjà vu qu'on peut mesurer la température en Kelvins (K) alors que la chaleur est un transfert d'énergie et se mesure donc en Joules (J) comme l'énergie cinétique.

Dans la thermodynamique, nous utilisons souvent ce que l'on appelle une identité thermodynamique pour relier différentes grandeurs thermodynamiques, comme celles que tu as appris là-dessus !

Transferts de Chaleur

Lorsque des substances ayant différentes températures sont en contact, un transfert de chaleur a naturellement lieu entre ces substances jusqu'à ce qu'elles atteignent la même température, c'est-à-dire l'équilibre thermique. Ce transfert de chaleur s'effectue par trois mécanismes principaux : la conduction, la convection et le rayonnement.

Conduction

La conduction est un mécanisme de transfert de chaleur où l'énergie thermique se déplace d'une région à haute température vers une région à plus basse température par transfert de l'énergie cinétique de proche en proche entre les atomes voisins, sans transfert de matière.

La conduction vient du fait que les vibrations des atomes ayant beaucoup d'agitation thermique provoquent des collisions avec les atomes voisins, ce qui transmet progressivement l'énergie cinétique aux atomes avec moins d'énergie.

Différents matériaux transmettent la chaleur à des vitesses différentes. Les métaux sont généralement de bons conducteurs, tandis que les matériaux tels que les plastiques ou les gaz sont généralement de mauvais conducteurs.

Convection

La convection est le transfert d'énergie thermique dû au mouvement physique d'une substance lors de l'écoulement d'un fluide (liquide ou gaz) d'une zone de haute température vers une zone de basse température.

La convection permet un transfert d'énergie thermique grâce au déplacement de matière d'une substance plus chaude. Typiquement, cela est souvent dû à une différence de densité entre les substances les plus chaudes et les plus froides (pensez à la façon dont l'air chaud monte).

Rayonnement

Le rayonnement est une méthode de transfert de chaleur où l'énergie est transportée d'un objet à haute énergie thermique par un rayonnement infrarouge. Cette énergie thermique peut être absorbée par un autre objet que le rayonnement infrarouge atteint.

Le rayonnement infrarouge est un type de rayonnement électromagnétique qui peut voyager dans le vide de l'espace sans avoir besoin de matière physique. C'est très utile, car cela permet à l'énergie du soleil de nous atteindre depuis des millions de kilomètres.

Thermodynamique Transfert de chaleur autour d'un feu de camp StudySmarterFigure 3. Le rayonnement te permet de ressentir la chaleur de ce feu lorsque tu te tiens à côté de lui. La convection fait monter l'air chaud chauffé par le feu, ce que tu sentirais si tu mettais ta main au-dessus du feu. Si tu décides de toucher l'une des bûches incandescentes, la conduction transfererait rapidement l'énergie thermique de la bûches à ta peau et tu brulerais. Wikimedia Commons.

Les lois de la thermodynamique

Plusieurs des principes clés de la thermodynamique sont définis comme des "lois de la thermodynamique". Dans ce qui suit, nous n'allons pas entrer dans les détails de ces lois, mais nous nous contenterons de les énoncer.

La loi zéro de la thermodynamique

Deux corps à températures différentes, mis en contact thermique, atteindront l'équilibre thermique après un certain temps.

La première loi de la thermodynamique

La variation de l'énergie interne d'un système est égale à la somme de la chaleur et du travail mécanique échangés avec l'extérieur.

La deuxième loi de la thermodynamique

Le transfert de chaleur d'un milieu froid vers un milieu chaud ne peut pas se faire de manière spontanée.

La troisième loi de la thermodynamique

Au zéro absolu de température, l'entropie d'un système thermodynamique est nulle.

Les applications de la thermodynamique

La première et la plus importante application de la thermodynamique s'avère les machines thermiques qui fonctionnent par l'intermédiaire du transfert de chaleur entre deux ou plusieurs sources de chaleur. Les machines thermiques se divisent en plusieurs catégories, chacune ayant son utilité. Parmi ces machines, citons :

  • Le moteur thermique visant à utiliser l'énergie thermique pour en fournir un travail mécanique susceptible de générer un mouvement par exemple. C'est tout à fait l'exemple des moteurs des véhicules !
  • La pompe à chaleur, visant à fournir de la chaleur utile pour différentes utilisations. Prenons l'exemple du chauffage, qui fournit de la chaleur à la chambre là où tu te trouves !
  • Le réfrigérateur, visant à céder de la chaleur à la source froide pour en profiter de la basse température pour conserver tes aliments !

Notes que la thermodynamique a été le déclencheur de la révolution industrielle du XVIIIᵉ siècle qui a introduit les machines et les moteurs pour la première fois dans l'histoire et qui a facilité catégoriquement le travail, qui était trop dur auparavant !

Probablement, cela nous incite à se rappeler d'apprécier les efforts de la science pour le développement continu de l'humanité !

Thermodynamique - Points clés

  • La thermodynamique est un domaine de la physique faisant intervenir les propriétés physiques telles que la température, le volume et la pression. Cela comprend également l'étude des transferts d'énergie et la modélisation du comportement des gaz à l'aide de la loi des gaz parfaits.
  • La température est une mesure de l'énergie cinétique moyenne des molécules constituant une substance. Elle est mesurée en kelvins dans le SI.
  • Le volume est une mesure de l'espace tridimensionnel occupé par un objet. On le mesuré en mètres cubes dans le SI.
  • La pression est une mesure de la force exercée par une substance sur la surface avec laquelle est est en contact. Elle est mesurée en Pascals (unités SI), soit en Newtons par mètre carré.
  • La théorie cinétique des gaz fait plusieurs hypothèses pour simplifier le modèle d'un gaz réel en un gaz qui suit la loi des gaz parfaits. L'équation d'état d'un gaz parfait fournit une bonne approximation du comportement des gaz à des températures et pressions suffisamment faibles.
  • Il existe trois principaux mécanismes de transfert de chaleur : la conduction, où l'énergie thermique est transférée à travers une substance sans déplacement physique de la matière ; la convection, où l'écoulement d'un fluide transporte l'énergie thermique ; et le rayonnement, où l'énergie thermique est transmise à travers l'espace sous forme d'onde infrarouge.

Questions fréquemment posées en Thermodynamique

Il y a quatre principes ou lois de la thermodynamique, souvent numérotés de zéro à trois. On a le :

  • principe zéro, en relation avec l'équilibre thermique ;
  • premier principe, qui est une traduction de la loi de la conservation de l'énergie ;
  • second principe, en relation avec l'augmentation de l'entropie ;
  • troisième principe, ou théorème de Nernst.

La thermodynamique vise à étudier les échanges thermiques entre les systèmes et à comprendre l'évolution d'un système thermodynamique avec le temps : sa température, son entropie, son énergie interne, etc.

La thermodynamique est une branche de la physique principalement développée au XIXᵉ siècle, bien qu'elle ait des origines qui datent de l'Antiquité. On peut néanmoins citer Sadi Carnot, qui étudia en premier les moteurs à vapeurs, et peut être considéré comme le père fondateur de la thermodynamique moderne. D'autres thermodynamiciens reconnus ont fait d'importantes contributions. Citons Lord Kelvin, Rudolf Clausius et Joseph Black. 

Un système thermodynamique représente un ou plusieurs corps pris comme objets d'étude thermodynamique, isolés de ce que les entoure.  

Questionnaire final de Thermodynamique

Question

Lequel de ces éléments n'est PAS une hypothèse du modèle des gaz parfaits ?

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Réponse

Les molécules d'un gaz parfait ont un mouvement aléatoire et obéissent aux lois du mouvement de Newton.

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Question

Qu'indique le volume d'un objet ?

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Réponse

L'espace tridimensionnel occupé par cet objet.

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Question

Quel est le volume d'un cube dont les côtés mesurent 30 cm ?

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Réponse

\(V=a^3 = (30.10^{-2})^3= 0.027m^3\)

Montrer la question

Question

Quel est le volume V d'un parallélépipède rectangle dont les côtés sont de longueurs a, b et c ?

Montrer la réponse

Réponse

\(V= a.b.c\)

Montrer la question

Question

Si l'on double deux côtés d'un parallélépipède rectangle, qu'arrive-t-il à son volume ?

Montrer la réponse

Réponse

Il se divise en deux

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Question

Quelle échelle de température est la plus utile dans la vie quotidienne ?

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Réponse

Celsius

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Question

Quel est le type de thermomètre le plus couramment utilisé dans les laboratoires scolaires ?

Montrer la réponse

Réponse

Un thermomètre à mercure.

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Question

Qu'est-ce qui cause le transfert de chaleur ?

Montrer la réponse

Réponse

Une différence de température

Montrer la question

Question

Si nous triplons un côté et divisons par deux les deux autres côtés d'un cube, qu'advient-il de son volume ?

Montrer la réponse

Réponse

Il se divise par deux

Montrer la question

Question

Combien de litres contient un mètre cube ?

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Réponse

1

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Question

Si l'on étire une pyramide de telle sorte que sa base reste la même, mais que sa hauteur triple, qu'advient-il de son volume ?

Montrer la réponse

Réponse

Il triple

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Question

Quel est le nom de l'équation qui permet de décrire les gaz réels ?

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Réponse

Équation de Van der Waals

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Question

Choisir l'affirmation correcte.

Montrer la réponse

Réponse

La théorie cinétique des gaz permet d'extraire des propriétés macroscopiques à partir de l'étude statistique de propriétés microscopiques.

Montrer la question

Question

Choisir l'affirmation correcte.

Montrer la réponse

Réponse

La théorie cinétique des gaz fait intervenir les vitesses, les énergies individuelles et les positions.

Montrer la question

Question

Choisir l'affirmation correcte.

Montrer la réponse

Réponse

La température mesure l'énergie cinétique moyenne des particules.

Montrer la question

Question

Choisir l'affirmation correcte.

Montrer la réponse

Réponse

La loi des gaz parfait suppose que les particules ont un volume infiniment petit.

Montrer la question

Question

Choisir l'affirmation correcte.

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Réponse

Lorsque le volume molaire est suffisamment grand, le gaz peut être considéré comme parfait.

Montrer la question

Question

Quelles lois expérimentales décrivent les transformations d'un gaz parfait.

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Réponse

Les lois de Boyle-Mariotte, de Charles et de Gay-Lussac.

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Question

Quelle est l'interprétation usuelle de la pression ?

Montrer la réponse

Réponse

Il s'agit de la force moyenne par unité de surface exercée sur les contours de l'espace occupé.

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Question

Peut-on appliquer les lois de Newton au gaz parfait ?

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Réponse

Oui, c'est une des hypothèses principales du modèle.

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Question

Quelle est la valeur de la constante des gaz parfaits ?

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Réponse

\(R=8{,}314 \; J \cdot K^{-1} \cdot mol^{-1} \)

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Question

Quelles sont les deux raisons principales pourquoi le comportement d'un gaz réel s'écarte de la loi des gaz parfaits ? 

Montrer la réponse

Réponse

Il existe des forces entre les particules et celles-ci occupent un volume non négligeable.

Montrer la question

Question

Pourquoi est-il commode d'utiliser des quantités statistiques dans l'analyse d'un gaz ?

Montrer la réponse

Réponse

Car le mouvement des particules est aléatoire.

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Question

Nommer l'énergie dont les particules disposent de par leur mouvement.

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Réponse

L'énergie cinétique.

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Question

Quel est le nom de l'énergie qui reflète l'interaction entre les particules ?

Montrer la réponse

Réponse

L'énergie potentielle.

Montrer la question

Question

Quelle est l'énergie potentielle d'interaction d'un gaz parfait ?

Montrer la réponse

Réponse

Elle est nulle car il n'y a pas d'interaction entre les particules.

Montrer la question

Question

Est-il possible d'avoir un transfert de chaleur convectif, conductif et radiatif simultanément ? Oui ou non.

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Réponse

Oui, le feu de camp en est un exemple.

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Question

Qu'est-ce que le transfert d'énergie thermique ?

Montrer la réponse

Réponse

C'est l'énergie qui est transférée sous forme de chaleur entre les corps.

Montrer la question

Question

Lequel des éléments suivants n'est pas une méthode de transfert d'énergie thermique ?

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Réponse

Absorption

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Question

Qu'est-ce que le transfert de chaleur par convection ?

Montrer la réponse

Réponse

C'est le transfert d'énergie thermique à travers un fluide en raison du mouvement des particules.

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Question

Qu'est-ce que le transfert de chaleur par rayonnement ?

Montrer la réponse

Réponse

Il s'agit de l'énergie thermique émise par des corps chauffés sous forme de rayonnement électromagnétique.

Montrer la question

Question

Qu'est-ce que le transfert de chaleur par conduction ?

Montrer la réponse

Réponse

C'est le transfert d'énergie thermique par les collisions de particules d'un corps.

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Question

Quel est le coefficient de transfert de chaleur ?

Montrer la réponse

Réponse

C'est un paramètre qui définit la capacité d'un milieu à transférer l'énergie thermique.

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Question

Quelle est la formule du transfert de chaleur ?

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Réponse

\(\Phi=h.S.(T_2 - T_1)\)

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Question

Comment trouver le coefficient de transfert de chaleur ?

Montrer la réponse

Réponse

En réarrangeant l'équation précédente, \(h =\frac{Q}{S.(T_2-T_1)}\).

Montrer la question

Question

Lequel des paramètres suivants n'affecte pas le flux de chaleur ?

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Réponse

Volume

Montrer la question

Question

L'énergie thermique peut-elle être créée à partir de rien ? Oui ou non.

Montrer la réponse

Réponse

Non, l'énergie ne peut ni être créée ni détruite. Elle peut uniquement être transformée.

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Question

Énoncer la théorie de la conservation de l'énergie.

Montrer la réponse

Réponse

L'énergie ne peut ni être créée ni détruite. Elle peut uniquement être transformée.

Montrer la question

Question

La conductivité thermique est-elle la même chose que le coefficient de transfert thermique ?

Montrer la réponse

Réponse

Non, mais le coefficient de transfert thermique dépend de la conductivité thermique.

Montrer la question

Question

L'exemple suivant peut-il être décrit comme un transfert de chaleur par convection ? Oui ou non.


Un morceau de glace solide est placé dans la main d'une personne. Au bout d'un moment, la glace fond et devient liquide.

Montrer la réponse

Réponse

Non, il s'agit d'un transfert par conduction.

Montrer la question

Question

Lequel des éléments ci-dessous est un bon conducteur thermique

Montrer la réponse

Réponse

Une barre métallique

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Question

De l'énergie est fourni à un gaz, pour le comprimer sous une pression de \(30 000Pa\) d'un volume de \(0{,}6m^3\) à un volume de \(0{,}3m^3\). Quel travail a été fourni au gaz ? 

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Réponse

\(W=-p\Delta V = -30000(0{,}3-0{,}6)=9000J\)

Montrer la question

Question

Qu'est-ce que la thermodynamique ?

Montrer la réponse

Réponse

La thermodynamique est l'étude de l'énergie et de ses échanges sous forme de chaleur et de travail.

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Question

Quelle est l'équation du premier principe de la thermodynamique ?

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Réponse

\(\Delta U = W + Q\)

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Question

Combien de lois fondamentales de la thermodynamique existe-t-il ?

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Réponse

3

Montrer la question

Question

De quel principe fondamental est-ce que le premier principe de la thermodynamique découle-t-il ?

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Réponse

La conservation de l'énergie.

Montrer la question

Question

Qui a découvert le premier principe de la thermodynamique ?

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Réponse

William Thomson et Rudolf Clausius.

Montrer la question

Question

Qu'est-ce que l'énergie interne d'un système ?

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Réponse

C'est la somme de l'énergie cinétique et potentielle stockée dans un système.

Montrer la question

Question

Qu'est-ce que la chaleur \( Q \) ?

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Réponse

C'est l'énergie transférée par le mouvement et les collisions des molécules notamment lorsqu'il y a une différence de température.

Montrer la question

Question

Qu'est-ce que le travail \(W\) ?

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Réponse

C'est le transfert d'énergie d'un système à un autre dû à l'action de forces  telles que les forces de pression ou la force électrique. 

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