Lycée · Terminale · Spécialité Physique-Chimie
Conversions et transferts d'énergie
Bilan énergétique, travail, chaleur et rendement — programme de Spécialité Physique-Chimie Terminale
À propos de cette page
Choisis ton niveau. Questions et réponses mélangées à chaque partie. Bonne chance !
Les 37 questions du QCM en version texte
Pour réviser sans écran ou imprimer : chaque question avec ses propositions ; la bonne réponse et son explication se déplient.
Niveau facile — 12 questions
Que représente $\Delta U$ dans le premier principe $\Delta U = W + Q$ ?
- A. La variation d'énergie cinétique macroscopique
- B. La variation d'énergie interne du système
- C. La chaleur totale échangée
- D. Le travail total reçu
Réponse
B. La variation d'énergie interne du système — ΔU est la variation d'énergie interne, somme des énergies microscopiques des particules.
Selon la convention thermodynamique, $Q > 0$ signifie que :
- A. Le système cède de la chaleur
- B. Le système reçoit de la chaleur
- C. La température baisse
- D. W > 0
Réponse
B. Le système reçoit de la chaleur — Q > 0 : le système reçoit de la chaleur (il se chauffe).
L'unité de l'énergie en SI est :
- A. Watt (W)
- B. Newton (N)
- C. Joule (J)
- D. Pascal (Pa)
Réponse
C. Joule (J) — Le joule (J) est l'unité d'énergie. Le watt est une unité de puissance (J/s).
Pour une transformation adiabatique, on a :
- A. W = 0
- B. Q = 0
- C. ΔU = 0
- D. P = constante
Réponse
B. Q = 0 — Adiabatique signifie sans échange de chaleur : Q = 0.
La formule $Q = mc\Delta T$ s'applique :
- A. Lors d'un changement d'état
- B. Lors d'une transformation isochore uniquement
- C. Lors d'une variation de température sans changement d'état
- D. Toujours, sans restriction
Réponse
C. Lors d'une variation de température sans changement d'état — Q = mcΔT est valable tant qu'il n'y a pas de changement d'état (température varie continûment).
Un rendement $\eta = 0{,}85$ signifie que :
- A. 85 % de l'énergie fournie est perdue
- B. 85 % de l'énergie fournie est convertie en énergie utile
- C. L'énergie utile vaut 85 J
- D. L'énergie fournie vaut 85 J
Réponse
B. 85 % de l'énergie fournie est convertie en énergie utile — η = E_utile / E_fournie = 0,85 → 85 % de l'énergie fournie est utile.
L'énergie cinétique d'un objet de masse $m = 2\,\text{kg}$ à $v = 4\,\text{m/s}$ est :
- A. 8 J
- B. 16 J
- C. 32 J
- D. 4 J
Réponse
B. 16 J — E_c = ½mv² = ½ × 2 × 16 = 16 J.
Lors d'une transformation isochore ($\Delta V = 0$), le travail des forces de pression est :
- A. Maximal
- B. Négatif
- C. Nul
- D. Positif
Réponse
C. Nul — W_pression = –P_ext × ΔV = 0 si ΔV = 0.
Quel convertisseur a le meilleur rendement typique ?
- A. Ampoule incandescente
- B. Moteur à essence
- C. Moteur électrique
- D. Panneau photovoltaïque
Réponse
C. Moteur électrique — Le moteur électrique atteint 85–95 % de rendement, bien supérieur aux autres exemples.
La chaleur latente de fusion $L$ s'utilise dans la formule :
- A. $Q = mc\Delta T$
- B. $Q = mL$
- C. $Q = \frac{1}{2}mv^2$
- D. $Q = P \times t$
Réponse
B. $Q = mL$ — Q = mL lors d'un changement d'état à température constante.
Le premier principe de la thermodynamique exprime :
- A. La conservation de la quantité de mouvement
- B. La conservation de l'énergie
- C. L'évolution vers le désordre
- D. La loi de Newton
Réponse
B. La conservation de l'énergie — ΔU = W + Q traduit la conservation de l'énergie : l'énergie se convertit mais ne se crée pas.
Pour deux convertisseurs en cascade de rendements $\eta_1 = 0{,}8$ et $\eta_2 = 0{,}9$, le rendement global est :
- A. 0,85
- B. 0,72
- C. 1,70
- D. 0,80
Réponse
B. 0,72 — η_global = η_1 × η_2 = 0,8 × 0,9 = 0,72.
Niveau moyen — 12 questions
Un gaz reçoit $W = -200\,\text{J}$ et $Q = 350\,\text{J}$. Sa variation d'énergie interne est :
- A. 550 J
- B. 150 J
- C. -150 J
- D. 200 J
Réponse
B. 150 J — ΔU = W + Q = –200 + 350 = 150 J.
Lors de la détente isobare d'un gaz ($P_{ext} = 10^5\,\text{Pa}$, $\Delta V = 2\,\text{L}$), le travail W est :
- A. +200 J
- B. -200 J
- C. +2 J
- D. -2 J
Réponse
B. -200 J — W = –P_ext × ΔV = –10^5 × 2×10⁻³ = –200 J (le gaz fournit du travail).
On chauffe $m = 1\,\text{kg}$ d'eau de $20\,°\text{C}$ à $100\,°\text{C}$ ($c = 4186\,\text{J·kg}^{-1}\text{·K}^{-1}$). L'énergie requise est :
- A. 334 880 J
- B. 418 600 J
- C. 41 860 J
- D. 3 348 800 J
Réponse
A. 334 880 J — Q = 1 × 4186 × 80 = 334 880 J.
Une machine a un rendement $\eta = 0{,}40$. Elle reçoit $E_{fournie} = 500\,\text{J}$. Quelle énergie est perdue ?
- A. 200 J
- B. 300 J
- C. 500 J
- D. 400 J
Réponse
B. 300 J — E_utile = 0,40 × 500 = 200 J. E_pertes = 500 – 200 = 300 J.
Le théorème travail-énergie cinétique s'énonce :
- A. $\Delta E_c = Q$
- B. $\Delta E_c = \sum W_{\text{forces}}$
- C. $\Delta U = W + Q$
- D. $E_c = mgh$
Réponse
B. $\Delta E_c = \sum W_{\text{forces}}$ — ΔE_c = Σ W_forces : la variation d'Ec est égale à la somme des travaux de toutes les forces.
Un objet de $m = 3\,\text{kg}$ monte de $h = 5\,\text{m}$. L'énergie potentielle de pesanteur gagnée est ($g = 10\,\text{m/s}²$) :
- A. 15 J
- B. 150 J
- C. 30 J
- D. 1,5 J
Réponse
B. 150 J — ΔE_pp = mgh = 3 × 10 × 5 = 150 J.
Lors de la fusion de la glace à $0\,°\text{C}$, la température :
- A. Augmente
- B. Diminue
- C. Reste constante
- D. Varie selon la pression
Réponse
C. Reste constante — Lors d'un changement d'état, la température reste constante (toute l'énergie sert à rompre les liaisons).
La puissance d'une machine est $P = 500\,\text{W}$. En $t = 2\,\text{min}$, elle produit :
- A. 1000 J
- B. 60 000 J
- C. 1000 W
- D. 250 J
Réponse
B. 60 000 J — E = P × t = 500 × 120 = 60 000 J.
Un freinage réduit $E_c$ de $80\,\text{kJ}$. En supposant que toute cette énergie chauffe les freins ($m_f = 5\,\text{kg}$, $c_f = 400\,\text{J·kg}^{-1}\text{·K}^{-1}$), $\Delta T$ des freins vaut :
- A. 40 K
- B. 400 K
- C. 8 K
- D. 4 K
Réponse
A. 40 K — ΔT = Q/(m_f × c_f) = 80000/(5 × 400) = 40 K.
Deux sources à $T_c = 500\,\text{K}$ et $T_f = 300\,\text{K}$. Le rendement de Carnot $\eta = 1 - T_f/T_c$ vaut :
- A. 40%
- B. 60%
- C. 67%
- D. 30%
Réponse
A. 40% — η_Carnot = 1 – 300/500 = 0,40 = 40 %.
L'énergie interne d'un système est une :
- A. Grandeur d'échange
- B. Fonction de chemin
- C. Fonction d'état
- D. Grandeur vectorielle
Réponse
C. Fonction d'état — U est une fonction d'état : elle ne dépend que de l'état du système (T, P, V, composition), pas du chemin suivi.
Quelle transformation est à la fois adiabatique et isochore ?
- A. ΔU = Q
- B. ΔU = 0
- C. ΔU = W
- D. W = Q
Réponse
B. ΔU = 0 — Adiabatique : Q = 0. Isochore : W_pression = 0 donc W = 0. ΔU = 0 + 0 = 0.
Niveau difficile — 13 questions
Un système passe de l'état A à l'état B par deux chemins : chemin 1 ($W_1 = -100\,\text{J}$, $Q_1 = 300\,\text{J}$) ; chemin 2 ($W_2 = 50\,\text{J}$). Quelle est $Q_2$ ?
- A. 150 J
- B. 100 J
- C. 200 J
- D. 250 J
Réponse
A. 150 J — ΔU est une fonction d'état : ΔU = –100+300 = 200 J pour les deux chemins. Q_2 = ΔU – W_2 = 200–50 = 150 J.
Un moteur thermique reçoit $Q_c = 1000\,\text{J}$ de la source chaude et rejette $|Q_f| = 650\,\text{J}$ à la source froide. Son rendement est :
- A. 65%
- B. 35%
- C. 30%
- D. 45%
Réponse
B. 35% — W = Q_c – |Q_f| = 1000–650 = 350 J. η = W/Q_c = 350/1000 = 35 %.
Pour un gaz parfait monoatomique, $\Delta U = \frac{3}{2}nR\Delta T$. Si $n = 1\,\text{mol}$, $R = 8{,}314\,\text{J·mol}^{-1}\text{·K}^{-1}$ et $\Delta T = 100\,\text{K}$, $\Delta U$ vaut :
- A. 1247 J
- B. 831 J
- C. 415 J
- D. 2494 J
Réponse
A. 1247 J — ΔU = 3/2 × 1 × 8,314 × 100 = 1247 J.
Une PAC de COP = 4 consomme $W = 500\,\text{J}$. L'énergie prélevée à la source froide est :
- A. 1500 J
- B. 500 J
- C. 2000 J
- D. 2500 J
Réponse
A. 1500 J — Q_c = COP × W = 4 × 500 = 2000 J. Q_f = Q_c – W = 2000 – 500 = 1500 J.
Laquelle de ces affirmations sur le rendement est FAUSSE ?
- A. η < 1 pour tout convertisseur réel
- B. η = 1 pour une transformation réversible théorique
- C. η dépend de l'énergie utile et fournie
- D. η > 1 est possible si Q est fourni en plus
Réponse
D. η > 1 est possible si Q est fourni en plus — η > 1 est impossible pour un convertisseur. Le COP d'une PAC peut dépasser 1, mais η d'un moteur (W utile / E fournie) reste < 1.
Dans la relation $W = -P_{ext}\Delta V$, quel est le signe de W lors d'une compression à $P_{ext}$ constante ?
- A. Négatif (le gaz fournit du travail)
- B. Positif (le gaz reçoit du travail)
- C. Nul
- D. Dépend de la température
Réponse
B. Positif (le gaz reçoit du travail) — Compression : ΔV < 0 → W = –P_ext × ΔV > 0 : le système reçoit du travail.
Un système reçoit Q = 800 J et fournit W = 500 J. Sa variation d'énergie interne est :
- A. 1300 J
- B. 300 J
- C. -300 J
- D. 800 J
Réponse
B. 300 J — W fourni = –500 J (convention : W reçu). ΔU = –500 + 800 = 300 J.
Lors d'une vaporisation à $100\,°\text{C}$ et $P = 1\,\text{atm}$, l'eau :
- A. Libère de la chaleur
- B. Reçoit de la chaleur
- C. Ne change pas d'énergie interne
- D. Voit sa température augmenter
Réponse
B. Reçoit de la chaleur — La vaporisation nécessite un apport d'énergie (Q > 0) pour rompre les liaisons intermoléculaires.
Le coefficient de performance d'un climatiseur (sens frigorifique) est $COP_{frig} = Q_f/W$. Si $COP_{frig} = 2{,}5$ et $W = 400\,\text{J}$, l'énergie extraite de la pièce est :
- A. 160 J
- B. 1000 J
- C. 400 J
- D. 2500 J
Réponse
B. 1000 J — Q_f = COP_frig × W = 2,5 × 400 = 1000 J.
Laquelle des transformations suivantes laisse l'énergie interne inchangée ($\Delta U = 0$) pour un gaz parfait ?
- A. Transformation isochore
- B. Transformation isotherme
- C. Transformation isobare
- D. Transformation adiabatique
Réponse
B. Transformation isotherme — Pour un gaz parfait, U ne dépend que de T. À T constante (isotherme), ΔU = 0.
Trois convertisseurs en série ont des rendements 0,8 ; 0,9 ; 0,7. Le rendement global est :
- A. 0,80
- B. 0,504
- C. 0,72
- D. 2,4
Réponse
B. 0,504 — η = 0,8 × 0,9 × 0,7 = 0,504.
Pour un gaz se dilatant à pression constante avec $\Delta U = 400\,\text{J}$ et $W = -150\,\text{J}$, la chaleur Q est :
- A. 250 J
- B. 550 J
- C. -250 J
- D. 400 J
Réponse
B. 550 J — Q = ΔU – W = 400 – (–150) = 550 J. À pression constante, Q = ΔH (enthalpie).
La chaleur latente de vaporisation de l'eau est $L_v = 2{,}26 \times 10^6\,\text{J·kg}^{-1}$. Vaporiser $m = 10\,\text{g}$ d'eau nécessite :
- A. 22 600 J
- B. 226 000 J
- C. 2260 J
- D. 22,6 J
Réponse
A. 22 600 J — Q = mL = 0,010 × 2,26×10^6 = 22 600 J.
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