Lycée · Terminale · Spécialité Physique-Chimie
Énergie interne et premier principe de la thermodynamique
Définir l'énergie interne d'un système, maîtriser les échanges de travail et de chaleur, et appliquer le premier principe à des transformations variées (programme de Tle Spé PC)
À propos de cette page
Choisis ton niveau. Questions et réponses mélangées à chaque partie. Bonne chance !
Les 36 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
Un système fermé est un système qui :
- A. n'échange ni matière ni énergie
- B. échange de l'énergie mais pas de matière
- C. échange de la matière mais pas d'énergie
- D. échange matière et énergie
Réponse
B. échange de l'énergie mais pas de matière — Un système fermé n'échange pas de matière avec l'extérieur, mais peut échanger de l'énergie.
L'énergie interne U d'un gaz parfait dépend de :
- A. la pression seule
- B. le volume seul
- C. la température seule
- D. la pression et le volume
Réponse
C. la température seule — Pour un gaz parfait, U ne dépend que de la température T.
Le premier principe de la thermodynamique s'énonce : ΔU = :
- A. W − Q
- B. Q − W
- C. W + Q
- D. W × Q
Réponse
C. W + Q — Le premier principe est ΔU = W + Q (convention récepteur : W et Q reçus par le système).
Lors d'une transformation adiabatique, on a :
- A. W = 0
- B. Q = 0
- C. ΔU = 0
- D. P = constante
Réponse
B. Q = 0 — Par définition, une transformation adiabatique est sans échange de chaleur : Q = 0.
Lors d'une transformation isochore, on a :
- A. P = constante
- B. V = constante
- C. T = constante
- D. Q = 0
Réponse
B. V = constante — Isochore signifie à volume constant (V = cste).
La formule W = −P_ext ΔV donne un travail W positif quand :
- A. le gaz se détend
- B. le volume augmente
- C. le gaz est comprimé
- D. la pression est nulle
Réponse
C. le gaz est comprimé — Compression : ΔV < 0, donc W = −P_ext × ΔV > 0. Le système reçoit du travail.
La chaleur Q est ______ si le système cède de l'énergie à l'extérieur.
- A. positive
- B. nulle
- C. négative
- D. infinie
Réponse
C. négative — Convention récepteur : Q < 0 si le système cède de la chaleur.
L'unité SI de l'énergie interne est :
- A. W (watt)
- B. J (joule)
- C. Pa (pascal)
- D. K (kelvin)
Réponse
B. J (joule) — L'énergie interne s'exprime en joules (J), comme toute forme d'énergie.
Pour un gaz parfait lors d'une transformation isotherme, ΔU vaut :
- A. nCvΔT
- B. P_ext ΔV
- C. 0
- D. W + Q
Réponse
C. 0 — Isotherme → ΔT = 0 → ΔU = nCvΔT = 0 pour un gaz parfait.
La capacité thermique massique c d'un matériau s'exprime en :
- A. J·kg⁻¹
- B. J·K⁻¹
- C. J·kg⁻¹·K⁻¹
- D. J·mol⁻¹
Réponse
C. J·kg⁻¹·K⁻¹ — L'unité de c est le J·kg⁻¹·K⁻¹ (joule par kilogramme et par kelvin).
Lors d'une transformation isochore, le travail W des forces de pression vaut :
- A. Q
- B. ΔU
- C. 0
- D. −P ΔV
Réponse
C. 0 — Volume constant → ΔV = 0 → W = −P_ext ΔV = 0.
L'énergie interne est dite 'extensive' car elle est :
- A. indépendante de la quantité de matière
- B. proportionnelle à la quantité de matière
- C. toujours positive
- D. égale à l'enthalpie
Réponse
B. proportionnelle à la quantité de matière — Une grandeur extensive est proportionnelle à la quantité de matière du système.
Niveau moyen — 12 questions
Un système reçoit W = +500 J et cède Q = 200 J. Quelle est la valeur de ΔU ?
- A. +700 J
- B. +300 J
- C. −300 J
- D. −700 J
Réponse
B. +300 J — Q = −200 J (cédé). ΔU = W + Q = 500 + (−200) = +300 J.
Un gaz parfait (n = 1 mol, Cv = 3/2 R) voit sa température augmenter de 40 K. ΔU vaut environ :
- A. 250 J
- B. 500 J
- C. 750 J
- D. 1000 J
Réponse
B. 500 J — ΔU = nCvΔT = 1 × (3/2) × 8,314 × 40 ≈ 499 J ≈ 500 J.
Un gaz se détend de 1 L à 3 L sous P_ext = 10⁵ Pa. Le travail W reçu par le gaz vaut :
- A. +200 J
- B. −200 J
- C. +2×10⁵ J
- D. −2×10⁵ J
Réponse
B. −200 J — ΔV = 2×10⁻³ m³. W = −10⁵ × 2×10⁻³ = −200 J. Le gaz fournit du travail (détente).
Un système subit une transformation adiabatique et reçoit W = 600 J. Quelle est ΔU ?
- A. 0 J
- B. 600 J
- C. −600 J
- D. Impossible à calculer
Réponse
B. 600 J — Adiabatique : Q = 0. ΔU = W + Q = 600 + 0 = 600 J.
Quelle quantité de chaleur faut-il pour chauffer 200 g d'eau de 10°C ? (c = 4180 J·kg⁻¹·K⁻¹)
- A. 836 J
- B. 4180 J
- C. 8360 J
- D. 418 J
Réponse
C. 8360 J — Q = mcΔT = 0,200 × 4180 × 10 = 8360 J.
Pour un gaz parfait lors d'une transformation isotherme, quelle relation lie W et Q ?
- A. Q = W
- B. Q = −W
- C. Q = 2W
- D. W = 0
Réponse
B. Q = −W — Isotherme gaz parfait : ΔU = 0 → W + Q = 0 → Q = −W.
L'enthalpie H est définie par :
- A. H = U − PV
- B. H = U + PV
- C. H = U + Q
- D. H = W + Q
Réponse
B. H = U + PV — Par définition, l'enthalpie est H = U + PV.
Lors d'une transformation isobare, la chaleur échangée Q_P est égale à :
- A. ΔU
- B. ΔH
- C. W
- D. −ΔU
Réponse
B. ΔH — À pression constante : ΔH = ΔU + PΔV = ΔU − W = Q_P.
Un bloc de cuivre (m = 100 g, c = 385 J·kg⁻¹·K⁻¹) cède 1925 J à un bain. De combien sa température diminue-t-elle ?
- A. 5 K
- B. 10 K
- C. 50 K
- D. 385 K
Réponse
C. 50 K — ΔT = Q/(mc) = −1925/(0,1×385) = −50 K. La température diminue de 50 K.
Pour convertir 1 L en m³, on multiplie par :
- A. 10⁻¹
- B. 10⁻²
- C. 10⁻³
- D. 10⁻⁶
Réponse
C. 10⁻³ — 1 L = 10⁻³ m³ (un litre = un décimètre cube = 10⁻³ m³).
Un gaz parfait subit une compression adiabatique. Sa température :
- A. Diminue
- B. Reste constante
- C. Augmente
- D. Est nulle
Réponse
C. Augmente — Compression adiabatique : Q = 0, W > 0 → ΔU > 0 → ΔT > 0 : la température augmente.
Le bilan calorimétrique dans un calorimètre parfait s'écrit :
- A. ΣQ_i = cste
- B. ΣQ_i = ΔU
- C. ΣQ_i = 0
- D. ΣQ_i = W
Réponse
C. ΣQ_i = 0 — Dans un calorimètre idéal (adiabatique), la somme algébrique des chaleurs échangées est nulle.
Niveau difficile — 12 questions
Un gaz parfait subit une détente adiabatique. Quelle affirmation est vraie ?
- A. ΔU = Q
- B. ΔU > 0
- C. Q = −W
- D. ΔU = W < 0
Réponse
D. ΔU = W < 0 — Adiabatique : Q = 0, ΔU = W. Détente : le gaz fournit du travail → W < 0 → ΔU < 0 : la température baisse.
Pour un gaz parfait, la relation ΔU = nCvΔT est valable :
- A. seulement à volume constant
- B. seulement à pression constante
- C. pour toute transformation
- D. seulement de façon adiabatique
Réponse
C. pour toute transformation — Pour un gaz parfait, U ne dépend que de T : ΔU = nCvΔT est valable quelle que soit la transformation.
Un système effectue un cycle (retour à l'état initial). ΔU vaut :
- A. W
- B. Q
- C. 0
- D. W + Q
Réponse
C. 0 — U est une fonction d'état. Après un cycle, l'état final = état initial → ΔU = 0.
Pour un cycle : ΔU = 0, donc W + Q = 0. Si W = −500 J, alors Q vaut :
- A. −500 J
- B. 0 J
- C. +500 J
- D. Impossible à déterminer
Réponse
C. +500 J — W + Q = 0 → Q = −W = −(−500) = +500 J. Le système reçoit de la chaleur.
L'enthalpie de vaporisation de l'eau est 2260 kJ·kg⁻¹. Pour vaporiser 100 g d'eau à 100°C, il faut :
- A. 22,6 kJ
- B. 226 kJ
- C. 2260 kJ
- D. 22,6 J
Réponse
B. 226 kJ — Q = mL = 0,100 × 2260 = 226 kJ.
Dans la relation ΔH = ΔU + PΔV (transformation isobare), PΔV représente :
- A. La chaleur reçue
- B. Le travail reçu par le milieu extérieur
- C. L'opposé du travail reçu par le système
- D. L'énergie interne
Réponse
C. L'opposé du travail reçu par le système — W = −P_extΔV (travail reçu par le système), donc PΔV = −W = travail fourni par le système = travail reçu par le milieu extérieur.
Un gaz parfait biatomique (Cv = 5R/2) passe de T_i = 400 K à T_f = 200 K en fournissant W = 300 J. Calculer Q reçu pour n = 1 mol.
- A. +1779 J
- B. +2079 J
- C. −2079 J
- D. −1779 J
Réponse
D. −1779 J — ΔU = nCvΔT = 1×(5/2)×8,314×(−200) = −4157 J. Q = ΔU − W = −4157 − (−300) = −3857 J. (Note : W fourni = W_ext = +300 J → W_reçu = −300 J).
Dans un calorimètre, on mélange eau chaude et eau froide. L'équilibre est atteint quand :
- A. Q_eau_chaude = 0
- B. Q_eau_froide > 0
- C. Q_eau_chaude + Q_eau_froide = 0
- D. ΔU = W
Réponse
C. Q_eau_chaude + Q_eau_froide = 0 — Bilan calorimétrique : somme des chaleurs échangées = 0 (système isolé thermiquement).
Pour mesurer la capacité thermique massique d'un solide par calorimétrie, il faut supposer que le calorimètre est :
- A. Isotherme
- B. Isobare
- C. Adiabatique
- D. Isochore
Réponse
C. Adiabatique — Le calorimètre doit être adiabatique (aucun échange thermique avec l'extérieur) pour que toute la chaleur reste dans le système {solide + eau + calorimètre}.
Quelle est la différence fondamentale entre la chaleur Q et l'énergie interne U ?
- A. Q est une fonction d'état, U non
- B. U est une fonction d'état, Q est un transfert
- C. Q > U toujours
- D. U = 0 à l'équilibre
Réponse
B. U est une fonction d'état, Q est un transfert — U est une propriété (fonction d'état) du système, tandis que Q est un échange d'énergie lors d'une transformation (pas une propriété du système).
Un système passe de l'état A à l'état B par deux chemins différents. Laquelle de ces grandeurs est identique pour les deux chemins ?
- A. Q
- B. W
- C. W + Q (= ΔU)
- D. Aucune des trois
Réponse
C. W + Q (= ΔU) — ΔU = U_B − U_A est une fonction d'état : elle ne dépend que des états A et B, pas du chemin. En revanche, W et Q peuvent différer selon le chemin.
Lors d'une transformation isobare d'un gaz parfait, quelle relation relie Cp et Cv ?
- A. Cp = Cv
- B. Cp = Cv + R
- C. Cp = Cv − R
- D. Cp = 2Cv
Réponse
B. Cp = Cv + R — Pour un gaz parfait : Cp − Cv = R (relation de Mayer). L'énergie supplémentaire à pression constante sert à réaliser le travail PΔV.
Cours particuliers de spécialité physique-chimie à Marseille, en présentiel ou à distance — un prof qui s'adapte à ton rythme et reprend ce qui coince.
Prof de physique-chimie à Marseille · Cours particuliers au lycée · Aide aux devoirs