/20. Numéro : CADRE RÉSERVÉ A L ENSEIGNANT :

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1 Numéro : /20 AGE DE GARDE SUJET D EXAMEN Année universitaire Classe : Aéro-2 Type d examen : ARTIEL Matière : Thermodynamique Code matière : h 21a Date : 3 février 2017 Horaire : Durée : 2 h Enseignant : Bouguechal Documents autorisés : NON Calculatrices autorisées : NON CADRE RÉSERÉ A L ENSEIGNANT : Si au cours de l épreuve, vous repérez ce qui vous parait être une erreur ou un oubli dans l énoncé, vous le signalez clairement dans votre copie et vous poursuivez l examen en proposant une solution. Le barème est donné à titre indicatif. our les QCM, chaque question comporte une ou plusieurs réponses. Lorsque l étudiant ne répond pas à une question ou si la réponse est fausse, la note attribuée sera égale à zéro. Rédigez directement sur la copie. Il sera tenu compte du soin apporté à la rédaction. Exercice1: /4.5 Exercice2: /3.5 Exercice3: /2.0 Exercice 4: /8.0 Exercice 5: /2.0 CADRE RÉSERÉ A L ETUDIANT(E) : Merci de compléter ce cadre et votre numéro en haut de page à gauche : NOM : rénom : Classe : ISA artiel de thermodynamique du 3 février /10

2 Exercice 1 : Elément de thermodynamique (4.5 points) A. Lors d une transformation adiabatique d un gaz parfait: 1. La température est constante 2. La température varie 3. il n y a pas d échange de chaleur et la température reste constante 4. pas d échange de chaleur et la température varie 5. aucune réponse B. Lors d une transformation adiabatique d un gaz parfait: 1. la température peut augmenter 2. la température peut diminuer 3. la température reste constante 4. il n y a aucun lien avec la température 5. autre C. Une transformation isotherme d un gaz parfait se fait à : 1. température constante et sans échange de chaleur 2. température constante avec échange de chaleur 3. température constante 4. sans aucun échange 5. aucune réponse D. Une fonction d état F est une fonction caractérisée par : 1. l intégration de df dépend du chemin 2. son intégration ne dépend pas du chemin 3. df est alors une différentielle exacte 4. df n est pas alors une différentielle exacte 5. aucun réponse. E. Les fonctions d état en thermodynamiques sont : 1. le travail 2. la chaleur 3. l énergie interne 4. l énergie cinétique 5. l enthalpie. F. Le résultat de l intégration sur un cycle des fonctions suivantes donne zéro. 1. le travail 2. la chaleur 3. l énergie interne 4. l énergie cinétique 5. l enthalpie. G. Le premier principe de la thermodynamique peut s écrire : 1. δu = δw+δq 2. du = dw+dq 3. du = dw+δq 4. du = δw+δq 5. autre H. La capacité calorifique à pression constante est définie par : Q 1. c ( dq U H ) p 2. p c ( ) 3. p c ( ) 4. p T c ( ) 5. aucune réponse. I. La capacité calorifique à volume constant est définie par : Q 1. c ( dq U H ) 2. c ( ) 3. c ( ) 4. T c ( ) 5. aucune réponse. J. L unité de l enthalpie est 1. le joule 2. le watt 3. le Kelvin 4. la calorie 5. autre Cochez la ou les bonne(s) cases. Si aucune case n est cochée note = 0. EXERCICE A 0.50 B 0.50 C 0.50 D 0.50 E 0.50 F 0.50 G 0.25 H 0.50 I 0.50 J 0.25 ISA artiel de thermodynamique du 3 février /10

3 Exercice 2 : Transformations élémentaires et réversible d un gaz parfait (3.5 points) a) On considère un gaz parfait subissant une transformation élémentaire réversible, compléter le tableau suivant : On exprimera quand c est possible, les grandeurs physiques du tableau en fonction des variables,, et T uniquement. 1ere loi de Joule du = er principe du = = 0.25 Travail élémentaire δw = 0.25 Chaleur élémentaire δq = eme loi de joule dh = 0.25 Relation de Mayer = 0.25 On considère une transformation réversible d un gaz parfait définie entre les états initial (i) de coordonnées i, Ti, i et final (f) de coordonnées f, Tf et f en présence de forces de pression uniquement. On prendra Cv constant. On demande d exprimer la variation des grandeurs thermodynamiques du tableau suivant en fonction des données. ΔU W Q ΔH Transformation isochore 0.5 Transformation isobare 0.5 Transformation isotherme 0.5 Transformation adiabatique 0.5 ISA artiel de thermodynamique du 3 février /10

4 Exercice 3 : Travail et énergie interne lors d une transformation (2.0 points) i i f f i fig.1 f i fig.2 f A. Lors d une transformation, le travail élémentaires des forces de pression extérieure, étant le volume du système et sa pression est donné par : 1. dw = d 2. δw = ext d 3. dw = δ 4. δw = d 5. autre B. Le travail des forces de pression lors de la transformation de i vers f représentée en figure 1 dépend : 1. uniquement de l état 1 2. uniquement de l état 2 3. uniquement de l état 1 et l état 2 du système 4. de l état 1 et 2 et du chemin suivi 5. autre C. Dans le cas de la transformation de la figure 1. (État i vers état f), le travail échangé par le système avec l extérieur est : 1. négatif 2. positif 3. nul 4. ne peut être déterminé 5. autre D. Dans le cas où la transformation cyclique de la figure 2 se ferait dans le sens indiqué par la flèche, le travail échangé sur le cycle avec l extérieur par le système serait : 1. positif 2. négatif 3. nul 4. ne peut être déterminé 5. autre E. Dans le cas où la transformation cyclique de la figure 2 se ferait dans le sens indiqué par la flèche, l énergie interne échangée avec l extérieur serait : 1. positif 2. négatif 3. nul 4. ne peut être déterminé 5. autre Cochez la ou les bonne(s) cases. Aucune case cochée note = 0. Exercice A 0.25 B 0.25 C 0.50 D 0.50 E 0.50 ISA artiel de thermodynamique du 3 février /10

5 Exercice 4 : Cycle thermodynamique ( 8 points ) L état initial d une mole de gaz parfait est caractérisé par une pression 0, et un volume 0. On fait subir à ce gaz successivement: - une transformation réversible isobare de A vers B, qui double son volume, - une compression réversible isotherme de B vers C, qui le ramène à son volume initial, - un refroidissement réversible isochore de C vers A, qui le ramène à l état initial (0, 0 ). Le gaz est caractérisé par ses capacités calorifiques à volume constant et pression constante : C et C supposés constants. a) Représenter les différentes transformations que subit ce gaz dans un diagramme de Clapeyron ( en fonction de ) avec toutes les données. b) Déterminer l expression de la température initiale T0 au point A en fonction des données. c) Déterminer l expression de la température au point B : TB en fonction de T0 et en déduire la température de l isotherme? En déduire la pression maximale atteinte au point C en fonction de 0. d) Calculer le travail échangé par le système au cours de chaque transformation en fonction des données 0 et 0. e) En déduire le travail total échangé, l exprimer en fonction de T0. f) Calculer la quantité de chaleur échangée par le système au cours de chaque transformation en fonction de T0. g) En déduire la quantité de chaleur totale échangée. h) En déduire la quantité de chaleur et de travail échangée sur le cycle. Conclusion. i) Calculer la variation d énergie interne échangée par le système au cours de chaque transformation. j) En déduire la variation de totale de l énergie interne. k) Quelles conclusions peut-on en tirer? Réponse : ISA artiel de thermodynamique du 3 février /10

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9 Exercice 5 : Expérience de Clément Desormes ( 3 points ) Soit un ballon de volume muni de deux tubulures, l une terminée par un robinet, l autre raccordée à un manomètre rempli d un liquide de masse volumique ρ.on néglige le volume des tubulures. A l instant initial le ballon est rempli d un gaz parfait à la température ambiante Ta et la dénivellation du liquide dans le manomètre est h1 comme indiqué sur le schéma. Cette dénivellation est obtenue après une compression lente du gaz dans le ballon. On suppose que la différence de pression entre le ballon et le milieu extérieur est petite comparée à la pression extérieure pext. On ouvre alors rapidement le robinet le temps juste nécessaire pour établir l équilibre des pressions entre le ballon et l extérieur et on le referme aussitôt. On laisse ensuite le système échangé de la chaleur avec le milieu extérieur de telle sorte que les températures dans le ballon et à l extérieur deviennent égales. Questions : 1) ourquoi la première transformation doit-elle se faire lentement? 2) ourquoi la deuxième transformation se fait elle rapidement? 3) Comment se fait la troisième transformation? 4) Comment fonctionne le manomètre à eau? 5) Représenter dans le diagramme de Clapeyron ces trois transformations. On indiquera toutes les données. 6) Quel est le but de cette expérience? expliquer. ISA artiel de thermodynamique du 3 février /10

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