Physique : chaufage et compression, ENAC pilote 2022.

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Deux gaz, supposés parfaits, sont enfermés dans deux compartiments (1) et (2) séparés par un piston mobile athermane (on dit aussi calorifugé) qui coulisse sans frottement. Le compartiment (1) est entièrement calorifugé tandis que le compartiment (2) peut échanger de l’énergie par chaleur (transfert thermique) avec le milieu extérieur, assimilé à un thermostat de température T0, à travers une paroi diathermane (non calorifugée). Les deux compartiments contiennent chacun n moles de gaz et sont, dans l’état initial, à la température T0. Le volume total des deux compartiments est Vt = 2V0, V0 désignant les volumes, initialement égaux, de chacun des deux compartiments.

À un instant pris comme origine temporelle, le compartiment (1) reçoit de la chaleur par l’intermédiaire d’un résistor (résistance r) alimenté pendant une durée t, par un générateur qui délivre un courant d’intensité i constante. L’état final est l’état d’équilibre thermodynamique du système qui succède à ce chauffage. On le caractérise par les variables d’état pk, Vk et Tk qui représentent les pressions, volumes et températures des compartiments (k) où k = 1 ou 2. On note g la constante des gaz parfaits et g = Cpm / Cvm.
le rapport de la capacité thermique molaire à pression constante sur la capacité thermique molaire
à volume constant, identique pour les gaz des deux compartiments.
31. Exprimer V1 et V2 :
A) V1 = T1 V0 / (T0+T1).
 B) V1 = T1 Vt / (T0+T1). Vrai.
 C) V2 = T0 V0 / (T0+T1).
 D) V2 = T0 Vt / (T0+T1). Vrai.
Equation des gaz parfaits : p1V1 = nRT1 et
p2V2 = nRT2 avec T2 = T0 à l'équilibre thermique.
L'équilibre mécanique conduit à p1 = p2.
nRT1 / V1 = nRT0 / V2  ; V1 =T1V2 / T0 = T1(Vt -V1)/ T0 ;
V1 (1+
T1 / T0)= T1 / T0 Vt.
V1 =T1 /(T1+T0) Vt.
V2 = Vt-V1 =
Vt-T1 /(T1+T0) Vt = T0 /(T1+T0) Vt.

32. Que peut-on affirmer ?
A) p2 = p1. Vrai ( équilibre mécanique)
 B) p1 = nR(T0+T1) / Vt. Vrai.
C) p1 = nR(T0+T1) / V0.
D) p2 ≠ p1.
p1 = nRT1 / V1 ; V1 =T1 /(T1+T0) Vt ;
 p1 = nR(T1+T0) / Vt.

  33. Déterminer la variation d’énergie interne DU entre l’état initial et l’état final du système constitué par les deux gaz (on indique que DU est la somme des variations des énergies internes des deux gaz, entre l’état initial et final) :
A) DU = 0
B) DU =nR(T1-T0) / (g-1). Vrai.
C) DU =nRg(T1-T0) / (g-1).
 D) DU =nR(T1-T0) .
La température du gaz (2) ne change pas, donc DU2 = 0.
DU =DU1 =n Cvm DT ; Cpm- Cvm= R ;  gCvm - Cvm+= R ; Cvm= R /(g-1)
DU =nR(T1-T0) / (g-1).

  34. On note W2 et Q2 le travail et la chaleur (transfert thermique) algébriquement reçus par le gaz du compartiment (2) entre l’état initial et l’état final. On supposera la transformation réversible. Que peut-on affirmer ?
A) W2 = nRT0 ln[(T0+T1) / (2T0)]. Vrai.
B) W2 = 0.
C) Q2 = 0.
D)
Q2 = -W2. Vrai.
Travail des forces de pression lors d'une tranformation réversible :


DU2=Q2 +W2 =0. Q2 = - W2.

35. On note Q1 la chaleur (transfert thermique) algébriquement reçu par le gaz du compartiment (1) entre l’état initial et
l’état final. Que peut-on affirmer ?
A)
Q1 = DU.
 B)
Q1 = DU + W2. Vrai.
 C)
Q1 = W2.
D)
Q1 = r i2t. Vrai.
W1 = - W2 ; DU =
DU1 =Q1+W1 = Q1-W2 .

36. On note S2(r) l’entropie algébriquement reçue et
S2(c) l’entropie algébriquement créée, entre l’état initial et l’état final,
pour le gaz situé dans le compartiment (2). On indique que sa variation d’entropie DS2 entre l’état initial et l’état final
s’écrit
DS2 = nR ln (V2 / V0). Exprimer S2(r)  et S2(c) :
A)
S2(r) = nR ln [2T0/(T0+T1)] Vrai
B)
S2(r) = 0.
C)
S2(c) = nR ln [2T0/(T0+T1)].
 D) S2(c) = 0. Vrai
S2(c) =Q2 / T0 = -W2 / T0 = -nR ln[(T0+T1) / (2T0)] = nR ln[(T0+T1) / (2T0)].
DS2 =
S2(c) + S2(r) ; S2(r) = nR ln[(2T0) /(T0+T1]- nR ln[(2T0) /(T0+T1] =0.



  
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