Leçons de niveau 11

Air/Pression et température d'un gaz

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Pression et température d'un gaz
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Chapitre no 1
Leçon : Air
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Rappel : Les états de la matière[modifier | modifier le wikicode]

La matière existe principalement sous trois états : solide, liquide ou gazeux. L'état d'un corps pur dépend de sa nature, de sa température et de sa pression.

  • L'état solide : les particules qui composent le solide sont ordonnées ( cristaux ) ou désordonnées (par exemple le verre). Les molécules sont liées par des interactions assez fortes et l’état solide est caractérisé par l'absence de liberté entre les molécules ou les ions. Cependant les espèces vibrent et peuvent dans certaines conditions se déplacer par migration ou par diffusion.
Le solide a une forme propre et un volume propre.
  • L'état liquide : le liquide est facilement déformable mais difficilement compressible. Les molécules sont faiblement liées mais les interactions sont suffisantes pour que les molécules ne puissent pas s'éloigner les unes par rapport aux autres.
  • L'état gazeux : Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend à occuper tout le volume disponible. Les molécules (ou atomes) sont en mouvement les uns par rapport aux autres et les interactions sont très faibles (état dispersé). Un gaz est donc un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants.

Les molécules de gaz sont en mouvement[modifier | modifier le wikicode]

Observation de petites particules en suspension

Lorsque l’on observe des particules en suspension dans un liquide, on constate qu’elles sont en mouvement et que ce mouvement est accru par une augmentation de la température. De la même façon, l'observation de particules de fumées dans un gaz (l'air par exemple) permet d'observer un mouvement désordonné (mouvement brownien).

Modélisation microscopique d'un gaz

La dépendance entre la température et le mouvement des particules est appelée "agitation thermique". Les molécules d'un gaz sont en mouvement constant. Elles s'entrechoquent entres elles (agitation thermique) et contre les parois, elles exercent donc une action sur les parois : la pression.

Qu'est-ce que la pression ?[modifier | modifier le wikicode]

La pression est la moyenne des actions des collisions des particules de gaz sur les parois, et cela par unité de surface.

La pression p d'un gaz est reliée aux autres caractéristiques du gaz (T, n, V) par une équation d'état (exemple : gaz parfait, gaz réel...) Qualitativement, faisons varier un seul paramètre:

- une réduction de volume s'accompagne d'un augmentation de pression (on réduit la surface des parois or les chocs restent les mêmes donc le nombre de chocs par unité de surface augmente !)
- une diminution de la température s'accompagne d'une diminution de la pression (on réduit la vitesse des espèces donc le nombre de chocs et la puissance des chocs baissent sur la parois !)
- une réduction du nombre de particule s'accompagne d'une diminution de la pression (puisque l’on réduit donc le nombre de chocs par unité de surface !)
Définition de la pression

La force pressante exercée par une pression perpendiculairement à une paroi est

avec :

  • F est la force en newton (N)
  • p est la pression en N.m−2 ou bien en Pascal (Pa) (1 N.m−2 = 1 Pa)
  • Σ est la surface en m²
Mesure de la pression

On mesure la pression atmosphérique avec un baromètre et la pression d'un gaz contenu dans un récipient avec un manomètre.

Température et agitation thermique[modifier | modifier le wikicode]

État thermique d'un corps[modifier | modifier le wikicode]

La température traduit l'agitation thermique des molécules:

Pour les solides, cette agitation se traduit par des vibrations autour des positions d'équilibre. Lorsque ces vibrations deviennent trop grandes, on observe un changement d'état...
Pour les liquides, les molécules se déplacent plus rapidement tout en restant liées,
Pour les gaz, la vitesse de déplacement des molécules est suffisante pour empêcher les liaisons entre particule.

Ainsi le nombre de chocs sur une paroi augmente, donc la pression augmente pour un volume identique.

Échelle de température[modifier | modifier le wikicode]

  • Degré Celsius (1742)
C'est une échelle définie par deux points fixes à P = 1013 hPa , dérivée de l'échelle Réaumur
l'eau gèle à 0 °C
l'eau bout à 100 °C
et les graduations intermédiaires sont régulières.
  • Échelle Farenheit (1724)
Utilisée par les anglo-saxons, elle correspond à P = 1013 hPa :
l'eau gèle à 32 °F.
l'eau bout à 212 °F.
  • Température en Kelvin
C'est la température qui a le plus de sens en physique.
Le zéro absolu 0 K correspond à −273,15 °C. L'agitation thermique de toute matière est nulle à 0 K.
Les intervalles de l'échelle du degré Celsius sont identiques à ceux du kelvin, i.e. une variation de 1 K = une variation de 1 °C
Cette échelle permet de calculer facilement l'énergie thermique d'un corps.


Les différents thermomètres[modifier | modifier le wikicode]

  • Thermomètre à dilatation

Le liquide contenu dans le réservoir se dilate légèrement lors d'une augmentation de température; le tube capillaire amplifie la visibilité de la dilatation.

  • Thermomètre par mesure de résistance électrique

La valeur de la résistance électrique varie avec la température; un ohmmètre relié à un microprocesseur avec afficheur numérique traite l'information de la résistance et le transforme en température.

  • Mesure du rayonnement thermique

La quantité de rayonnement électromagnétique infrarouge émise par un corps dépend de sa température (thermomètre médical par visée du tympan). Les couleurs du spectre émis se décalent vers le bleu lorsque la température augmente (à haute température).