Gaz parfaits

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La vidéo "Gaz parfaits"


Sommaire

Matériel

L'expérience

En vidéo

La manipulation

  • Gonfler un ballon un petit peu.
  • Mettre le ballon dans un récipient rempli d’eau refroidie avec des glaçons.
  • Observer la taille du ballon.
  • Le mettre dans un récipient d’eau chaude.
  • Observer de nouveau la taille du ballon.

Que voit-on ?

Lorsque le ballon est mis dans l’eau froide, il rétrécit, son volume diminue. Inversement, quand il est mis dans l’eau chaude, son volume augmente.

Explication

Lorsque le ballon est plongé dans de l’eau froide à une température inférieure à la température ambiante, son volume diminue. Au contraire, si le ballon est mis dans l’eau chaude, son volume augmente.

Ces phénomènes physiques sont dus à la loi des gaz parfaits qui indique que le volume et la pression d’un gaz varient en fonction de la température de celui-ci :

  • Si la température augmente, le volume et/ou la pression des gaz augmentent.
  • Si la température diminue, le volume et/ou la pression des gaz diminuent.

Concepts scientifiques associés

L'état d'équilibre thermodynamique d'un gaz parfait est fixé ( n moles de molécules) par deux paramètres macroscopiques au choix. Les autres paramètres peuvent se calculer à partir des deux paramètres choisis par l'équation d'état. L'équation la plus couramment utilisée est l'équation des gaz parfaits, une équation thermoélastique.

Image:Gaz parfaits eq1.png

Celle-ci peut s’écrire sous deux formes :

  • Une vision macroscopique (le volume de gaz intervient) :

Image:Gaz parfaits eq2.png

  • Une vision microscopique (le nombre de molécules contenues dans une unité de volume intervient) :

Fichier:Gaz parfaits eq3.png

où :

  • p est la pression (en pascal)
  • V est le volume occupé par le gaz (en mètre cube)
  • n est la quantité de matière, en mole
  • N est le nombre de particules
  • R est la constante des gaz parfaits
 R = 8,314 472 J/(K.mol)
 on a en fait R = NA•kB où NA est le nombre d'Avogadro (6,022×1023 mol-1) et kB est la constante de Boltzmann (1,38×10-23 J/K) ;
  • T est la température absolue (en kelvin).


Une fois le ballon gonflé et fermé, la quantité de matière à l’intérieur de celui-ci est constante :

Image:Gaz parfaits eq4.png

Et donc

Image:Gaz parfaits eq5.png

A partir de cette formule, on peut voir directement que le produit pression volume est proportionnel à la température. De fait, si la température T diminue, le volume et la pression diminuent, le ballon se dégonfle.

Image:Gaz parfaits froid.jpg

A l’inverse, si la température T augmente, le volume et la pression augmentent, le ballon se gonfle. Image:Gaz parfaits chaud.jpg

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