Le réchauffement d'un gaz entraîne une augmentation de la pression, donc si le récipient devient très chaud, il ne pourra plus résister à l'immense pression du gaz qu'il contient. Il explosera ! Cet article explique la relation entre la pression et la température d'un gaz.
Signification de la pression et de la température d'un gaz
Nous devons d'abord connaître la signification de la pression et de la température d'un gaz. Pour cela, nous considérons un gaz comme un tas de particules volant au hasard à l'intérieur d'un récipient fermé de volume constant. Vois l'animation ci-dessous pour la configuration. De temps en temps, les particules de gaz heurtent la paroi du récipient et rebondissent vers l'intérieur, et ce rebond exerce une force vers l'extérieur du récipient, perpendiculairement aux parois. De cette façon, chaque unité de surface du récipient subit la même force de la part des particules de gaz qui rebondissent.
La force (perpendiculaire) par unité de surface que les particules de gaz rebondissantes exercent sur une paroi s'appelle la pression du gaz.
Nous voyons que la pression est mesurée en unités de que nous appelons pascal. Le symbole de cette unité est .
Lorsque nous écrivons des unités en entier, nous les écrivons toujours en minuscules, même si elles portent le nom de personnes. Par exemple, l'unité pascal porte le nom du physicien Pascal. Les symboles d'unités peuvent comporter des lettres majuscules, dont il existe de nombreux exemples, notamment .
Si les particules d'un gaz exercent une force (perpendiculaire) de sur une sur la surface d'un mur, la pression de ce gaz est de .
Les particules d'un gaz ont toutes à peu près la même vitesse (si ce n'était pas le cas, le fait de rebondir les unes sur les autres entraînerait rapidement une redistribution de l'énergie cinétique des particules, et donc des vitesses distribuées), il y a donc une certaine quantité d'énergie cinétique moyenne par particule de gaz. Cette énergie par particule définit la température du gaz : plus les particules se déplacent rapidement, plus la température du gaz est élevée.
Relation entre la pression et la température du gaz
D'après les définitions et la configuration du gaz dans un récipient fermé, nous voyons qu'une augmentation de la température du gaz, et donc une augmentation de la vitesse moyenne des particules de gaz, entraînera des rebonds plus fréquents (si le volume du récipient de gaz fermé reste constant) et plus violents contre les parois du récipient. En d'autres termes, le réchauffement d'un gaz dans un récipient de volume constant augmente le nombre de collisions entre les particules et les parois du récipient, et il augmente la force moyenne des collisions avec le récipient. Cela signifie que la force totale par unité de surface des parois du récipient augmente, ce qui, par définition, signifie que cela augmente la pression du gaz.
Nous pouvons également visualiser cette augmentation de la pression à l'aide de l'animation ci-dessus. Si la vitesse des particules augmente, nous voyons intuitivement que les particules exercent une force plus importante sur les parois du récipient. Ainsi, la relation entre la température et la pression d'un gaz - à volume de récipient constant - est positive : une augmentation de la température du gaz signifie une augmentation de la pression du gaz. Inversement, à volume de récipient constant, une augmentation de la pression du gaz signifie une augmentation de sa température, car la seule façon d'augmenter la pression est que les particules se déplacent plus vite, ce qui signifie que la température augmente.
Pour un récipient fermé de volume constant (c'est-à-dire un volume constant et un nombre constant de particules dans le gaz), la pression du gaz est une constante multipliée par la température. En d'autres termes, la relation entre la pression du gaz et la température est linéaire. Dans la pratique, cela signifie ce qui suit.
Si, dans un récipient fermé de volume constant, la température double, la pression double également. Si la température baisse, la pression baisse également, du même facteur.
Graphique de la pression et de la température d'un gaz
Comme la relation entre la pression et la température du gaz est positive, le graphique pression-température correspondant à un gaz consiste en une courbe croissante. Il s'avère que le graphique sera en fait une ligne droite (en raison de la linéarité que nous avons mentionnée dans la plongée profonde ci-dessus), mais tu n'as pas besoin de le savoir. Ci-dessous, nous voyons le graphique correspondant à un gaz typique que tu peux trouver sur Terre.
Graphique de la pression en fonction de la température d'un gaz typique - StudySmarter Originals
Nous voyons qu'autour du point de congélation de l'eau la pression de ce gaz est d'environ . En pratique, il s'agit de la pression de l'air qui nous entoure : la pression atmosphérique est d'environ . Nous constatons également qu'à une température de la pression est de La pression atmosphérique est de : c'est logique car les particules ne se déplacent pas à une température de zéro absolu, donc elles ne rebondissent pas non plus sur les parois.
Expériences sur la pression et la température des gaz
Prends un récipient vide et fermé de volume constant et chauffe-le, par exemple en utilisant du feu. La température de l'air à l'intérieur du récipient augmentera, et la pression de l'air augmentera également. À une certaine température de l'air, la force que l'air exerce sur le récipient par le biais de sa pression devient trop importante pour que le récipient reste en un seul morceau : le récipient explose. Évidemment, cette expérience est dangereuse à réaliser dans la pratique, mais c'est une expérience de pensée simple et agréable.
Éclatement d'un tuyau le long d'une ligne de soudure en raison d'une pression interne trop importante.
Il s'agit d'une expérience que tu peux faire à la maison. Prends une bouteille d'eau (ou de boisson gazeuse) en plastique, vide-la de façon à ce qu'il y ait principalement de l'air à l'intérieur, et ferme-la avec le bouchon. Place ensuite la bouteille dans ton congélateur et attends environ 5 minutes. La bouteille présente probablement des bosses. Celles-ci sont dues à la diminution de la pression de l'air à l'intérieur de la bouteille en raison du refroidissement ! Si tu sors la bouteille du congélateur, l'air à l'intérieur se réchauffera à nouveau et la bouteille se déboîtera devant toi. Ce déboîtement visualise l'augmentation de la pression de l'air à l'intérieur de la bouteille, qui est le résultat direct du réchauffement de cet air.
Exemples d'utilisation de la relation pression-température des gaz
Supposons que nous ayons un récipient vide et fermé de volume constant : il ne contient que de l'air, et cet air a une certaine pression
Si nous chauffons le récipient, l'air sera également chauffé, donc la pression de l'air à l'intérieur du récipient augmentera. En revanche, si nous mettons le récipient au congélateur, la température du gaz diminuera, donc la pression du gaz diminuera.
Si nous ne pouvons pas mesurer directement la température du récipient, mais que nous sommes capables de mesurer la pression de l'air à l'intérieur du récipient, nous pouvons quand même dire des choses sur la température de l'air dans le récipient. En effet, si la pression augmente, nous savons que la température doit augmenter, et si la pression diminue, nous savons que la température doit diminuer.
Pression et température des gaz - Principaux enseignements
- Lorsque tu penses aux gaz, imagine des particules qui volent au hasard. S'il y a un mur, elles rebondissent dessus et ce rebond exerce une force sur le mur.
- La pression d'un gaz est la force par unité de surface qu'il exercerait sur un mur (potentiellement purement hypothétique).
- La température d'un gaz est dictée uniquement par l'énergie moyenne des particules qui le composent.
- Pour un gaz dans un récipient fermé de volume constant, une augmentation de la température s'accompagne toujours d'une augmentation de la pression, et vice versa.
- Le graphique de la pression en fonction de la température est une ligne croissante.
- Si tu chauffes un récipient fermé de volume constant, la pression du gaz augmentera, ce qui, à un moment donné, fera exploser le récipient.
- Nous pouvons dire des choses sur la température d'un gaz en mesurant sa pression, et vice versa.
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