révision sciences

[julie22]

L’air et les gaz

I) Propriétés physiques des gaz

Matérialité des gaz : exemple de l’air

L’air est un mélange de diverses susbstances

L’air atmosphérique qui nous entoure et que nous respirons est un malange constitué de différents types de molécules. Les 2 constituants principaux, le diazote (molécules N2) et le dioxygène (molécules O2), représentent ensemble 99% de l’air.

Constituants de l’air sec diazote dioxygène argon Dioxyde de carbone Divers autre gaz

Pourcentage en volume 78,1 20,9 0,9 0,03 0,01

Les autres substances présentes dans l’air sont essentiellement l’argon et le dioxyde de carbone (anciennement appelé « gaz carbonique », molécules CO2). L’air contient aussi de la vapeur d’eau en proportion variable suivant le lieu et le moment, la valeur moyenne étant d’environ 0,5%.

Une variation même minime, de la concentration de certains constituants peut être la cause de phénomènes à surveiller : le taux de dioxyde de carbone qui tend à accroître l’effet de serre. L’air que nous respirons contient une quantité variable d’eau et éventuellement divers polluants. L’air est dit « pollué » lorsqu’il se produit une augmentation trop importante de certains de ses constituants ou s’il y trouve des composants pouvant présenter des risques pour la santé ou l’environnement.

L’air est pesant

Comme toute matière constituée de molécules et d’atomes, l’air a une certaine masse. Sous la pression atmosphérique normale et à température ambiante, la masse de 1L d’air est environ 1,2g. Tout en étant, bien sûr, beaucoup moins dense qu’un liquide (1L d’eau liquide pèse 1kg). La masse volumique de l’air n’est toutefois pas négligeable : une salle de classe contient plusieurs centaines de kg d’air.

Les gens pensent généralement qu’un ballon pèse moins lourd quand il est gonflé que quand il est dégonflé, voir que sa masse n’a pas changé. En pesant successivement le même ballon très peu gonflé puis bien gonflé, on mettra en évidence un surcroît de 2 à 3g correspondant à la masse de l’air introduit dans le ballon.

La masse d’un litre d’air est comprise entre 1,2g et 1,3g.

Pour peser l’air il est nécessaire de l’enfermer dans un récipient, dans un ballon par exemple. Le choix du ballon est important : il faut veiller à ce que le volume soit le même entre une 1ère pesée, où le ballon est très gonflé, et une seconde pesée où le ballon a été en partie dégonflée. En effet, si le volume du ballon utilisé change entre les 2 pesées, il devient nécessaire de prendre en compte une autre force qui s’oppose au poids du ballon : la poussée d’archimède. Cette force égale au poids du volume d’air déplacé, change entre 2 pesées si le volume du ballon varie. L’écart entre ces 2 valeurs est du même ordre que le poids du volume d’air à mesurer : aucune conclusion n’est alors possible.

L’air peut changer d’état

Comme tous les corps matériels, l’air peut changer d’état physique suivant les conditions de température et de pression. Si, sous la pression atmosphérique normale, on le refroidit jusqu’à une température de l’ordre de -190°C, l’air devient un liquide transparent. Si on continue à le refroidir jusqu’à environ -220°C, l’air devient un solide ressemblant à de la glace.

Les grandeurs caractéristiques

4 grandeurs principales sont utilisées pour caractériser un gaz :

_la température T du gaz exprimée en kelvin (K)

_le volume V du gaz exprimé en m3

_la pression p

_la quantité du matière n exprimée en mole (mol) : 1 mole de gaz correspond à la quantité de matière de 6x10 puissance 23 molécules de ces gaz.

Compressibilité et expansibilité

L’air peut facilement changer de volume

Une certaine quantité d’air étant emprisonnée à l’intérieur d’une seringue, appuyons sur le piston : nous pouvons l’enfoncer assez facilement et donc faire diminuer le volume occupé par l’air. Ceci met en évidence la compressibilité de l’air. Le piston étant revenu à sa position initiale, tirons cette fois sur le piston : nous faisons augmenter le volume occupé par l’air. On constate ainsi le caractère expansible de l’air qui occupe tout le volume qui lui est offert.

Modélisation des phénomènes au niveau moléculaire

Les propriétés decouvertes au travers de cette expérience s’expliquent aisément en considérant le comportement des molécules. Comme dans tout gaz, celles-ci sont éloignées et se déplacent indépendamment les unes des autres. Elles vont aléotoirement dans tout les sens et « rebondissent » les unes contre les autres, ainsi que sur les parois de la seringue.

Comprimer l’air dans la seringue revient simplement à rapprocher un peu plus les molécules les nombres de molécules dans un volume donné, augmente.

Quand on tire le piston et qu’on offre plus de volume à l’intérieur de la seringue, les molécules d’air s’entrechoquent, et donc se repoussent mutuellement, « profitent » de cet espace supplémentaire pour s’écarter un peu plus les unes des autres : ceci explique que l’air soit expansible et occupe tout le volume qui lui est offert.

II) La pression d’un gaz

La notion de pression

La pression d’un gaz rend compte du fait que celui-ci pousse plus ou moins fort sur les parois de son contenant.

Si nous considérons un élément de surface de la paroi d’aire S, le gaz va exercer sur cette surface une force d’intensité F. Par définition, on appelle « pression » P du gaz le rapport F/S. La pression s’exprime donc sous la forme d’une force par unité d’aire : P=F/S

Dans le sytème international d’unités, la force F s’exprime en newtons (N), l’aire en m² et la pression en pascals (Pa) : 1Pa=1N/m². Le pascal correspond à une très faible pression, une force de 1 newton équivaut approximativement au poids d’un objet de 100g, à repartir sur une surface de 1 m² pour générer une pression de 1 Pa.

Les manomètres, instruments utilisés pour mesurer la pression (le gonflage des pneus), sont encore fréquemment gradués en bars.

A quoi est due la pression d’un gaz ?

L’origine de la pression qu’un gaz exerce sur les objets à son contact comme, par exemple, l’air sur les parois de la seringue dans l’expérience précédente, réside dans les innombrables chocs des molécules sur les parois.

Ce « bombardement » permanent de milliards de molécules « projectiles » sur chaque mm² de paroi crée globalement une poussée, donc une force qui s’exerce sur cet élément de surface.

On conçoit que la poussée, donc la pression, sera d’autant plus grande que les molécules frappant la paroi seront plus nombreuses en un temps donné.

C’est ce qui se pass, lorsqu’on enfonce le piston et que l’on augmente donc la « concentration » en molécules. La poussée, et donc aussi la pression, sera également plus grande si chaque molécules heurte la paroi plus violemment, donc si elle est plus rapide : ce sera le cas si la température du gez devient plus élevée.

La pression atmosphérique

L’atmosphère terrestre

L’atmosphère est la couche d’air qui entoure la Terre. Bien que cet air soit dans un espace ouvert, il reste néanmoins autour du globe grâce à la pesanteur terrestre. En effet, toutes les molécules constitutives de l’air sont, comme tout élément matériel, attirées par leurs poids vers la Terre. Rappelons que le poids d’un élément est la force attractive que la Terre exerce sur cet élément dans la direction verticale, c’est-à-dire vers son centre.

A cause de cette force les tirant vers le bas, toutes les molécules ont tendance se tasser à la surface de la Terre. Mais comme elles s’entrechoquent et se repoussent les unes les autres, elles se répartissent en fait sur une certaine épaisseur autour de la Terre.

La tendance au « tassement » vers le bas entraîne que la concentration en molécules, donc à la masse volumique de l’air, est maximale à la surface de la Terre et diminue progressivement avec l’altitude : dans un même volume (1L par exemple), il y a donc de moins en moins de molécules d’air au fur et à mesure que l’on s’élève en altitude.

A titre d’xemple, la moitié de l’air atmosphérique se trouve dans les 5 premiers kilomètres d’altitude et 99% de l’air sont contenus dans les 30 premiers kilomètres.

L’air se raréfie donc progressivement avec l’altitude, il est impossible de fixer une limite précise pour l’atmosphère. On considère généralement que celle-ci s’arrête là où commence l’espace, donc là où il est possible de faire tourner des satellites artificiels sans qu’ils soient sensiblement freinés par l’air : cette condition s’observe à partir d’environ 100 km d’altitude. Toutefois, on troive encore des molécules d’air résiduelles à plusieurs milliers de kilomètres de la Terre.

Les manifestations de la pression atmosphérique

Du fait de son tassement au niveau du sol, l’air atmosphérique exerce une certaine pression sur tous les objets avec lesquels il est en contact. C’est cette pression atmosphérique qui « écrase » par exemple, l’enveloppe des paquets de café sous vide, ou bien qui empêche de soulever facilement le couvercle des conserves également sous vide ;

Dans ce dernier exemple, l’air résiduel raréfié à l’intérieur du bocal n’exerce qu’une très faible pression sur le couvercle, donc le pousse faiblement vers le haut, alors que l’air extérieur exerce une forte pression et le pousse fortement vers le bas. La résultante de ces 2 forces plaque donc le couvercle contre le rebord du bocal et nous empêche de l’ouvrir. Pour ouvrir, il suffit de faire rentrer de l’air jusqu’à ce que la pression à l’intérieur soit égale à la pression atmosphérique. Le couvercle est alors poussé ainsi fortement vers le haut que vers le bas et il devient aisé d’ouvrir le bocal.

Mesure de la pression atmosphérique

La pression atmosphérique se mesure à l’aide d’un baromètre. Il en existe plusieurs sortes. Le plus ancien étant le baromètre à mercure dont l’invention est issue d’une expérience célèbre réalisée en 1643 par le physicien italien Evangelista Torricelli.

Le baromètre de Torricelli :

Il remplit totalement de mercure un tube de verre de plus d’un mètre de long. Il bouche son extrémité, retourne le tube sur une cuve contenant elle aussi du mercure, puis libère l’extrémité du tube. Il constate alors que le niveau du mercure descend dans le tube pour se stabiliser à une hauteur de 76cm au-dessus du niveau du mercure dans la cuve. Il comprend alors que le vide s’est crée au fond du tube au-dessus du mercure et que c’est l’air ambiant qui, en appuyant sur la surface du mercure dans la cuve, empêche le mercure du tube de descendre plus bas. Ainsi la pression atmosphérique équilibre la pression générée par la colonne de 76 cm de mercure. Il apparaît donc possible de mesurer la pression atmosphérique par une certaine hauteur de mercure, comme cela se fait dans un traditionnel baromètre à mercure.

Une expérience similaire à celle de Torricelli peut être réalisée en utilisant de l’eau à la place du mercure. Mais la colonne doit être de 10,3m, car l’eau est 13,6 fois moins dense que le mercure.

Exprimée dans des unités plus modernes, la pression atmosphérique « normale » vaut 1013 hectopascals, elle correspond à peu près à la pression obtenue par un objet de 1 kg appuyant sur une surface de 1 cm².

Variations de la pression atmosphérique

Pour un lieu donné, la pression atmosphérique fluctue au fil des jours autour d’une valeur moyenne « normale » en fonction des conditions météorologiques. Elle peut s’en écarter de quelques dizaines d’hectopascals. Les zones où la pression est inférieure à la moyenne sont appelées « dépressions », alors que celles où la pression est supérieure à la moyenne sont appelées « anticyclones ». Sur les cartes météorologiques, on fait apparaître les courbes d’égale pression appelées « isobares ».

La pression atmosphérique diminue avec l’altitude. En effet, comme la densité de l’air diminue rapidement lorsqu’on monte en altitude, la pression diminue pratiquement dans les mêmes proportions.

III) Le vent

Origine des vents

Le vent est un déplacement global d’une masse d’air.

Le mécanisme de la formation de vent est complexe et peut présenter divers cas de figure, mais il est essentiellement dû à l’action de soleil qui chauffr inégalement différentes zones à la surface de la Terre, ce qui engendre des mouvements d’air.

En simplifiant les phénomènes à l’extrême, on peut considérer que dans les zones les plus fortement chauffées, l’air se dilate et devient moins dense, ce qui conduit à une pression inférieure à la moyenne. Au contraire, dans les zones les plus froides, l’air est plus contracté et dense, ce qui engendre une pression supérieure à la moyenne. Les vents ont tendance à compenser ces différences de pression en déplaçant des masses d’air.

A une grande échelle à la surface de la Terre, on observe un déplacement global des masses d‘air des zones de haute pression vers les zones de basse pression, mais ce déplacement ne se fait pas toujours en ligne droite (à cause de la rotation de la Terre, sous l’action d’une force d’inertie dite de « Coriolis »).

A l’échelle locale, la direction du vent dépend aussi beaucoup du relief. De nombreux vents régionaux ont pour origine les mouvements ascendants et descendants des masses d’air. En effet, lorsque l’air est plus fortement chauffée dans une certaine zone, il se dilate, devient donc moins dense que l’air plus frais environnant et a alors tendance à s’élever. Ce mouvement ascendant engendre un déplacement convectif de l’air environnant vers cette zone.

Repérer la direction du vent

La girouette est l’instrument permettant de repérer précisément la direction du vent. Elle est constituée d’une flèche pouvant pivoter autour d’un axe vertical et d’un support portant les indications des directions des points cardinaux.

La flèche est formée d’une plaque verticale de forme variable, mais forcément dissymétrique par rapport à l’axe. En effet, elle doit présenter une surface verticale plus grande d’un côté et offrant une bonne « prise au vent » afin que ce dernier repousse cette partie et maintienne ainsi la flèche dans la direction du vent. On peut alors repérer cette direction par rapport aux points cardinaux.

Si l’on note jour après jour sur une assez longue période la direction du vent, on peut représenter le résultat de ces observations sous la forme d’une « rose des vents ». Dans cette représentation, la longueur de chaque flèche est proportionnelle à la fréquence du vent dans la direction correspondante. La flèche indique donc la direction des vents dominants.

Evaluer la force du vent

Les effets produits par le vent sur les objets et la nature sont d’autant plus perceptibles et importants que la « force » du vent est grande, c’est-à-dire que la vitesse de déplacement de l’air est élevée. L’énergie déployée par le vent augmente très vite avec sa vitesse car elle est globalement proportionnelle au carré de cette vitesse. Pour apprécier visuellement la « force » du vent, on peut utiliser l’indication très approximative donnée par une manche à air plus ou moins dressée, ou bien utiliser divers indices visuels tels que ceux qui ont été recensés par l’amiral Beaufort en 1806 pour constituer une échelle qualitative de cette force. Cette échelle, dite de « beaufort », comporte 12 niveaux de « force » du vent, correspondant approximativement à des tranches successives de vitesse.