Chaque jour, sans y prêter attention, nous expérimentons les lois de la thermodynamique des gaz. Lorsque vous gonflez un pneu de vélo ou que la soupape d’une cocotte-minute libère un jet de vapeur, le comportement du gaz obéit à une même relation fondamentale : l’équation des gaz parfaits. Cette loi, établie progressivement par plusieurs physiciens, relie de manière simple trois grandeurs physiques essentielles : la pression, le volume occupé par le gaz et la température absolue.
Un gaz parfait est un modèle théorique idéalisé dans lequel les molécules sont assimilées à des points matériels sans volume propre ni interactions, en dehors de collisions parfaitement élastiques. Leur mouvement aléatoire et leur agitation thermique relient directement pression, volume et température, conduisant à une relation d’état simple et universelle : \(PV = nRT\).
Ce modèle est dit "parfait" car il décrit avec une bonne approximation le comportement des gaz à faible pression et à haute température, lorsque les interactions réelles deviennent négligeables.
Tous les gaz physiques sont des gaz réels, et le gaz parfait n’existe pas en tant que substance. Il n’existe que comme modèle théorique. Mais ce modèle n’est pas une fiction arbitraire : c’est une approximation limite physiquement bien définie.
Tous les gaz existants s’écartent du modèle parfait, car leurs molécules possèdent un volume propre et exercent entre elles des interactions. À haute pression, le volume occupé par les molécules n’est plus négligeable : le gaz devient moins compressible que prévu par le modèle parfait. À basse température, les forces d’attraction intermoléculaires réduisent la pression exercée sur les parois.
La loi ou l'équation des gaz parfaits est l'une des plus fondamentales en thermodynamique. Elle relie quatre variables importantes pour décrire un gaz : la pression (\(P\)), le volume (\(V\)), la température (\(T\)) et la quantité de gaz (\(n\)).
N.B. :
La température doit toujours être exprimée en kelvins dans l'équation. Utiliser des degrés Celsius produit systématiquement un résultat faux.
L'équation des gaz parfaits est une approximation valable à température et pression modérées, où les gaz réels se comportent presque comme des gaz parfaits. L'équation nous dit que, pour une quantité donnée de gaz (\(n\)) et une température constante (\(T\)), la pression et le volume sont inversément liés. Cela signifie que si vous augmentez le volume, la pression diminue, et vice versa, à condition que la température et la quantité de gaz restent constantes.
Lorsque vous utilisez une pompe à vélo, la pression du gaz à l'intérieur de la pompe augmente à mesure que vous compressez l'air. L'effet thermique observé, à savoir que la pompe chauffe, est une conséquence directe de la loi des gaz parfaits (\( PV = nRT \)).
Lorsque vous actionnez la pompe, vous exercez une force pour réduire le volume du gaz à l'intérieur de la pompe. Selon l'équation des gaz parfaits, si le volume (V) diminue tout en maintenant une quantité constante de gaz (n) et un nombre de moles constant, la pression (P) doit augmenter. Lorsqu'on compresse un gaz, il libère de l'énergie sous forme de chaleur.
Le phénomène où la porte du réfrigérateur devient difficile à ouvrir après l'avoir laissée ouverte un moment, surtout en été, peut être expliqué par la loi des gaz parfaits (\( PV = nRT \)).
Quand vous laissez la porte du réfrigérateur ouverte pendant un certain temps, l'air à l'intérieur du réfrigérateur se mélange avec l'air chaud ambiant. Ce mélange d'air chaud fait augmenter la température à l'intérieur du réfrigérateur. Quand vous fermez la porte, le gaz à l'intérieur du réfrigérateur commence à se refroidir à nouveau et sa pression diminue. Par conséquent, l'air extérieur exerce une pression plus importante sur la porte fermée, ce qui rend l'ouverture de la porte plus difficile.
Lorsque vous retournez un pot de confiture chaud après l'avoir fermé, l'air à l'intérieur du pot subit un refroidissement rapide. En refroidissant, l'air à l'intérieur du pot se contracte.
Selon la loi des gaz parfaits (\( PV = nRT \)), si la température diminue à volume constant, la pression à l'intérieur du pot diminue également. Cela se produit car le gaz perd de l'énergie cinétique et les molécules d'air occupent moins d'espace. Cette réduction de la température et de la pression crée une sous-pression à l'intérieur du pot par rapport à la pression atmosphérique extérieure.
En raison de cette sous-pression à l'intérieur du pot, on peut entendre un léger « pop » lorsque le pot est retourné et que le couvercle se déforme légèrement vers l'intérieur. Cela se produit parce que la pression extérieure est plus grande que la pression à l'intérieur du pot. Ce phénomène n'est pas un vide parfait, mais une très faible pression qui permet de créer une isolation hermétique.
L'équation des gaz parfaits (\( PV = nRT \)) montre que la pression est directement liée à la température et au volume dans un gaz. Dans le cas de l'ébullition de l'eau, la vapeur d'eau s'échappe à partir de la surface de l'eau. Lorsque la pression de la vapeur d'eau égale la pression atmosphérique, le point d'ébullition est atteint et l'évaporation maintient cette température d'ébullition.
En altitude, la pression atmosphérique diminue par rapport à celle au niveau de la mer. Cela affecte le point d'ébullition de l'eau, qui est intimement lié à la pression ambiante. À haute altitude, la pression atmosphérique étant plus faible, l'eau bout à une température plus basse. Par exemple, à 2000 mètres d'altitude, l'eau bout à environ 93°C, et à 4000 mètres, à 86°C.
La cuisson des pâtes dépend de la température à laquelle l'eau reste pendant l'ébullition. Comme l'eau bout à une température plus basse en altitude, la température à laquelle les pâtes sont cuites est également plus basse. Puisque l'eau ne peut pas atteindre les températures plus élevées que l'on retrouve au niveau de la mer (100°C), la cuisson des pâtes en altitude sera plus lente.
Le fonctionnement de la cocotte-minute illustre parfaitement l'application de la loi des gaz parfaits (\( PV = nRT \)).
Une cocotte-minute fonctionne en augmentant la pression à l'intérieur de la marmite. À mesure que l'eau chauffe, sa température augmente et la vapeur d'eau génère une pression de plus en plus importante à l'intérieur de la cocotte-minute. Lorsque la pression augmente (le volume restant constant puisque le couvercle est fermé), la température d'ébullition de l'eau augmente également. Autrement dit, dans la cocotte-minute, l'eau peut atteindre une température plus élevée que 100°C avant de commencer à bouillir. Par exemple, à une pression d'environ 2 bars (soit le double de la pression atmosphérique), l'eau bout à environ 120°C.
Dans la loi des gaz parfaits (\( PV = nRT \)), les trois variables \(P\), \(V\) et \(T\) sont solidaires : toucher l'une modifie nécessairement au moins une autre. On ne peut pas augmenter la pression dans un volume fixe sans que la température monte. À l'inverse, on ne peut pas réduire le volume à température constante sans que la pression augmente. De même, on ne peut pas refroidir un gaz enfermé sans que la pression chute.
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