La théorie cinétique des gaz

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Renseignez-vous sur la théorie cinétique des gaz ainsi que sur les unités et les outils utilisés pour mesurer les gaz.

La théorie cinétique des gaz 

Les gaz se comportent suivant ce qu’on appelle des « lois des gaz ». En sciences, la notion de loi n’est pas la même qu’on a l’habitude d’entendre dans d’autres domaines. Les lois scientifiques ne fournissent pas d’explications; elles ne font que décrire un comportement. Pour donner une explication et les causes des comportements, nous avons besoin de théories. Celle qui explique comment les gaz se comportent est appelée la théorie cinétique des gaz.

Cette théorie nous aide à comprendre le comportement des gaz. Elle se fonde sur quatre suppositions (propositions considérées comme étant vraies).

  1. Les particules (atomes ou molécules) se déplacent toujours en ligne droite jusqu’à ce qu’elles entrent en collision avec d’autres particules ou avec les parois de leur contenant.
  2. Il n’y a aucune perte d’énergie quand des particules subissent de telles collisions. C’est le phénomène qu’on nomme « collision élastique » dans le domaine moléculaire. Dans le monde qui nous entoure, les collisions sont qualifiées d’inélastiques, puisqu’elles entraînent toujours des pertes d’énergie dues à la friction.
  3. Le volume des particules elles-mêmes est si petit par rapport à celui de l’espace qu’elles occupent qu’on le considère comme étant négligeable (on peut ne pas en tenir compte).
  4. Il n’y a pas de forces d’attraction entre les particules (parce qu’elles sont très éloignées les unes des autres).

Mais qu’explique donc cette théorie? Elle éclaircit d’abord la notion de pression. Il s’agit de la force exercée par les nombreuses molécules qui entrent en collision avec les parois de leur contenant. On peut voir ci-dessous les endroits où des molécules poussent vers l’extérieur (flèches rouges).

La pression à l’intérieur d’un contenant
La pression à l’intérieur d’un contenant (Source: Becarlson [CC BY-SA] via Wikimedia Commons).

Si la pression est plus forte que ce que les parois sont capables de supporter, une explosion (rapide expansion de gaz) se produira. Vous pourriez avoir été témoin d’un tel phénomène en ouvrant une canette de boisson gazeuse après l’avoir secouée ou en voyant quelqu’un déboucher une bouteille de champagne.

La libération de pression d’une bouteille de champagne
La libération de pression d’une bouteille de champagne (Source: Niels Noordhoek [CC BY-SA] via Wikimedia Commons).

Toute l’énergie des gaz est cinétique (énergie qui vient du mouvement). Comme on l’a vu plus haut, selon la théorie cinétique des gaz, les molécules ne perdent aucune énergie quand elles entrent en collision; leur énergie cinétique moyenne reste donc constante. Toute variation de cette énergie est accompagnée d’un changement de température (et vice versa — quand la température change, l’énergie cinétique change aussi).

Les unités de mesure des gaz

Avant d’explorer un peu plus le comportement des gaz, nous devons apprendre comment en mesurer les propriétés physiques.

Le volume

Le volume est la quantité d’espace qu’occupe un gaz. On le mesure en unités de capacité, dont les plus communes sont le millilitre (mL) et le litre (L). Les très petits volumes peuvent aussi être mesurés en microlitres (μL), et les plus gros, en kilolitres (kL).

La température

Nous connaissons bien l’échelle Celsius, qui doit son nom à un astronome et physicien suédois nommé Anders Celsius. Nous l’utilisons tous les jours pour savoir s’il fait chaud ou froid dehors, si l’eau de la piscine est bonne et si nous avons de la fièvre. L’échelle Celsius du système métrique et l’échelle Fahrenheit du système impérial sont basées sur la température de l’eau.

Au départ, les gens voulaient savoir quand l’eau changeait d’état (quels étaient ses points de congélation et d’ébullition). Or, si ces échelles conviennent parfaitement aux liquides et aux solides, elles ne sont pas idéales pour décrire le comportement des gaz.

Échelles Celsius, Fahrenheit et Kelvin
Échelles Celsius, Fahrenheit et Kelvin (Parlons sciences en utilisant une image de ttsz via iStockphoto).

Pourquoi? Rappelez-vous ce que nous avons écrit plus haut : l’énergie cinétique est liée à la température. À 0 °C, l’énergie cinétique des substances n’est pas nulle, comme on le verra ci-dessous.

Pour les gaz, il faut donc trouver une échelle de température où le zéro correspond à une absence totale de mouvement des particules (zéro énergie cinétique).

Heureusement, une échelle a été créée spécialement pour ça. On l’appelle l’échelle de température absolue, ou « l’échelle Kelvin », du nom de son créateur anglais, Lord Kelvin. Comme on peut le voir à la figure 7, sur cette échelle, le zéro absolu (0 K, sans symbole de degré) est la température la plus basse. Le point de congélation de l’eau équivaut ainsi à 0 °C ou à 273,15 K.

Pour convertir des degrés Celsius en Kelvin, il suffit d’y ajouter 273,15 (ex. : 3 °C équivaudraient à 3 + 273,15 = 276,15 K).

Le savais-tu?

Au Canada, on a commencé à employer le système métrique dans la vie de tous les jours durant les années 1970. Il s’agit maintenant du système le plus utilisé partout dans le monde dans les domaines scientifiques.

La pression

Comme nous l’avons vu plus haut dans la section sur la théorie cinétique des gaz, la pression est causée par la collision des molécules contre les parois du contenant où elles se trouvent. Ces collisions peuvent être vues comme une force exercée sur une portion du mur (aire). On peut exprimer ce phénomène par l’équation suivante.

P = F/A

Dans cette équation, « P » représente la pression, « F », la force, et « A », l’aire. La force se mesure en unités appelées newtons (N) et l’aire, en mètres carrés (m2). L’unité de mesure de la pression sera donc le N/m2, ou ce qu’on appelle le pascal (Pa) du nom d’un philosophe et scientifique français du dix-septième siècle nommé Blaise Pascal. Dans le système impérial, on parle plutôt de livres par pouce carré (lb/po2, ou psi). Cette unité est encore employée dans les manomètres qui mesurent la pression d’air dans les pneus d’automobiles.

L’unité la plus couramment utilisée pour mesurer la pression dans le domaine des sciences est le kilopascal (kPa), qui correspond à 1 000 Pa. On utilise également le bar, qui équivaut à 100 kPa.

Pour mesurer la pression de l’air ambiant (pression atmosphérique), on peut utiliser un baromètre. Un des premiers exemples pratiques de cet instrument — un modèle qu’on utilise encore aujourd’hui — est constitué d’un tube vertical partiellement rempli de mercure qui repose sur un contenant plein de mercure (voir la figure 8). Le tube est sous vide et fermé sur le dessus. Les molécules d’air dans l’atmosphère poussent donc sur le mercure du contenant et le forcent à monter dans le tube. Le mercure continue son ascension jusqu’à ce que la pression interne corresponde exactement à celle de l’atmosphère.

Un baromètre à mercure
Un baromètre à mercure (©2020 Parlons sciences).

La hauteur (en mm) atteinte par le mercure dans le tube (au-dessus du niveau du mercure dans le contenant) équivaut à la pression exercée sur le mercure du contenant par l’air ambiant. L’unité utilisée pour mesurer cette pression est le mm Hg (millimètre de mercure) ou le Torr (1 Torr = 1 mm Hg). Dans les baromètres plus modernes, le mercure est plutôt gardé dans un puits fermé au bas de l’instrument; sa hauteur est mesurée sur une échelle millimétrique précise en haut de l’instrument.

Un baromètre moderne
Un baromètre moderne (Peter Bloch, utilisé avec permission).

 

En guise de référence, on utilise la pression atmosphérique au niveau de la mer. À ce niveau, la colonne de mercure des baromètres atteint 760 mm Hg, ce qui équivaut à 14,696 lb/po2 ou à 101,325 kPa. La pression au niveau de la mer correspond également à une atmosphère normale (atm).

Récemment, l’atm a été remplacée par le bar, qui équivaut à 100 kPa (un beau chiffre rond qui facilite les calculs!). Notez que si vous fabriquiez un baromètre utilisant de l’eau au lieu du mercure, vous auriez besoin d’un tube de plus de 10 m pour mesurer la pression atmosphérique!

Pour mesurer la pression d’un gaz à l’intérieur d’un contenant, on se sert d’un autre instrument appelé manomètre. Les manomètres employés pour mesurer la pression d’air dans les pneus de vélos ou d’automobiles fonctionnent un peu comme les baromètres à mercure, sauf qu’au lieu de pousser un liquide dans un tube, l’air déplace un piston relié à un ressort qui se trouve à l’intérieur du tube.

Comme pour le mercure, c’est la distance que parcourt le piston qui indique la pression à l’intérieur du pneu. Une tige graduée (une règle, essentiellement) montre la va­­­leur en lb/po2.

L’intérieur d’un manomètre
L’intérieur d’un manomètre (©2020 Parlons sciences).

 

Références

Nye, B. (1991). Bill Nye - Atmospheric pressure. GeorgeBuford.

Nye, B. (n.d.). Bill Nye - Playing with bubbles. GeorgeBuford.

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