Propriétés des gaz - Cours de Mécanique des fluides avec Maxicours

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Propriétés des gaz

La définition d'une propriété se lit comme suit : "Ce qui est le propre de quelque chose, ses qualités particulières."

Cette définition peut s'appliquer à tous les phénomènes physiques, qu'ils soient mécaniques, chimiques ou encore électriques.

Les gaz aussi possèdent des propriétés qui leur sont propres, et c'est ce que vous aurez l'occasion de découvrir au cours de cette étude.

1. Compressibilité

Vous pouvez facilement réduire le volume d'un gaz en le comprimant. En guise d'exemple, prenez une pompe à piston, bouchez l'orifice de sortie et appuyez ensuite sur la tige de la pompe ; vous constaterez que le piston descend. C'est donc que l'air se comprime (figure suivante).

Selon la force  que vous exercez sur la tige, l'air est plus ou moins comprimé (volumes V et V1) et la résistance, de plus en plus grande.

Pompe à piston :

 

2. Expansibilité

Pourquoi, lorsque l'on ouvre la valve d'un réservoir d'air comprimé, entend-on un sifflement ?

Comme les gaz ont la propriété d'occuper tout l'espace dans un volume donné, lorsqu'on ouvre la valve d'un réservoir pressurisé, l'air emprisonné sort au plus vite à cause du déséquilibre de pression entre l'intérieur et l'extérieur du réservoir (pression atmosphérique).

L'air a ainsi la propriété d'occuper tout l'espace offert. Par exemple, si vous relâchez brusquement la tige de la pompe à piston de la figure 1.1 après avoir comprimé l'air, vous remarquerez qu'elle sort du cylindre pour reprendre sa position initiale.

Pompe à piston :

Les ballons d'essai deviennent de plus en plus gros à mesure qu'ils montent dans l'espace pour les mêmes raisons qui font que l'air emprisonné dans le réservoir s'en échappe rapidement.

Ainsi, d'une part, le gaz à l'intérieur du ballon pousse sur les parois, et d'autre part, plus le ballon monte et plus l'air présent dans l'atmosphère se raréfie, donc plus le ballon grossit à cause de la différence entre la pression à l'intérieur et celle à l'extérieur du ballon.

3. Élasticité

Les gaz sont compressibles et expansibles, c'est-à-dire qu'ils ont la caractéristique d'être élastiques. En effet, les gaz reprennent exactement leur volume primitif lorsqu'ils retrouvent les mêmes conditions que celles présentes avant leur compression ou leur détente.

Lorsque l'air aspiré par un compresseur est comprimé et emmagasiné dans un réservoir étanche et qu'il est ensuite libéré, il cherchera à occuper le même volume que celui qu'il avait avant son aspiration.

4. Pesanteur

L'air exerce une pression sur tout ce qu'elle environne mais nous ne la sentons pas. Dans l'atmosphère les couches d'air supérieures, qui reposent sur les couches inférieures, les compriment à cause de leur poids.

Pour démontrer que l'air a une masse, l'on réalise la manipulation suivante. Un réservoir pour air comprimé est placé sur une balance, l'affichage enregistré correspond au tarage. Par l'intermédiaire d'un compresseur l'on comprime de l'air dans le réservoir jusqu'à atteindre la pression permise. La masse du réservoir a augmenté, lecture sur la balance de la nouvelle valeur.

De même, l'air dans l'atmosphère crée la pression atmosphérique. Pour le prouver, il s'agit de mesurer la pression avec un baromètre au niveau de la mer et de se déplacer ensuite sur une montagne élevée ; la pression barométrique diminuera.

L'air sec, à une pression atmosphérique normale et à une température de 0°C, a une masse de 1,293 gramme par litre (9). Sachant qu'un mètre cube contient 1 000 litres, dans les mêmes conditions, la masse d'un mètre cube d'air sec est de 1,293 kg (masse volumique,  = 1,293 kg/m3).

En résumé sur les propriétés des gaz :

L'air que l'on respire est un gaz. Ce même air, introduit dans un vase fermé, en adopte exactement le volume et la forme.

Les gaz sont compressibles. Ainsi, si on les emprisonne dans un cylindre, on peut en diminuer le volume.

- Si on libère un volume donné d'air dans l'espace, il aura tendance à occuper tout l'espace qu'on lui offre.

- L'air qui est libéré après avoir été comprimé tend à reprendre exactement le volume qu'il occupait avant. Donc, l'air est élastique.

La pression atmosphérique est le plus bel exemple de la pesanteur de l'air. Dans l'atmosphère, ce sont les couches successives d'air qui créent son poids à la surface de la Terre.

Vous connaissez maintenant les propriétés des gaz. Une étude traite des lois sur les gaz.

Glossaire :

Air :
Mélange gazeux qui constitue l’atmosphère terrestre.

L’air atmosphérique contient 78 % d’azote, 21 % d’oxygène, 0,9 % d’argon et 0,03 % d’anhydride carbonique, ainsi que quelques rares (néon, hélium, krypton, hydrogène et xénon). La masse de l’air est 1,293 g/dm3 (air sec à 0° C).

Azote :
Gaz incolore et inodore, peu réactif et peu soluble dans l’eau. Il bout à -196°C et se solidifie à –210°C.

Baromètre :
Appareil servant à mesurer la pression atmosphérique.

Compressibilité :
Aptitude d’un corps gazeux, liquide ou solide à diminuer de volume sous l’action d’une pression.


Elasticité :
Propriété que possède des corps gazeux, liquide ou solide à reprendre leur forme après avoir été déformés.

Expansibilité :
Tendance d’un corps gazeux, liquide ou solide à occuper un plus grand espace.


Oxygène :
Gaz incolore, insipide et inodore, peu réactif et peu soluble dans l’eau. Il bout à –182,96°C et se solidifie à –218,4°C.


Pesanteur :
Force qui tend à entraîner un corps vers le centre de la terre. L’intensité de l’accélération de la pesanteur vaut 9,81 ms-2 à Paris.

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