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Malgré le fait que tous les corps qui entrent en contact exercent une pression les uns sur les autres, la pression est une grandeur physique que l’on a tendance à associer beaucoup plus fréquemment aux gaz qu’aux corps solides.
En physique, la pression est définie comme une force par unité de surface et est donnée par le rapport F/A. Cela signifie que, pour modifier la pression, il suffit de modifier soit la force, soit la zone sur laquelle la force est appliquée. Par exemple, si nous voulions augmenter la pression que nous exerçons sur, disons, la surface d’une table, nous pourrions augmenter la force (par exemple, en ajoutant plus de poids ou en appuyant davantage sur la table), nous pourrions diminuer la zone sur laquelle nous appliquons la force (par exemple en appliquant la force avec le bout d’un ongle au lieu de la main), ou les deux choses en même temps.
Cependant, comment peut-on augmenter la pression exercée par un gaz ? De plus, comment se fait-il que les gaz, étant si éthérés et informes, puissent exercer une pression sur les parois des récipients qui les contiennent ? Comprendre ces aspects de l’une des propriétés les plus importantes des gaz est extrêmement important, car cela nous permet de comprendre de nombreux phénomènes que nous pouvons observer au quotidien, du gonflage des pneus d’automobile à l’explosion d’un bidon scellé lorsqu’il est chauffé. beaucoup, ou même le comportement du temps.
Pour cette raison, dans cet article, nous explorerons certains aspects fondamentaux de la pression des gaz, ainsi que les trois manières différentes d’augmenter la pression d’un gaz.
Comment les gaz exercent-ils une pression ?
Quiconque a déjà assisté à une procession ou à un événement sportif, comme un match de football où un drapeau géant a été déployé sur une foule de personnes, comprendra immédiatement comment les gaz exercent une pression.
Les gaz sont des substances composées de particules individuelles qui se déplacent de manière indépendante et aléatoire dans toutes les directions. Lorsque le gaz est contenu dans un récipient fermé, ces particules entrent inévitablement fréquemment en collision avec les parois du récipient. Chaque collision d’une particule de gaz contre les parois du conteneur est comme une main poussant le drapeau par le bas.
Le fait est qu’en raison du nombre immense de particules qui peuvent se trouver dans n’importe quel échantillon de gaz, ces collisions se produisent à une fréquence très élevée, générant une force presque constante qui pousse la surface du récipient. Cela s’apparente aux multiples poussées données au drapeau par le bas par les spectateurs, qui ne le laissent pas tomber, mais le maintiennent plutôt dans un état de tension presque constant, comme s’il était gonflé par le bas.
Facteurs affectant la pression d’un gaz et la loi des gaz parfaits
Les gaz sont les systèmes les plus simples que la chimie étudie. En fait, un gaz au comportement idéal n’est entièrement caractérisé que par une poignée de variables qui sont le nombre de moles (n), le volume (V), la température (T) et, bien sûr, la pression ( Q). Ces quatre variables (appelées fonctions d’état) définissent l’état d’un échantillon de n’importe quel gaz, ce qui signifie que si nous les connaissons, nous connaissons tous le gaz et pouvons prédire son comportement dans différentes situations.
Bien qu’ils soient quatre, en réalité nous n’avons besoin d’en connaître que 3, puisque nous pouvons trouver le quatrième au moyen de l’équation d’état des gaz parfaits, également connue sous le nom de loi des gaz parfaits, qui est donnée par :
Cela signifie que la pression d’un gaz est déterminée par les valeurs des trois autres variables, c’est-à-dire le nombre de moles, la température et le volume, et cette relation peut être obtenue en isolant P de la loi des gaz parfaits, comme indiqué montre ci-dessous:
Comment augmenter la pression d’un gaz
Comme on peut le voir dans l’équation ci-dessus, la pression est directement proportionnelle au nombre de moles et à la température, mais inversement proportionnelle au volume. Cela signifie qu’il existe trois façons différentes d’augmenter la pression, et ce sont :
Augmenter le nombre de moles de gaz
Le fait que la pression soit directement proportionnelle au nombre de moles signifie que plus le nombre de moles est élevé, plus la pression est élevée. Cela implique qu’une façon d’augmenter la pression consiste à injecter une plus grande quantité de gaz dans le récipient qui le contient. Par exemple, lorsque nous gonflons le pneu ou le caoutchouc d’une voiture, d’une moto ou d’un vélo, ou lorsque nous gonflons un ballon de basket.
Ce que fait la pompe, c’est introduire plus de particules de gaz dans le récipient. Mais pourquoi cela augmente-t-il la pression ? Pour mieux le comprendre, il faut se rappeler comment les gaz exercent une pression. La pression du gaz est la conséquence des multiples collisions entre les particules de gaz et les parois du récipient. Si nous introduisons plus de particules de gaz, la fréquence avec laquelle ces particules entrent en collision avec la surface augmentera, et donc la pression augmentera.
augmenter la température
La pression est également proportionnelle à la température. Par conséquent, à mesure que la température augmente, la pression augmente également. Une situation quotidienne dans laquelle nous pouvons voir ce phénomène en action est lorsque nous surchauffons une boîte scellée et qu’elle éclate en raison de l’augmentation de la pression à l’intérieur.
Pour comprendre pourquoi la température affecte la pression, nous devons considérer ce qu’est la température elle-même. La température est une mesure de l’énergie cinétique moyenne des particules qui composent une substance. Par conséquent, changer la température implique de changer l’énergie cinétique des particules. Puisqu’ils ne peuvent pas changer leur masse, ils changeront nécessairement la vitesse à laquelle ils se déplacent.
Lorsque les particules de gaz se déplacent plus rapidement, deux choses se produisent :
- D’une part, la fréquence avec laquelle les particules entrent en collision avec les parois augmente, puisque chaque particule met moins de temps à se déplacer d’une paroi à l’autre. Cela a le même effet qu’avant d’augmenter le nombre de particules.
- De plus, en se déplaçant plus rapidement, chaque particule transfère une plus grande quantité d’énergie cinétique au mur lors de la collision, ce qui est une autre façon de dire qu’elle frappe plus fort. Comme plus de force implique plus de pression, alors cette dernière augmente.
En résumé, l’augmentation de la température augmente la pression car elle provoque une augmentation du nombre de collisions et aussi de la force de chaque collision.
réduire le volume
Contrairement à la température et au nombre de moles, la relation entre la pression et le volume est inverse. Cela signifie que plus le volume est faible, plus la pression est élevée. Par conséquent, la dernière façon d’augmenter la pression est de diminuer le volume.
Ici encore l’effet a deux causes. La première est que, à mesure que le volume diminue, le chemin que chaque particule doit emprunter pour passer d’une paroi du conteneur à l’autre diminue, de sorte que la fréquence nette des collisions augmente. De plus, la réduction de volume s’accompagne généralement d’une réduction de la surface exposée au gaz. En se souvenant de la définition originale de la pression, à mesure que la surface diminue, la pression augmente.
Les références
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Chang, R., Manzo, Á. R., Lopez, PS et Herranz, ZR (2020). Chimie (10e éd.). New York, NY : MCGRAW-HILL.
Fondation CK-12. (2020, 18 mai). Facteurs affectant la pression du gaz. Extrait de https://www.ck12.org/chemistry/factors-affecting-gas-pressure/lesson/Factors-Affecting-Gas-Pressure-CHEM/
Fleurs, P. (2018, 19 octobre). Relier la pression, le volume, la quantité et la température : la loi des gaz parfaits – Chimie : les atomes d’abord 2e. Extrait de https://opentextbc.ca/chemistryatomfirst2eopenstax/chapter/relating-pressure-volume-amount-and-temperature-the-ideal-gas-law/
Socratique. (2014, 26 mai). Qu’est-ce qui cause la pression de gaz? Extrait de https://socratic.org/questions/what-causes-gas-pressure
