Évaporation

Si tu ouvres une bouteille de parfum sur un comptoir, crois-tu que tu pourras sentir le parfum au bout de quelques minutes dans la pièce? Certains liquides sont très volatiles, c’est-à-dire qu’ils réussissent à s’évaporer très facilement, alors que d’autres liquides le sont moins.  On explique cette différence dans le taux d’évaporation des liquides par la présence de forces d’attraction plus ou moins grandes entre leurs molécules.  Les molécules polaires, telles les molécules d’eau, ont une grande attraction mutuelle.  Elles quittent le liquide moins facilement pour s’évaporer dans l’air ambiant.   Les petites molécules non polaires, telles les molécules d’essence, ont une attraction mutuelle faible ce qui permet aux molécules en surface de quitter facilement le liquide.

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Les gaz

Pour expliquer les propriétés des trois états de la matière on se réfère à un modèle scientifique qu’on nomme la théorie particulaire de la matière. Cette théorie se résume comme suit.

1. Toute matière est composée de petites particules (atomes ou molécules).
2. Chaque substance pure a son propre type de particules, lesquelles se distinguent des particules des autres substances pures.
3. Ces particules bougent continuellement, donc elles sont toujours en mouvement.
4. Les collisions entre ces particules sont parfaitement élastiques, ce qui signifie qu’il n’y a aucune variation dans l’énergie cinétique totale de deux particules qui se frappent.

Dans un solide, les particules sont très rapprochées et elle n’ont pas assez d’énergie pour se déplacer. Elles vont vibrer légèrement sur place. Des forces d’attraction maintiennent les particules ensemble dans le solide.

Dans un liquide, les particules n’ont pas assez d’énergie pour contrebalancer les forces d’attraction mais elle peuvent toutefois « rouler » les unes sur les autres et se déplacer de façon limitée.

Il en est tout autre pour les gaz. Les particules ont assez d’énergie pour vaincre les forces d’attraction entre elles. Les particules se déplacent librement dans tout l’espace accessible.

Les particules, lorsqu’elles se rencontrent, vont se frapper et rebondir sans perte d’énergie.

Propriétés des gaz

Volume et forme

Parce que les particules d’un gaz sont libres de se mouvoir dans toutes les directions, il est facile de concevoir qu’un gaz n’a pas de volume défini ni de forme définie, contrairement aux solides qui ont une forme et un volume définis et aux liquides qui ont seulement un volume défini.

Diffusion

Si tu ouvres un flacon de parfum, après quelques minutes, peux-tu sentir l’odeur du parfum dans toute la pièce?

Des molécules de parfum se sont évaporées de la bouteille et étant donné qu'elles bougent dans toutes les directions, elles finissent par arriver à tes narines même si la bouteille est au fond de la pièce.

Expansion

Si tu ouvres un réservoir de gaz dans une salle de classe, que va-t-il se produire?

Le gaz se diffuse jusqu’au moment où il rencontre un obstacle. En général, ce sont les parois du contenant renfermant le gaz qui constituent cet obstacle. La tendance du gaz à occuper le plus grand volume possible s'appelle l’expansion. L’expansion est rendue possible par la capacité de diffusion des particules de gaz. Si tu ouvres une fenêtre dans la salle de classe, le gaz va se répandre dans l’environnement.

La pression

Avant d’étudier la pression exercée par les gaz, donnons-nous une bonne compréhension des mots suivants : « masse », « force », « poids » et « pression ».

Force

Si tu pousses sur un mur, tu appliques une force. Cette force est mesurée en newtons (N). Une force de 1 N correspond à la force nécessaire pour soulever un contenant dont la masse est d’environ 100 g. Il te faut donc 10 N pour soulever un contenant d’environ 1 kg. On illustre une force par une flèche (vecteur) parce la force est une quantité qui a une orientation. Si je tire sur une boîte de 5 kg avec une force de 100 N, je peux l’illustrer comme suit :

Lorsque j’applique une force sur un objet, par exemple, si je pousse une boîte, cette force est appliquée sur une partie de la surface de la boîte.

Différence entre la masse et le poids

La masse est la mesure de la quantité de matière qui se trouve dans un objet alors que le poids représente la force d’attraction gravitationnelle entre l’objet et la Terre. On trouve le poids en multipliant la masse par l’accélération gravitationnelle.

Au niveau de la mer, l’accélération due à la gravité possède une valeur de 9,8 m/s ². Dans l’exemple ci-dessous, la masse de la boîte est de 4 kg mais son poids (force de gravité) est de 4 kg X 9,8 m/s ² , ce qui correspond au poids de 39,2 N.

Sur la lune ou sur une autre planète, la même boîte possède toujours une masse de 4 kg puisqu’on a toujours la même quantité de matière. Mais le poids va changer parce la force gravitationnelle n’est pas la même. À titre d’exemple, sur la lune, la force gravitationnelle vaut 1/6 de la force gravitationnelle de la terre. Par conséquent, le poids de la boîte est de 6,64 N. L’objet sera donc plus facile à soulever sur la lune.

On représente le poids par un vecteur-force dirigé vers le bas à partir du centre de gravité de l’objet.

La pression

Lorsque j’applique une force sur un objet, par exemple, si je pousse une boîte, cette force est appliquée sur une partie de la surface de la boîte puisque mes mains ne touchent pas la boîte en entier.

On définit la pression comme étant le rapport entre la force et la surface sur laquelle cette force est appliquée.

Une force de 1 N appliquée sur une surface de 1 m ² correspond à une pression de 1 N/m ² alors qu’une force de 10 N appliquée sur une surface de 2 m ² donne une pression de 5 N/m ². On mesure la pression en pascals (Pa). Donc 1 N/m ² est la même quantité physique que 1 Pa. Si on examine la table suivante, on trouve deux contenants ayant chacun une masse de 2 kg. Ces contenants sont attirés par la Terre et exercent donc leur poids sur la table. Pour calculer la force de pesanteur (poids du contenant), on multiplie la masse par la valeur de l’accélération gravitationnelle qui vaut 9,8 m/s ².

Dans le cas de nos deux contenants, le poids de chacun est : 2 kg x 9,8 m/s ² = 19,6 N.

Chaque contenant exerce une force de pesanteur de 19,6 N sur la table. Cependant, cette force est exercée sur une plus grande surface de la table par le contenant n^o1.

 

Pression exercée par les particules d’un gaz

On sait que les particules d’un gaz bougent continuellement. En bougeant, les particules du gaz frappent les parois de leur contenant et, qui dit frappe, dit force, celle-ci est exercée sur la surface du contenant.

Par conséquent, les particules d’un gaz exercent une pression sur les parois du contenant qui les renferme. C’est cette pression qui explique qu’un drapeau peut battre au vent.

Quand on gonfle un ballon, on augmente le nombre de particules qui frappent les parois du ballon. La pression exercée par l’air à l’intérieur du ballon augmente, ce qui provoque une augmentation du volume du ballon.

Compressibilité

Est-ce que les gaz sont plus compressibles que les liquides?

As-tu déjà essayé de comprimer un ballon gonflé d’air?

Les particules de gaz sont plus espacées que les particules dans un liquide. C’est pourquoi on peut arriver à comprimer un gaz.

Masse volumique des gaz

Pourquoi cette bouée peut-elle flotter sur l’eau?

Est-ce que sa masse volumique est plus grande ou plus petite que la masse volumique de l’eau?

La relation entre la pression exercée par un gaz et le volume occupé par ce gaz

Si on garde la température constante, qu’arrive-t-il à la pression exercée par un gaz lorsqu’on réduit le volume de son contenant?

Cette relation a été décrite par deux chercheurs, Boyle et Mariotte, qui ont élaboré une loi, la loi de Boyle-Mariotte qui s’énonce comme suit : à température constante, le volume d’un gaz est inversement proportionnel à sa pression, soit PV = constante.

Relation de proportionnalité inverse entre le volume d’un gaz et la pression exercée à température constante :

La simulation suivante te permettra de trouver des paires de données pour tracer un graphique.  Entre dans la rubrique « Matière » et ensuite dans « Pression d’un gaz ».

La pression atmosphérique

Nous vivons dans un océan de gaz atmosphériques. Notre atmosphère est constitué d’un mélange de différents gaz : 78,1 % d’azote, 20,9 % d’oxygène, 1 % d’argon, 0,04 % de gaz carbonique, etc.

Cet air possède une masse. Au niveau de la mer, on estime qu’un volume de 1 mètre cube d’air possède une masse de 1,2 kg. Donc, dans une chambre typique de 75 m³, la masse de l’air est de 90 kg et cette masse applique un poids de 882 N en raison de la force gravitationnelle. Plusieurs personnes pensent que l’air n’a pas de poids. C’est sans doute parce qu’elles ont toujours été entourées d’air. Étant donné que l’air possède un poids, il va exercer une pression sur les objets et les organismes vivants et qu’on nomme pression atmosphérique.

Parce que l’air possède un poids, chacune des particules d’air est comprimée par les particules qui se trouvent au-dessus.  Par conséquent, la masse volumique de l’air est plus élevée près du sol et diminue au fur et à mesure que l’altitude augmente.  Ça veut dire que la pression atmosphérique au haut d’une montagne est plus basse que la pression atmosphérique au niveau de la mer.

Plusieurs alpinistes éprouvent de la difficulté à respirer lorsqu’ils gravissent de hautes montagnes tel le mont Everest car l’oxygène se fait de plus en plus rare.
On mesure la pression atmosphérique en hPa (1 hPa = 100  Pa) ou en kPa  (1 kPa =  1 000 Pa).  Le tableau ci-dessous donne les valeurs de la pression atmosphérique à différentes altitudes :

Au niveau de la mer, la pression atmosphérique est de 1 01 300 Pa (1013 hPa). À cinq kilomètres d’altitude, la pression est déjà réduite de presque moitié. L’air se refroidit aussi en altitude. Plus il fait froid, moins les molécules d’air se déplacent rapidement, ce qui contribue aussi à réduire la pression de l’air.

On mesure la pression atmosphérique à l’aide d’un baromètre. Dans nos demeures, on utilise surtout le baromètre anéroïde. À l’intérieur de cet instrument, on trouve une petite boîte métallique dans laquelle on a retiré un certain pourcentage d’air. La boîte métallique possède un couvercle légèrement flexible qui peut réagir à tout changement de pression atmosphérique extérieure. Ce couvercle est relié à une aiguille par un mécanisme de levier-ressort, qui indique la variation de pression.

Les météorologues utilisent les mesures de pression atmosphérique pour prédire la météo. On a souvent l’impression que la pression de l’air s’exerce du bas vers le haut.

 

Vidéo - Pression atmosphérique

 

Le principe d’Archimède appliqué aux gaz

Avant de lire cette section, je te recommande de consulter la présentation PowerPoint sur la masse volumique et la flottabilité qui se trouve à la section des liquides.

Les mêmes principes que nous avons vus pour la flottabilité dans un liquide s’appliquent aux gaz puisque les gaz sont des fluides.

Par conséquent, le principe d’Archimède peut être énoncé comme suit : un objet entouré d’air subit une poussée vers le haut qui est égale au poids de l’air déplacé.

Les montgolfières utilisent de l'air chauffé pour pouvoir prendre de l’altitude. Or, quand on chauffe un gaz, ses molécules s’éloignent. Donc, si on a deux volumes égaux d’air, un volume renfermant de l’air chaud et un autre volume renfermant de l’air froid, on peut s’attendre à ce que le volume d’air chaud soit plus léger que le même volume d’air froid puisqu’il y a plus d’espace entre les molécules.

Donc la masse d'air chaud est moins grande et par conséquent sa masse volumique sera moins grande que celle de l’air froid.

Ce qui signifie que la montgolfière va déplacer autour d’elle un volume d’air ambiant qui va avoir un poids plus élevé que le poids de la montgolfière. Résultat : la poussée d’Archimède va faire monter la montgolfière jusqu’à temps que le poids de celle-ci soit égal au poids du volume d’air déplacé en altitude.

N’importe quel objet qui a une masse volumique moins grande que celle de l’air ambiant va flotter dans cet air ambiant. C’est ce qui se produit avec les ballons gonflés à l’hélium ou à l’hydrogène.

Pour en savoir plus long sur la montgolfière, consulte le site officiel du festival de la montgolfière de Saint-Jean-sur-le-Richelieu.

Vérifions nos connaissances

Vérifions maintenant nos connaissances sur les trois états de la matière. 

• Présentation Principe de Bernoulli et le vol d'un avion