Mélange de gaz
publicité
Météorologie physique Eva Monteiro Structure verticale de l ’atmosphère terrestre La troposphère La stratosphère La mésosphère la thermosphère l’exosphère hétérosphère homosphère Composition de l’atmosphère jusqu’à 110 km de hauteur Composition volumétrique de l'air Nom du gaz Azote (N2) Oxygène (O2) Argon (A) Vapeur d'eau (H2O) Dioxyde de carbone (CO2) Néon (Ne) Krypton (Kr) Hydrogène (H) Oxyde d'azote (N2O) Xénon (Xe) Ozone (O3) Pourcentage présent 78 % 21 % 0,93 % 0-4% 0,033 % 0,0018 % 0,000114 % 0,00005 % 0,00005 % 0,0000087 % 0 - 0,000001 % Composition de l’atmosphère jusqu’à 110 km de hauteur Air atmosphérique Air sec N2,O2, Ar, CO2 Comp. Const. Eau Solide liquide vapeur variable aérosols Rôle importante: chimie, physique des nuages radiation Composition de l ’atmosphère Essentiellement variable dans le temps et dans l ’espace. Définition de l ’air sec Importance des autres composantes La Physique appliquée à l ’atmosphère L ’atmosphère est une machine thermique: Les mouvements atmosphériques sont possibles par la conversion de l ’énergie solaire en d ’autres formes d ’énergie Choix du modèle du système atmosphère L ’air sec: mélange de gaz parfaits Milieu continu L ’air humide: l ’air sec + la vapeur d ’eau Thermodynamique L ’étude quantitative de la chaleur comme forme d ’énergie Les transformations d ’énergie L ’étude empirique des propriétés macroscopiques des grands ensembles de particules Concepts thermodynamiques Système thermodynamique Environnement d ’un système Système: ouvert fermé non isolé • thermiquement (non adiabatique) • mécaniquement isolé (adiabatique + isolé mécaniquement) hétérogène, non homogène ou homogène Composition Homogène Hétérogène Non homogène Variable thermodynamiques N ’importe quelle propriété macroscopique du système thermodynamique Variables intensives: Température, pression, … Variables extensives: Volume, masse, énergie, … Variables extérieures: Volume, champ de gravitation, ... Variables intérieures: pression, énergie interne, ... État d ’un système thermodynamique Définition d ’état thermodynamique spécification de toutes les variables intensives qui déterminent complètement l’état du système Équilibre thermodynamique stable, instable et métastable Variable d ’état toute variable intensive qui définit l’état du système à l’équilibre thermodynamique Fonction d’état On appelle fonction d’état une caractéristique physique du système dont la variation ne dépend pas du processus thermodynamique qui provoque sa variation. Elle est entièrement déterminée par les valeurs des paramètres de l’état initial et de l’état final. Quelques définitions Poids moléculaire Molécule gramme ou mole (molécule kilogramme ou kilomole) Variables thermodynamiques fondamentales Le volume spécifique (ou molaire) La température La pression Procédé thermodynamique Définition de procédé : n ’importe quel changement de l ’état d ’équilibre du système Procédé réversible : succession d ’états d ’équilibre Procédé irréversible Exemples de procédés Procédé isochore (à volume constante) Procédé isobare (à pression constante) Procédé isotherme (à température constante) Procédé adiabatique (sans échange de chaleur avec l’environnement) Procédé isolé (sans aucun échange d’énergie avec l’environnement) Résumé de concepts clés Ouvert Système thermodynamique Fermé Intensifs Paramètres thermodynamiques Extensifs Classification selon sa composition État d’un système Homogène Hétérogène Stationnaire Équilibré (stable, instable, métastable) Procédé thermodynamique Irréversible Réversible Exemples de fonctions d’état Énergie interne Énergie libre de Gibbs Enthalpie Entropie Caractéristiques thermodynamiques de l’atmosphère Atmosphère: système thermodynamique Non isolé Pas à l ’équilibre thermodynamique Qu ’est-ce qu ’un système isolé? Qu ’est-ce qu ’un système en équilibre? Notre système : masse d ’air Système thermodynamique fermé (souvent isolé thermiquement) homogène ou hétérogène en équilibre dynamique thermique chimique Équation d ’état d ’équilibre thermodynamique Variable d ’état et fonction d ’état L ’état d ’équilibre est caractérisé par un ensemble de variables qui définissent complètement l ’état du système à l ’équilibre. La pression p, le volume V, la température T, sont exemples de variables d ’état Équation d ’état d’un système physiquement homogène F p,V , T 0 Équation d ’état pour un gaz parfait Lois des gaz parfaits Loi de Boyle - Mariotte pV const. Loi de Gay - Lussac T V V0 T0 Loi de Charles T p p0 T0 Équation d ’état pour un gaz parfait pV nR T * Où n = nb. de kilomoles dans V = volume T = température (K) R* = constante universelle des gaz Mélange de gaz: Définitions Le mélange de gaz est l'ensemble de plusieurs gaz différents qui, dans des conditions données, n'entrent pas en réaction chimique l'un avec l'autre. Le mélange de gaz représente un système thermodynamique homogène. concentration pondérale gi : mi mi gi N m mi i 1 Mélange de gaz: Définitions concentration molaire xi du i-ème : mi Mi xi N mi M i 1 i Mélange de gaz: pression partielle Soit un mélange de plusieurs gaz, placé dans un contenant de volume V et ayant la température T. Par définition, la pression partielle du constituant i du mélange , pi, est la pression qu ’exercerait le gaz i s ’il était seul dans le récipient à la même température T Mélange de gaz: pression partielle On appelle pression partielle pi du i-ème gaz du mélange la pression qu'exercerait ce gaz si tous les autres gaz étaient éliminés du mélange, le volume et la température étant les mêmes: mi * pi ni R T RT Mi * Mélange de gaz: volume partiel On appelle volume partielle Vi du i-ème gaz du mélange le volume qui occuperait ce gaz si tous les autres gaz étaient éliminés du mélange, la pression et la température étant les mêmes: * * R T mi R T Vi ni p Mi p Mélange de gaz: Loi de Dalton Dans le cas d ’un gaz parfait, la pression totale exercée par un mélange est égale à la somme des pressions partielles des constituants (N = nombre de constituants) N * * RT RT p pi n V V i 1 N mi M i 1 i Pourquoi? Mélange de gaz: Loi de Dalton V V n1 P1 = ? n2 P2 = ? V n1 + n2 p1 + p2 = ? La loi de Dalton est une conséquence de l ’équation des gaz parfaits, pour laquelle l ’état du gaz ne dépend que du nombre de molécules, et non de leur nature chimique. Équation d ’état d ’un mélange de gaz parfaits Pour calculer les paramètres d'état d'un mélange de N gaz parfaits, on peut utiliser l'équation de Clapeyron écrite sous la forme: m * pV RT M pV mRT où 1 M N gi M i 1 i * N gi R * R R M i 1 M i Équation d ’état pour l ’air sec R pdV md Md * * T md Rd T R Rd 287 J K -1kg -1 , M d 28.97 Md Équation d ’état de l ’air humide V , p, m md Air humide = air sec + vapeur d ’eau mv md mv m d v V pd d Rd T e v RvT p m Rd T e 1 1 p Rd Rv Équation d ’état de l ’air humide p Rd Tv où Tv est la température virtuelle et T la température e Tv T 1 1 p 1 Rd Rv À retenir… L’air est un mélange de gaz parfaits. Les lois des gaz parfaits s’appliquent aux parcelles d’air Loi de Boyle - Mariotte Loi de Gay - Lussac Loi de Charles Loi d’Avogadro Lois de Dalton Loi des gaz parfaits ou Équation de Clapeyron Équation d’état de l’air (sec et humide) Poids moléculaire masse d'une molécule d'un corps pur poids moléculaire 1 masse d'un atome de carbone 12 12 Retour Pression Fn dFn p lim dS S 0 S Retour Température Loi zéro de la thermodynamique: Il existe une propriété scalaire universelle appelée température caractéristique de tout système thermodynamique. Une condition nécessaire pour que deux systèmes en contact non isolés soient à l ’équilibre est l ’égalité de leurs températures. A B C TA = TC et TB = TC TA = TB Échelles de température Échelle Celsius: t0 = 0 ºC, tb = 100 ºC Échelle Farenheit: t0 = 32 ºC, tb = 212 ºC t oC t o F 32 100 180 Échelle Kelvin: T 0 K t 0C 273.15 0C retour
