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Physique 2nde Chap10 : L’état gazeux Chapitre 10 : L’état gazeux I. Description microscopique d’un gaz 1) Introduction : les 3 états de la matière Il existe 3 états de la matière : l’état solide, l’état liquide et l’état gazeux. Ces 3 états se présentent de manière différente au niveau macroscopique. Dans l’exemple de l’eau : l’état solide est la glace, l’état liquide est l’eau liquide et l’état gazeux est la vapeur d’eau. Placé dans un récipient, le solide conserve sa forme propre, le liquide occupe la partie basse du récipient et à une surface horizontale, le gaz occupe tout le récipient. Au niveau microscopique, les 3 états physique d’une même espèce chimique sont composés des mêmes molécules (la glace, l’eau liquide et la vapeur d’eau sont constituées de molécule d’eau H2O). Ce qui différencie les 3 états de la matière est la proximité et le lien des molécules entre elles : solide : molécules ordonnées, en contact, peu mobiles et fortement liées liquide : molécules en contact, assez mobiles et faiblement liées entre elles gaz : molécules distantes, très mobiles et non liées entre elles 2) Expériences a) Le mouvement des molécules d’un gaz : On prépare un flacon contenant de l’air (gaz incolore) et un deuxième flacon contenant du dioxyde d’azote (gaz orange). On met en contact ces deux flacons et on observe que les deux gaz se mélangent. Interprétations et conclusions : - Les molécules d’un gaz occupent tout le volume qui leur est offert. - Les molécules qui composent un gaz sont en mouvement et se déplacent en permanence dans toutes les directions : on parle d’agitation. b) La distance entre les molécules d’un gaz : On remplit un ballon de dioxygène (O2) et on le pèse. On fait ensuite le vide dans le ballon et on le pèse à nouveau. On calcule la masse de dioxygène contenu dans le ballon : m gaz = m ballon plein – m ballon vide = ___________ On détermine le nombre de molécules de dioxygène dans le ballon : N = m gaz / m molécule de dioxygène = __________ (m molécule de dioxygène = 2 x 16 x mnucléon = 5,3.10-23g) On calcule le volume dont dispose chaque molécule du gaz : Vdispo = Vballon / N = ____________ On compare ce volume au volume d’une molécule qui vaut : Vmolécule = 5,3.10-29 m3 Interprétation et conclusion : - Les molécules qui composent un gaz sont très distantes les unes des autres. - La masse volumique d’un gaz est bien plus faible que celle d’un liquide. 3) Aspect microscopique d’un gaz L’aspect microscopique d’un gaz est celui d’un ensemble de molécules indépendantes, très distantes les unes des autres ayant un mouvement d’agitation permanent. II. La pression d’un gaz 1) Notion de pression : la force pressante Les molécules de gaz en agitation subissent des chocs sur les parois du récipient qui les contient. Lorsque qu’une molécule de gaz fait un choc sur une paroi du récipient qui contient le gaz, elle exerce une force sur cette paroi. Le résultat de tous ces chocs est une force pressante que le gaz exerce sur les parois. Cette force est perpendiculaire à la paroi et dirigée vers l’extérieur. Expérience : ballon de baudruche dans une cloche à vide (manip. n°1 p.250) 2) Définition de la pression d’un gaz La force pressante F qu’un gaz exerce sur une paroi est proportionnelle à la surface S de la paroi. On note F = P x S avec P qui est la pression du gaz. La pression est une force par unité de surface : P = F / S (F en N, S en m2, P en Pa (pascals) Physique 2nde 3) Mesure de la pression d’un gaz Pour mesurer la pression d’un gaz quelconque on utilise un manomètre. Pour mesurer la pression de l’atmosphère on utilise un baromètre. Voir Activité p.251 Exercices 13 et 14 p258 L’unité de la pression est le pascal : 1 Pa correspond à une force de 1 N par m2. On peut aussi utiliser : - l’hectopascal : 1 hPa = 102 Pa - le bar : 1 bar = 105 Pa 4) La pression atmosphérique La pression atmosphérique est la pression de l’air qui nous entoure. Sa valeur varie et cela influence la météo. La valeur moyenne de la pression atmosphérique est P0 = 1,013 . 105 Pa P0 = 1,013 bar = 1013 hPa. Remarque : la pression atmosphérique correspond à une force de 10 N par cm 2 soit l’équivalent du poids d’une masse de 1 kg par cm2 ! Heureusement, cette pression qui s’exerce sur notre corps est équilibrée par la pression de l’air contenu à l’intérieur de notre corps. III. La température d’un gaz 1) Introduction : chaleur et température La température d’un corps est une propriété physique de ce corps. La chaleur est une grandeur physique qui s’échange entre deux corps qui n’ont pas la même température : un corps à haute température cède de la chaleur à un corps de température inférieure. La sensation de froid et de chaud ressentit par le corps humain provient d’un échange de chaleur avec l’extérieur. Cette sensation permet donc de comparer des températures* mais pas de mesurer une température. *Remarque : La chaleur ne s’échange pas de la même façon avec tous les corps (capacité calorifique) : le bois, le métal... 2) Les thermomètres Un thermomètre est un appareil qui mesure la température d’un corps. Chap10 : L’état gazeux Un thermomètre utilise un phénomènes physique qui relie la température d’un matériau à une autre de ses propriétés physiques : - dilatation d’un liquide (eau, alcool) : variation du volume de liquide en fonction de sa température - thermistance : variation de la résistance électrique d’un composant en fonction de sa température - émissivité thermique : variation du spectre d’émission d’un corps incandescent en fonction de sa température 3) La température est une mesure de l’agitation microscopique La température d’un corps traduit l’agitation microscopique des atomes ou des molécules qui le constituent : on parle d’agitation thermique. Plus la température d’un corps est élevé plus la vitesse moyenne d’agitation des ses atomes ou de ses molécules est grande. Gaz Vitesse moyenne à 25 °C Vitesse moyenne à 100 °C hélium (He) 1330 m.s-1 1530 m.s-1 dioxygène (O2) 482 m.s-1 539 m.s-1 butane (C4H10) 359 m.s-1 400 m.s-1 4) Echange de chaleur et équilibre thermique Lorsque deux corps échangent de la chaleur ils se mettent à la même température. Cet équilibre thermique est un processus qui prend un certain temps car il correspond à une modification de l’agitation microscopique au sein de ces deux corps.
