Comment réagissent les gaz selon la situation ?

Le gaz parfait

Attention, il n'y a pas de fumée sans feu !

Caractéristiques du gaz parfait

Le gaz parfait est un modèle simplifié des gaz. Ce modèle est construit sur les deux hypothèses suivantes: Les molécules sont considérées comme des points matériels. C'est-à-dire que l'on néglige leur volume propre devant le volume occupé par le gaz. On néglige toutes les interactions entre les molécules à l'exception des interactions qui ont lieu lors des chocs entre ces molécules.

Équation d'état du gaz parfait

Les variables d'état, pression P, volume V, température T et quantité de matière n, d'un gaz parfait en équilibre et au repos sont liées par une relation appelée équation d'état des gaz parfaits: [ P times V = n times R times T ] Avec :

  • P est la pression d'un gaz (en pascals) ;
  • V le volume occupé par le gaz (en m3) ;
  • n la quantité de matière (en moles) ;
  • R la constante universelle des gaz parfaits (8,3144621 J/K/mol) ;
  • Et T est la température (en kelvins).
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le gaz réel

Profitez de votre temps libre pour prendre un bon bol d'air pur (qui pourtant est un mélange de gaz !)

Comportement de l'air (mélange de gaz)

Les expériences faites sur l'air montrent qu'il se comporte comme un gaz parfait aux faibles pressions. C'est-à-dire qu'aux faibles pressions (P inférieure à quelques atmosphères), les variables d'état de l'air sont liées par l'équation d'état des gaz parfaits.

Comportement des autres gaz

La plupart des gaz (et des mélanges de gaz) se comportent comme des gaz parfaits aux faibles pressions. Ce sera le cas de tous les gaz (et de tous les mélanges de gaz) que nous considérerons dans la suite de ce programme. Ce comportement des gaz aux faibles pressions peut s'expliquer en considérant qu'à température constante, plus le volume occupé par une quantité de matière de gaz donnée augmente plus la pression de ce gaz diminue. Il s'ensuit deux conséquences. Aux faibles pressions: Les distances entre les molécules du gaz devenant très grandes, les interactions entre ces molécules deviennent quasi négligeables. Le volume de chaque molécule (volume propre des molécules) devient négligeable devant le volume occupé par le gaz. Les molécules peuvent alors être considérées comme quasi ponctuelles. Il s'agit précisément des hypothèses faites pour construire le modèle du gaz parfait. En résumé, l'intérêt de définir un gaz parfait (qui n'existe pas) réside dans les faits que: Son comportement est particulièrement simple à étudier à l'aide de l'équation d'état P.V=n.R.T, Les gaz réels se comportent comme des gaz parfaits dans les conditions usuelles. C'est-à-dire que leurs variables d'état vérifient l'équation d'état des gaz parfaits.

Les gaz et la thermodynamique

La thermodynamique permet d'expliquer pourquoi votre café refroidit !

Ce qu'on appelle transfert thermique en sciences est plus couramment appelé chaleur dans la vie quotidienne. Un transfert thermique correspond à l'un des modes d'échange d'énergie thermique entre deux systèmes. Dans le cas du double vitrage, on parlera du système extérieur  et du système intérieur (la maison). Cela correspond à une notion fondamentale de la thermodynamique et, contrairement au travail, les transferts thermiques correspondent à un bilan de transferts d'énergie dits microscopiques et désordonnées. Il est possible de distinguer trois type de transfert thermique, tous pouvant coexister :

  • La conduction correspond à la diffusion progressive de l'agitation thermique dans la matière : La conduction thermique, également appelée diffusion thermique, correspond à un mode de transfert thermique qui est provoqué par la présence d'un gradient de température entre deux régions qui composent un même milieu ou alors entre deux milieux qui sont en contact direct. Il va alors y avoir, contrairement à la convection, un transfert d'énergie thermique sans déplacement global de matière à l'échelle macroscopique. Il est alors possible d'interpréter ce mode de transfert thermique comme étant la transmission de proche en proche de l'agitation thermique. Autrement dit, un atome, voire une molécule, va céder une partie de son énergie cinétique à un atome, ou une molécule, qui est à son voisinage.
  • La convection correspond au transfert thermique qui accompagne des déplacements macroscopiques de la matières ;
  • Et le rayonnement qui correspond à la propagation de photons.

Ainsi, la quantité de chaleur, notée Q et exprimée en joule, correspond à la quantité d'énergie qui sera échangée par le moyen de ces trois différents type de transfert. Une convention indique alors que, lorsque Q > 0, on dit que le système reçoit de l'énergie. De plus, il peut être intéressant de retenir que la thermodynamique fait appel au concept de chaleur afin de mettre en place le premier mais aussi de deuxième principe de la thermodynamique. Malgré tout cela, il reste de nombreuses ambiguïtés mais également de nombreuses confusions qui s'entretiennent. En effet,  malgré le sens que l'on accorde à chaleur dans la vie quotidienne, le principe de chaleur au sens thermodynamique du mot n'a aucun lien avec la température. Cependant, il reste vrai que les transferts thermiques spontanées se font toujours du système le plus élevé en température vers le système le moins élevé en température même s'il reste possible de provoquer l'inverse grâce à une machine thermique comme un réfrigérateur. Il est d'ailleurs intéressant de noter que, lorsqu'il y a un changement d'état, le corps pur ne changera pas de température bien qu'il échange de l'énergie sous forme de chaleur.

La thermodynamique

Il est important de noter que le premier et le deuxième principe de la thermodynamique sont les plus importants, mais il peut tout de même intéressant de connaître les deux autres.

Le principe zéro de la thermodynamique

Ce principe concerne la notion d'équilibre thermique. Ainsi, il est à la base de la thermométrie et s'énonce ainsi : si deux systèmes sont en équilibre thermique avec un troisième, alors ils sont aussi ensemble en équilibre thermique.

Le premier principe de la thermodynamique

Egalement appelé principe de la conservation de l'énergie, ce principe affirme que l'énergie est toujours conservée. Formulé autrement, cela signifie que l'énergie totale d'un système isolé reste constante. Ainsi, les événements qui se produisent au sein du système isolé ne se traduisent donc que par des transformations de certaines formes d'énergie en d'autres formes d'énergie. Puisque l'énergie ne peut pas être produite en partant de rien, elle est présente en quantité invariable dans la nature. Elle ne peut donc que se transmettre d'un système à un autre : on ne crée par l'énergie, on la transforme. Ce principe est également considéré comme étant une loi générale pour toutes les théories physiques, notamment en mécanique, électromagnétisme ou physique nucléaire puisqu'on ne lui a jamais trouvé la moindre exception même si des doutes peuvent subsister lorsque l'on étudie les désintégration radioactives. De puis le théorème de Noether, on sait que la conservation de l'énergie est intimement reliée à une uniformité de structure de l'espace-temps. Le premier principe de la thermodynamique rejoint alors le célèbre principe popularisé par Lavoisier : "Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme."

Le deuxième principe de la thermodynamique

Egalement appelé principe d'évolution des système, ce principe affirme la dégradation de l'énergie. En effet, l'énergie d'un système passe de façon nécessaire et spontanée de formes concentrées et potentielles à des formes diffuses et cinétiques telles que le frottement ou la chaleur. Ce principe introduit donc également la notion d'irréversibilité d'une transformation et la notion d'entropie. En effet, d'après le deuxième principe de la thermodynamique, l'entropie d'un système isolé augmente ou reste constante. Souvent interprété comme une mesure du désordre et comme l'impossibilité du passage du désordre à l'ordre sans intervention extérieur. L'interprétation de ce principe se base sur la théorie de l'information de Claude Shannon et la mesure de cette information, également appelée entropie de Shannon. La principale différence de ce principe avec le premier principe de la thermodynamique est l'origine statique de ce deuxième principe. En effet, les lois microscopiques qui gouvernent la matière ne le contiennent qu'implicitement et de manière statique. Cependant, le deuxième principe de la thermodynamique reste relativement indépendant des caractéristique des lois précédemment citée puisqu'il apparaît même si l'on suppose des lois simplistes à petite échelle.

Le troisième principe de la thermodynamique

Ce principe, quant à lui, est associé à la descente vers un état quantique fondamental d'un système dont la température s'approche d'une limite qui définit la notion de zéro absolu. En effet, en thermodynamique classique, ce principe permet de calculer l'entropie molaire S d'un corps pur par intégration sur la température à partir de S=0 à 0 K dans le but d'établir des tables de données thermodynamiques.

La loi de Laplace en thermodynamique

En thermodynamique, cette loi correspond à une relation reliant la pression et le volume d'un gaz parfait qui subit une transformation dite isentropique ou une transformation dite adiabatique et réversible. Mais cette relation peut également être utilisée avec la température et le volume ainsi que la température et la pression. La loi de Laplace suppose en effet des capacités thermiques constante alors que les capacités thermiques d'un gaz parfait dépend évidemment de la température, il suffit de regarder la loi des gaz parfait. En conséquence, cette loi ne peut être appliquée à des transformation où la variation de la température est peu important. On peut alors considérer que les capacités thermiques sont constantes.

La pression d'un gaz

Ne vous mettez pas la pression pour les examens !

La pression correspond à une grandeur physique qui permet de traduire les échange de quantité de mouvement au sein d'un système thermodynamique, notamment au sein d'un solide ou encore d'un fluide. On peut alors définir la pression comme correspondant à l'intensité de force que va exercer une fluide par unité de surface. La pression est une grandeur scalaire, voire tensorielle, intensive. Il faut être prudent lorsque l'on parle de la pression. En effet, nombreux sont ceux qui parlent de pression exercée par un fluide sur une paroi pour parler de la force pressante que le fluide va exercer par unité d'aire de la paroi. Cependant, la force correspond plutôt à une grandeur vectorielle que l'on défini localement alors que la pression correspond à une grandeur scalaire qui est définie en tout point du fluide concerné.

Les unités de pression

L'unité de pression est le Pascal noté (Pa), même si l'on parle parfois du Bar qui, lui, n'est pas une unité du Système International. L'analyse dimensionnelle de la pression permet de montrer que celle-ci est homogène à une force surfacique (1 Pa = 1 N/m²) comme à une énergie volumique (1 Pa = 1 J/m3).

Le volume molaire

Le volume molaire d'un gaz Vm est le volume occupé par 1 mole de ce gaz dans des conditions de température et de pression donnés. On peut déterminer ainsi le volume molaire par la formule suivante : [ V _ { m } = frac { R times T } { P }] En sachant que Vm s'exprime en L.mol-1 Pour ce qui est des gaz, le volume V et la quantité de matière n sont liés par : [ n = frac { V } { V _ { m } } ] [ V = n times V _ { m } ]

La quantité de mouvement

En physique, on appelle la quantité de mouvement tout produit de la masse par le vecteur vitesse d'un corps matériel que l'on suppose ponctuel. Ainsi, la quantité de mouvement correspond à une grandeur vectorielle que l'on définit par [ overrightarrow { p } = m times overrightarrow { v } ] qui dépendra du référentiel d'étude. De plus, en utilisant l'additivité, on est capable de définir la quantité de mouvement d'un corps non ponctuel ou système matériel. De ce fait, il devient possible de démontrer que la quantité de matière est égale à la quantité de mouvement du centre d'inertie de l'objet étudié affecté de la masse totale du système. On a donc [ overrightarrow { P } = M times overrightarrow { v _ { c } } ] où C correspond au centre d'inertie. On utilise le kg.m.s-1 comme unité. De façon logique et naturelle, la notion de quantité de mouvement s'introduit en dynamique. En effet, la relation fondamentale de la dynamique exprime le fait que l'action d'une force extérieure sur un système conduit à une variation de sa quantité de mouvement par l'expression suivante : [ overrightarrow { F _ { text { ext } } } = frac { text { d } overrightarrow { p } } { text { d } t } ] On peut également dire de la notion de quantité de mouvement qu'elle fait partie, de la même façon que l'énergie, des grandeurs qui se conservent dans un système isolé et donc un système qui n'est soumis à aucune action extérieure ou alors ces mêmes actions extérieures sont négligeables ou se compensent. On utilise d'ailleurs fréquemment cette propriété en théorie des collisions. [ p _ { i } = frac { delta text { L } } { delta q _ { i } } ]. Dans le cas d'un champ électromagnétique, on appelle la quantité de mouvement impulsion. Elle fait alors référence à la densité volumique d'impulsion du champ donné par la formule :[ overrightarrow { g } =  epsilon _ { 0 } overrightarrow { E } bigwedge overrightarrow { B } ]

Le gaz peut servir d'isolant : le cas du double-vitrage

Le double vitrage correspond à une paroi vitrée qui se constitue de deux vitres séparées par une épaisseur d'air qui reste immobile. On appelle cela la lame d'air. Il existe également une variante à ce principe qu'on appelle le vitrage à isolation renforcée. En effet, dans ce cas de figure, le double vitrage est rendu plus performant grâce à l'ajout d'un traitement isolant sur une ou plusieurs des faces intérieures du double vitrage. On peut également utiliser le survitrage qui consiste en l'ajout d'une deuxième vitre à une fenêtre ancienne qui était initialement dotée d'un simple vitrage. Cela permet d'améliorer l'isolation du bâtiment sans pour autant changer la fenêtre complète.

Les caractéristiques d'un double vitrage

L'épaisseur

On note les épaisseurs du double vitrage ainsi : A/B/C en considérant A, B et C comme correspondant aux épaisseurs en millimètres des différents éléments, respectivement la vitre extérieure, la lame d'air puis la vitre intérieure. De façon générale, on trouve plutôt des doubles vitrages 4/16/4. Dans la plupart des cas, les deux vitres constitutives du double vitrage sont de la même épaisseur. Si ce n'est pas le cas, on parle alors de double vitrage asymétrique. Celui-ci a la particularité de fournir une meilleure isolation phonique. En effet, les fréquences de coïncidence des deux vitres seront différentes. De façon générale, la vitre extérieure correspond à la vitre la plus épaisse, on se retrouve alors souvent avec un double vitrage 10/10/4, bien que le sens de mise en place des vitres n'apporte aucun effet sur les performances d'affaiblissement acoustique du vitrage. Effectivement, la mise en place à réellement une important lorsque l'on met en place un vitrage feuilleté. Cette mise en place sera alors conditionnée selon les contraintes de protection des personnes en fonction de la situation. Lorsque l'on souhaite mesure l'épaisseur d'un vitrage, il est possible d'utiliser un vitromètre.

Les performances d'isolation

Un vitrage ou encore une fenêtre peuvent être qualifiés grâce à trois paramètres :

  • Le coefficient de transfert thermique. Celui-ci, noté Ug pour la vitre et Uw pour la fenêtre entière correspond à l'inverse de la résistance thermique surfacique. En effet, cette donnée, mesurée en watts par mètre carré kelvin, permet d'exprimer un flux thermique en été et respectivement un déperdition thermique en hiver par unité de surface du le vitrage ou de la fenêtre mais aussi par degré de différence de température entre la température chaude d'un côté du vitrage et l'ambiance froide de l'autre côté du vitrage. Ainsi, plus U est bas, plus on considère le vitrage comme étant isolant. On notera qu'un double vitrage standard possède un coefficient de transfert thermique Ug d'environ 2,9 W/(m²K) alors qu'un double vitrage haute performance peut atteindre 1,1 W/(m²K). Si vous souhaitez mettre un place un survitrage, vous atteindre en moyenne un Ug d'environ 3,3 W/(m²K).
  • le coefficient de transmission lumineuse. Celui-ci, noté TL, correspond au pourcentage de fraction de lumière qui entre dans le bâtiment en traversant le vitrage.
  • le coefficient transmission énergétique, encore appelé parfois facteur solaire. Celui-ci, noté g ou FS, correspond au pourcentage de fraction d'énergie solaire qui entre dans le bâtiment en traversant le vitrage. Ainsi, cette caractéristique va conditionner le confort estival. Ainsi, un vitrage avec un facteur solaire de 0,42 ne laissera pénétrer que 42% d'énergie solaire et laissera les 58% hors de l'habitation.

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Joy

Freelancer et étudiante en Sciences de la Vie et de la Terre, je suis un peu une grande sœur qui épaule et aide les autres pour observer et comprendre le monde qui nous entoure et ses curieux secrets !

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