Chimie 4:
Volume, pression et masse de l'air
1. La pression
1.1. Définition
Sur toutes les surfaces avec lesquelles ils sont en contact, les gaz
appuient, poussent : on dit qu’ils exercent une pression
sur ces surfaces.
1.2. La pression atmosphérique
On appelle pression atmosphérique la pression qu'exerce l’air de l’atmosphère
sur tout les objets.
Expérience:
on rempli complètement un verre d'eau. On plaque à la surface de l'eau
une feuille de papier, pui on le retourne.
L'eau reste dans le verre et ne s'écoule pas.
Malgré son poids l’eau est maintenue à l’intérieur du verre car
la pression de l’air extérieur est plus forte.
Ceci est l'une des preuves de l’existence de la pression atmosphérique.
1.3. Les unités de pression
L’unité légale de pression est le Pascal (Pa).
On utilise aussi souvent :
• L’hectopascal (hPa): 1 hPa = 100 Pa
• Le bar (bar): 1 bar = 100 000 Pa
1.4. Mesurer une pression
La pression atmosphérique se mesure au moyen d'un baromètre.
Au niveau de la mer elle est d’environ 101300 Pa soit 1013 hPa
ou environ 1 bar.
La pression atmosphérique varie et donne naissance à des hautes pressions (anticyclone) correspondant à des zone de beau temps.
Cette variation donne aussi naissance à des basses pressions (dépression)
qui correspondent à des zones de mauvais temps.
La pression d'un gaz enfermé dans une enceinte (récipient hermétiquement clos)
se mesure au moyen d'un manomètre. On utilse alors
l'unité psi (Pounds per Square Inch).
1 psi = 6894.76 Pa
Exemple:
La pression dans un pneu de voiture est de l'ordre de 36 psi.
1.5. Valeur de la pression atmosphérique
La valeur de la pression atmosphérique est de 1 atm (atmosphère).
1 atm = 101 300 Pa = 1,013 bar = 14.223 psi. Ceci correspond à un poids de
1kg/cm2, soit une masse de 10 tonnes par m2.
Le kilogramme-force par centimètre carré (kg/cm2), souvent juste kilogrammes par centimètre carré (kg /cm2), est moins utilisé comparé au pascal (Pa) qui est une unité SI.
La conversion se fait comme suit:
1 N = 1 kg x m/s2
Le poids (ou la force) d'un kilogramme = 1 kilogramme-force = 9.81 N
1 Pa = 1 N/m2 = 1 N/104 cm2 =
1 kilogramme-force/9.81 x 104 cm2 =
1.019378 x 10 -5 kilogramme-force/cm2
Donc
1 atm = 101300 x 1.019378 x 10 -5 kilogramme-force/cm2
= 1.03 kilogramme-force/cm2
1 atm = 1 kilogramme-force/cm2 = 10 t/m2
2. Relation entre pression et volume
2.1. La compression
Un gaz subit une compression si le volume occupé par ce gaz diminue.
Expérience:
réaliser une compression avec une seringue bouchée
dont l’air ne peut ni sortir ni rentrer et où sa quantité reste donc constante.
Si on appuie sur le piston le volume occupé par l’air diminue:
cette opération est donc une compression.
Pendant cette compression plus on appuie sur le piston plus il
devient difficile d'y appuyer.
Cela signifie que l’air dans la seringue pousse de plus en plus
sur le piston: sa pression augmente.
Lors d’une compression la pression d'un gaz augmente d'autant
plus que son volume diminue.
2.2. La détente
La détente, aussi appelée expansion est le contraire d'une compression:
On dit qu'un gaz subit une détente ou une expansion si son volume augmente.
Expérience:
On réalise une détente en tirant sur le piston d'une seringue bouchée:
Le volume occupé par l’air augmente.
Pendant cette détente, plus on tire sur le piston plus le piston est
poussé dans la seringue.
Cela signifie que l’air dans la seringue pousse moins que l'air de l'extérieur de la seringue: sa pression diminue.
Lors d’une détente la pression d'un gaz diminue d'autant plus que son volume augmente.
L'air et les gaz en général sont compressibles et expansibles.
3. La masse de l'air
3.1. L'air possède une masse
Expérience:
• On dispose d'un ballon (de basketball par exemple) dégonflé,
• On le pèse; et on note donc sa masse à vide,
• On fait gonfler le ballon trois ou quatre fois de suite,
• On pèse le ballon à chaque gonflage,
• On se rend compte que la masse du ballon augmente.
l'air introduit dans le ballon est responsable de cette augmentation
de masse et la différence de masse entre la masse du ballon gonflé et
sa masse à vide correspond à la masse d'air ajoutée par gonflage.
L’air, ainsi que tous les autres gaz, possèdent une masse.
3.2. Masse d'un litre d'air
Expérience:
• On pèse un ballon gonflé,
• On dispose d'une bouteille en plastique d'exactement 1 litre,
• On remplit cette bouteille d'eau,
• On relie la valve du ballon au goulot de la bouteille
au moyen d'un tuyau fléxible,
• On retourne la bouteille et on perse un trou
à son fond,
• Par dégonflage du ballon, on laisse déplacer le litre d'eau
de la bouteille sur une bassine.
On a donc retiré un litre air du ballon.
La différence de masse entre le ballon gonflé et
le ballon dégonflé permet de calculer masse du litre d'air
retiré de ce ballon.
Ce type d'expérience conduit en général à un résultat de l'ordre de 1 g;
mais des mesures plus précises permettent d'obtenir une masse de 1,2g.
La masse d'un litre d'air est de l'ordre de 1 g dans des conditions habituelles.
Plus précisément à 20°C et sous une pression de 1013 hPa la masse
d'un litre d'air est de 1,2 g.
Comme les liquides et les solides, chaque gaz possède sa propre masse.
Le gaz Helium est plus léger que l'air. C'est ainsi qu'on l'utilise
pour les ballons.
Un litre d'air pèse 1.2 grammes.
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