Activités documentaires et expérimentales                                                                                                                               Notion de pression

 

I.                                LES GAZ A L’ECHELLE MICROSCOPIQUE

1-1 Expérience : diffusion de gaz entre deux ballons     doc.3 p 276

Le dioxyde d’azote est un gaz roux.( gaz observé sous hotte lors de la première expérience du TP sur l’élément cuivre, attaque du cuivre métallique par l’acide nitrique )

Observer les 2 ballons sur le film du CD de votre livre : que contiennent-ils ? Faire un schéma.

Les 2 ballons sont ensuite mis en communication. Noter les observations.      schéma

      Le gaz coloré occupe l’ensemble des deux ballons, il y a mélange des deux gaz : l’air et le gaz roux.

 

1-2  Interprétation : le mouvement brownien*           ( doc. 4 p 277 ) 

de Robert Brown botaniste anglais ( 1773-1858)    

Ce chercheur a observé en 1827 au microscope des grains de pollen en suspension dans l’eau, il remarqua que les grains avaient des mouvements désordonnés alors que l’eau paraissait immobile, par extension on parle de mouvement brownien pour un mouvement rapide et désordonné .

Les gaz sont constitués de molécules très petites et très éloignées en moyenne les unes des autres par rapport à leurs dimensions propres et se déplaçant à très grande vitesse ( par exemple une molécule de dioxygène ou de diazote de l’air de la salle de classe se déplace à une vitesse moyenne d’environ 500 mètres par seconde ).

On peut aussi observer le mouvement brownien des molécules en observant des grains de poussière en suspension dans l’air dans un rai de lumière, la poussière est bousculée par les molécules d’air.( mais les particules de  poussières, beaucoup plus lourdes que les molécules de l’air se déplacent beaucoup moins vite)

En étudiant le document 4 p 277 : dessiner un exemple de trajectoire d’une molécule prise parmi les milliers de milliards de milliards de molécules contenues dans l’ensemble des deux ballons reliés par leur col de l’expérience précédente donner une explication à l’expérience précédente :

La distance moyenne parcourue entre 2 chocs est de l’ordre du dixième de micromètre et chaque molécules d’air subit environ 100 millions de collisions par seconde.

C’est l’agitation des molécules qui provoque le mélange des gaz.

Les molécules sont en mouvement incessant, rapide et désordonné en toute direction.. Par chocs successifs entre elles et sur les parois, elles se répandent dans l’ensemble du volume qui leur est offert.

 

Quelle est la propriété des gaz mise en évidence ? un gaz est expansif
remarque : un gaz est compressif ( diminution des espaces entre molécules )

 

 

photocopie

I.                                LES FORCES PRESSANTES. NOTION DE PRESSION.

« Rien ne fait mieux connaître l’air que là où il n’est pas » disait.Fontenelle au XVIIème siècle.

C’est un académicien qui s’intéressa entre autre à l’astronomie, il fut membre de l’académie française en 1691 et de l’académie des sciences en 1697    («  Entretiens sur la pluralité des mondes )

2-1 Expériences

·                                      Expérience des hémisphères de Magdebourg  ‘ schéma plus grand à la page 275 de votre livre )

En 1654, une expérience importante fut menée à Magdebourg par Otto Von Guericke. Il utilisa deux hémisphères qu'il accola de manière à ce que le joint soit étanche, puis il fit le vide dans la sphère ainsi réalisée. Il fallut 8 chevaux tirant sur chaque hémisphère (soit 16 au total) pour les décoller (voir doc. ci-contre).

Les deux hémisphères forment une sphère de rayon
R = 40 cm quand ils sont joints.

Expérience similaire avec deux petits hémisphères ( rayon d’environ 5 cm)

Dispositif complet : sphère percée, pompe à vide …

Pourquoi les deux hémisphères restent-ils accolés lorsque nous faisons le vide?

 

Chaque élément de surface de la paroi est à chaque instant, bombardé par les molécules de l’air, quand on retire l’air de l’intérieur de la sphère, le bombardement n’existe plus que sur la paroi extérieure de la sphère, ce qui colle les deux hémisphères.

D’où la citation précédente, on voit mieux l’action de l’air sur les parois quand on compare avec le cas où il est absent.

 

Il y a de l’air à l’extérieur mais pas à l’intérieur.


·                                 Expérience du crève-vessie

Observation : la membrane se déforme de plus en plus lorsqu’on fait le
                      vide à l’intérieur et finit par éclater avec un grand bruit
                      lorsque le vide est assez poussé.
On observe ainsi l’effet de l’air extérieur  sur la feuille de cellophane.

.Interprétation : les chocs des molécules de l’air extérieur sur la
                           membrane sont plus nombreux que ceux des molécules
                          de l’air raréfié du récipient.

Avant de pomper de l’air du récipient, les actions exercées par l’air de part et d’autre sur la membrane s’équilibrent,  puis l’action de l’air au dessus devient prépondérante, déforme la membrane qui peut éclater.

·                                 Expérience à laide d’une cloche à vide :

Nous utilisons deux montages identiques : une éprouvette remplie à moitié et renversée dans un bécher, un montage est laissé à l’air libre et l’autre est placé sous une cloche où nous allons faire un vide partiel, 

En servant des résultats précédents, compléter le second schéma, vérification par l’expérience.

 

L’action de l’air enfermé dans l’éprouvette est prépondérante , elle pousse davantage sur l’eau de l’éprouvette que l’air raréfié sur la surface libre de l’eau du bécher : l’eau passe de l’éprouvette dans le bécher.

 

Conclusion : Un gaz exerce une force pressante sur les parois du récipient qui le contient. Cette force est toujours perpendiculaire à la paroi. Elle est due aux chocs répétés des molécules sur les parois.

2-2 Définition de la pression

 

on vient de voir que les gaz exercent une force pressante sur les parois des récipients qui les contiennent, pour mieux définir la pression, nous allons prendre un exemple simple où un homme exerce une force pressante sur la neige, une force pressante pouvant aussi être exercé par un solide

 

Un homme marche en chaussures dans la neige fraîche, il s’enfonce ; s’il chausse des raquettes, il s’enfonce beaucoup moins, proposer une explication puis choisir entre les formules ci-dessous celle qui traduit les observations faites.( p désigne la pression, s : la surface et F : la force pressante.)

                              p = F.s                           p = F + s                      p =

L’enfoncement dans la neige traduit la pression exercée par l’homme sur la neige.

L’homme s’enfonce davantage dans la neige lorsque la force pressante qu’il exerce sur elle se répartit sur une plus petite surface. Plus la surface de répartition de la force pressante est faible, plus la pression exercée est grande.

 

F en newton (N)

S en .m²

p en pascals (Pa)

p =

 

 

L’effet des innombrables chocs des molécules de gaz sur les parois est une force exercée par le gaz, elle tend à repousser ces parois. Cet effet des molécules sur les parois traduit la pression du gaz.

Les chocs des molécules d’un gaz sont observables à l’échelle microscopique, on ne peut pas suivre chaque molécule ( dans un verre il y a environ 1021 molécules,  le paramètre macroscopique correspondant est la pression de ce gaz.

 

2-3 Unité légale de pression : le pascal

Par définition, l’unité de pression, le pascal, est la pression exercée par une force pressante d’un newton exercée sur une surface de 1 m².                                        1 Pa = 1 N . m-² .

 

Autre unité de pression très utilisée : le bar                      1 bar = 100 000 Pa = 105 Pa

 

     Comparer 1 mbar et un hectopascal ( unité très utilisée par les météorologues ).

 

    Exemples :

air dans un pneu de V.T.T.

7 . 105 Pa

air dans un pneu d’automobile V

3,5 . 105 Pa

pression atmosphérique à l’altitude 2 000 m

7 50  hPa

gaz dans une lampe à incandescence éteinte

100 hPa

tube de télévision

 10-5 Pa

 

2-4 La pression atmosphérique :

La pression atmosphérique est la pression de l’air qui nous entoure

 

La pression atmosphérique varie peu jusqu’à des altitudes de l’’ordre de la centaine de mètres, mais change sensiblement pour des altitudes de l’ordre du millier de mètres. Elle dépend également de l’endroit où elle est mesurée sur la surface de la Terre. Les différences de pression d’un point à un autre de la surface terrestre constituent  l’une des causes de formation des vents.

 

Pour caractériser le temps qu’il fait et prévoir le temps qu’il fera, les météorologistes  mesurent et analysent certaines grandeurs physiques, parmi celles-ci , la pression a une grande importance.

 

Sur une carte météorologique, on peut distinguer différentes zones  ( exercice n°17 p 287 ), on peut observer :

Ø      des zones de hautes pressions : anticyclone ( beau temps )

Ø      des zones de basses pressions : dépression ( mauvais temps )

 

Au niveau de la mer, la pression atmosphérique moyenne est égale à 1 013 hPa ( 101 325 Pa ), elle diminue avec l’altitude.

 

Lors de l’expérience avec les hémisphères de Magdebourg, le résultat observé est lié à la différence entre la force pressante extérieur ( due à la pression atmosphérique ) et la force résultante due à l’air raréfié intérieur

 

2-5 Mesure de la pression d’un gaz :

La pression d’un gaz se mesure avec un manomètre              ( doc 10 p 279 ).

 

Principe : il est souvent constitué d’une boîte fermée avec une membrane déformable que nous mettons en relation avec le gaz dont nous voulons mesurer la pression, cette membrane est plus ou moins fréquemment heurtée par les molécules du gaz donc subit une force pressante plus ou moins grande, la mesure de la déformation de la membrane est traduite en pression. Le plus souvent on mesure la différence de pression entre le gaz étudié et la pression atmosphérique de l’air environnant.

 

Il existe aussi des manomètre à liquide par exemple pour mesurer la pression du gaz de ville arrivant au robinet de  la salle.

Expérience : la pression du gaz de ville est-elle inférieure, égale ou supérieure à la pression atmosphérique ?

On a dans ce cas     p – patm = k . h

 

 

Pour mesurer la pression atmosphérique, on utilise un baromètre.   ( baromètre à aiguille dans un sac fermé )

 

 

2-6 Paramètre décrivant l’état d’un gaz :

 

Un verre rempli d’air renferme environ 1021 molécules de gaz en mouvement, on ne peut pas décrire le mouvement de chacune, on ne peut que caractériser l’état de l’ensemble des molécules par des grandeurs moyennes dites macroscopiques

Pour décrire l’état d’un gaz, on utilise des grandeurs macroscopiques :

·         la température mesurée à l’aide d’un thermomètre ( en °C ……) (la température rend compte de l’agitation moyenne des molécules, ce sera l’objet d’un prochain cours : agitation thermique, la température absolue nulle correspond à l’absence d’agitation )

·         la pression du gaz ( en Pa )

·         le volume du gaz ( en m3 )

·         la quantité de matière ( en mol ), on a vu en chimie que celle-ci, pour un volume donné est indépendante de la nature du gaz ,mais dépend des conditions de température et de pression.

 

Un TP nous permettra de voir comment varient ces paramètres les uns par rapport aux autres.