Ch.4 : Pression
Notions et contenus Compétences attendues
La pression : la pression est une grandeur physique qui permet de comprendre l’influence de l’altitude sur les performances sportives et les effets physiologiques ressentis en plongée subaquatique.
Pression d’un gaz, pression dans un liquide.
Force pressante exercée sur une surface, perpendiculairement à cette surface.
Pression dans un liquide au repos, influence de la profondeur.
Dissolution d’un gaz dans un liquide.
Loi de Boyle-Mariotte, un modèle de comportement de gaz, ses limites.
Savoir que dans les liquides et dans les gaz la matière est constituée de molécules en mouvement.
Utiliser la relation P = F/S, F étant la force pressante exercée sur une surface S, perpendiculairement à cette surface.
Savoir que la différence de pression entre deux points d’un liquide dépend de la différence de profondeur.
Savoir que la quantité maximale de gaz dissous dans un volume donné de liquide augmente avec la pression.
Savoir que, à pression et température données, un nombre donné de molécules occupe un volume indépendant de la nature du gaz.
Pratiquer une démarche expérimentale pour établir un modèle à partir d’une série de mesures.
Diaporama de cours
I. Force pressante exercée sur une surface
Expérience 1 : feuille de papier sur un verre d'eau retourné : l'air exerce une force pressante sur sur le papier. Cette force tend à plaquer la papier au verre.
Définition : La force pressante est l’action mécanique de contact qu’exerce un solide, un liquide ou un gaz sur la surface d'un corps. Cette force est représentée par un vecteur :
- direction : perpendiculaire à la surface - sens : du corps agissant vers la surface - point d’application : au centre de la surface - intensité : en newton N
Activité : traces de pas dans la neige + expérience 3 (farine)
II. La pression : p
A. Définition
La pression p est la force pressante F par unité de surface. Elle s'exprime en Pascal (Pa).
F : force pressante en newton (N)
S : surface sur laquelle s'applique la force pressante en mètre carré (m2) p : pression en pascal (Pa)
Il existe d'autres unités de pression :
• l'hectopascal : 1 hPa = 102 Pa (unité courante de pression atmosphérique)
• le bar : 1 bar = 105 Pa. (unité courante utilisée en plongée sous-marine) B. Mesure de la pression
La pression d'un fluide (liquide ou gaz) se mesure avec un manomètre aussi appelé pressiomètre.
La baromètre mesure la pression atmosphérique.
Expériences 4 (canette) et 5 (cloche à vide + gant)
III. Pression et plongée subaquatique
TP05 : Pression et plongée sous-marine A. Influence de la profondeur Voir la conclusion de la partie I. du TP05.
Conclusion :
• Tout corps immergé dans un liquide est soumis à une pression exercée par le liquide situé au dessus de lui : la pression hydrostatique.
• La pression hydrostatique est la même en tout point d'une même profondeur. Elle augmente avec la profondeur.
p=F S
Expérience 2 : bouteille trouée
Ex 1 et 3 p.200 (P=F/S)
9 p.201 (Phydro)
•
Outre la pression hydrostatique, un objet immergé subit aussi la pression atmosphérique.
On définit la pression absolue par P = P
atm + Phydro.
B. Effets physiologiques en plongée1. Pression et volume : Loi de Boyle-Mariotte
La majeure partie du corps humain, composée de liquides/solides incompressibles, n'est pas directement affectée par les variations de pression. En revanche, l'air contenu dans les différentes cavités du corps (oreille moyenne, sinus, appareil respiratoire...) voit son volume varier en fonction de la pression ambiante, suivant la loi de Boyle-Mariotte :
à température constante et pour une quantité de matière donnée de gaz, le produit de la pression P par le volume V occupée par ce gaz, ne varie pas :
P x V = constante
Lors de la remontée, l'air contenu dans les poumons du plongeur se dilate. Si le plongeur n'est pas attentif et n'expire pas ou pas assez (en cas d'apnée involontaire, de panique, de remontée trop rapide...), la surpression pulmonaire ainsi créée peut entraîner des lésions graves.
2. Solubilité d'un gaz dans un liquide
La solubilité d'un gaz dans un liquide augmente avec la pression.
Voir la conclusion de la partie I. du TP05. : lorsque la pression diminue, le gaz est moins soluble dans l'eau. (à T fixe)
à température constante, la quantité maximale de gaz dissous dans un volume donné de liquide augmente avec la pression. Donc lorsque la pression diminue, un gaz est moins soluble dans un liquide : il y a apparition de bulles. D'où la nécessité des paliers de décompressions lors de la remontée du plongeur pour laisser le temps au diazote qui devient moins soluble dans le sang, d'être éliminé par les poumons (le dioxygène est, lui, utilisé par les cellules).
La quantité de gaz dissous dans un liquide dépend de la pression exercée par le gaz à la surface du liquide. L'augmentation de la pression ambiante cause la dissolution des gaz. Lors de l'immersion, les gaz diffusent dans le corps du plongeur (sang et tissus) et s'accumulent progressivement, et ce d'autant plus que la profondeur et la durée de la plongée augmentent. Lors de la remontée, si la pression baisse trop rapidement le gaz s'échappe de manière explosive et forme des bulles dans l'organisme.
Suivant la localisation de leur apparition, ces bulles peuvent entraîner notamment des accidents circulatoires, des paralysies, des douleurs articulaires. L'enjeu pour le plongeur est de remonter suffisamment doucement pour qu'il n'y ait pas de formation de bulles, ou que les bulles formées soient suffisamment petites pour être asymptomatiques.
CPS : Mariotte : 5min20 à 9min20 Remontée : 22min00 à fin
IV. La pression au niveau microscopique
Animation : états de la matière
Dans les fluides (liquides ou gaz), la matière est constituée de particules (molécules, atomes ou ions) animées de mouvement incessant et désordonné. L’agitation augmente avec la température.
Animation : gaz chocs (TP05)
La pression des gaz est liée au nombre de choc des molécules sur les parois du récipient.
V. Volume d'un gaz et nombre de molécules
Activité p.210 : Loi d'Avogadro-Ampère (à partir de la question 3) Corrigé :
1. On procède à une première pesée de la bouteille, avec l’air qu’elle contient (première ligne du tableau). On remplit cette bouteille à l’aide d’un gaz choisi parmi ceux proposés (dioxygène, dioxyde de carbone, méthane) et on pèse de nouveau la bouteille (deuxième ligne du tableau).
Pour mesurer la masse d’air contenue dans la bouteille, on pourra utiliser la méthode de récupération d’un gaz par déplacement d’eau. L’air peut être prélevé dans un ballon dont on connaît la masse. Une seconde pesée, après le prélèvement, permet de calculer la masse de gaz prélevée. On trouve 1,30 g dans les conditions de l’expérience.
Pour obtenir la masse de la bouteille seule, il faut retrancher à la masse de la bouteille « vide » la masse de l’air qu’elle contient. Ainsi, la masse de la bouteille seule est : mb = 496,23 – 1,30 = 494,93 g.
17 et 19 p.201 (Boyle-Mariotte)
20 p.201 (dissol)
17 et 18 p.218 (volume molaire)
2. Soit mg la masse du gaz, mm la masse d'une molécule et N le nombre de molécules. On a N = mg/mm. Pour obtenir le nombre de molécules, il suffit de diviser la masse du gaz par celle de la molécule.
3. a. La différence entre les valeurs obtenues est inférieure à 1,5 %. Aux incertitudes de mesures près, on peut dire que les trois bouteilles contiennent le même nombre de molécules. Le résultat obtenu peut s’écrire N = (2,69 ± 0,04).1022 molécules.
b. En utilisant la formule n = N/NA (NA = 6,02.1023) on obtient les résultats suivants : n(O2) = 4,53.10–2 mol, n(CO2) = 4,41.10–2 mol et n(CH4) = 4,50.10–2 mol.
4. a. Le volume molaire Vm s’obtient par la relation Vm = V/n. Pour chaque gaz, V = 1,10 L, d’où Vm(O2) = 24,3 L·mol–1, Vm(CO2) = 24,9 L·mol–1 et Vm(CH4) = 24,4 L·mol–1.
b. Dans les conditions de l’expérience, Vm = 24,6 ± 0,3 L.
5. a. Compte tenu des résultats trouvés précédemment, cette affirmation est correcte.
b. Les masses des molécules de gaz sont généralement différentes (si leurs masses molaires sont différentes), donc cette affirmation est fausse.
TP0 6 : mesure d'un volume molaire
Loi d'Avogadro-Ampère : à pression et température donnée, une quantité de matière donnée de gaz occupe un volume indépendant de la nature de ce gaz.
Exemple : à 20°C et sous une pression de 1013 hPa, une mole de n'importe quel gaz occupe un volume de 24 L. Ce volume est appelé volume molaire des gaz.
Matériel
Expérience 1 Expérience 2 Expérience 3 Expérience 4 Expérience 5 - Verre
- eau
- fluorescéine
- feuille cartonnée entourée d'un film plastique
- bassine (s'il n'y a pas d'évier)
- Bouteille d'eau trouée en partie basse (trou rond) + bouchon
- bassine
- Farine dans une bassine
- béchers de différents diamètres
- masses marquées
- Canette - pince - eau
- plaque chauffante - cristallisoir rempli d'eau
- Cloche à vide - pressiomètre - gant ou ballon de baudruche légèrement gonflé
Manipulation :
Le film plastique évite au papier cartonné de se détremper, et prolonge ainsi la durée de l’expérience qui est réalisable aussi lorsque le verre n’est pas complètement rempli d’eau.
Explication :
Le verre contient 100 mL d’eau et son aire sur le carton est 40 cm2.
Le papier cartonné dont le poids et les forces de capillarité sont négligeables est soumis à 2 forces théoriques exercées en A :
• le poids des 100 mL d’eau dans le verre : P = 1 N
• la force pressante due à la pression atmosphérique p exercée sur le carton : F = pS = 105 x 40 . 10-4 = 400 N
En réalité la différence entre les valeurs de ces 2 forces est plus faible car l’eau contient un peu d’air dissous.
Le carton est donc "plaqué" sur l’eau par la force prédominante due à la pression atmosphérique.
Application :
Pour retourner un tube à essais rempli d’eau dans un électrolyseur sans y plonger les doigts, il suffit de placer un petit morceau de papier à la base du tube.
