LES GAZ ET LA PRESSION
I. Description d’un gaz à l’échelle microscopique
1. Comment décrire de l’air dans une seringue ?
Remarque : l’air est un gaz.
a) Enfermer de l'air dans une seringue (situation 1). Faire un schéma.
b) En gardant l'air enfermé, appuyer sur le piston (situation 2). Faire un nouveau schéma.
c) Indiquer par écrit ce qui a changé pour l'air et ce qui n'a pas changé, entre les deux situations : – au niveau macroscopique
– au niveau microscopique.
d) On se place au niveau microscopique. On rappelle que l'air est un gaz constitué de molécules de dioxygène et de diazote que l'on choisit de représenter de la même façon.
Faire un schéma des molécules dans la seringue pour chacune des situations.
Modèle microscopique des gaz Les gaz sont constitués de molécules.
Propriété des molécules :
- une molécule est petite ; l'œil ne peut pas la voir.
- En l'absence de réaction chimique, une molécule est insécable, c'est-à-dire ne se coupe pas.
- une molécule garde toujours les mêmes dimensions et ne se déforme pas.
- une molécule a une masse.
- une molécule est électriquement neutre.
Les molécules dans l'état gazeux :
- les molécules sont éloignées les unes des autres : il n'y a pas de matière entre les molécules, c'est le vide.
- les molécules sont en mouvement incessant et désordonné : elles se répartissent uniformément dans tout le volume qui leur est offert. Ce volume est limité par des parois, qui sont solides ou liquides
- les molécules peuvent entrer en collision entre elles et avec les parois. Elles ne s'attirent et ne se repoussent pas.
Simulation : observation du mouvement des particules
Sur l’écran dénommé « Initialisation », choisir « Une case » puis fixer les paramètres : - La température : 300 K par exemple
- Un type de particules : diazote par exemple - Le nombre de particules : de 20 à 50 Valider le choix. Lancer la simulation.
Comment se déplacent les particules ?
Entre deux chocs, quelle est la nature du mouvement des molécules ?
Peut-on observer sur l’écran des différences entre les vitesses des particules ? Peut-on comparer les vitesses des molécules avant et après un choc sur la paroi ? Peut-on observer ce qui se passe au cours d'un choc entre deux molécules ?
On peut aussi comparer les nombres de chocs par unité de surface sur les parois au bout d’un temps donné1. Appuyer sur « Pause ».
Noter les nombres de chocs par unité de surface sur les quatre parois. Sont-ils comparables ?
1) Le nombre de chocs affiché est un nombre cumulé et calculé par unité de longueur de paroi. Le chronomètre indique le temps dans une unité arbitraire.
Situation 1
2. Représentation microscopique de l’air dans différents états
On considère à nouveau les deux situations précédentes et on isole par la pensée de « toutes petites parties » de l’air de la seringue.
a) Représentation de deux petites parties de même masse
Pour la situation 1, représenter (dans la bulle) une petite partie de l'air contenu dans la seringue.
Pour la situation 2, on veut représenter une petite partie de même masse que celle considérée dans la situation 1. Choisir, parmi les trois bulles proposées à gauche, celle qui vous semble le mieux convenir, et y représenter les molécules.
Réponse Correction éventuelle
Expliquer les raisons de votre choix.
b) Représentation de deux petites parties de même volume
Dans les situations 1 et 2, représenter sur les schémas de gauche ci-dessous, deux petites parties de l’air de la seringue, de même volume.
Avez-vous dessiné le même nombre de molécules dans chaque situation ? Pourquoi ?
Exercice
a) Pour représenter des petites parties de même volume dans les situations 1 et 2, des élèves ont proposé les schémas ci-dessous.
Situation 2
?
Cas A
Cas B
Cas C
Ces représentations vous paraissent-elles convenir pour traduire que dans la situation 2, c’est le même gaz que dans la situation 1, le gaz est plus tassé, le gaz pourrait encore être tassé.
Situation 1 Situation 2 La représentation Pourquoi ?
Elève A convient
ne convient pas
Elève B convient
ne convient pas
Elève C convient
ne convient pas
b) Pour représenter des petites parties de même masse dans les situations 1 et 2, des élèves ont proposé les schémas ci-dessous.
Ces représentations vous paraissent-elles convenir pour traduire que dans la situation 2, c’est le même gaz que dans la situation 1 et le gaz est plus tassé et le gaz pourrait encore être tassé.
Situation 1 Situation 2 La représentation Pourquoi ?
Elève A convient
ne convient pas
Elève B convient
ne convient pas
Elève C convient
ne convient pas
c) Si on représentait tout le gaz contenu dans la seringue, comment ferait-on pour traduire le fait que la quantité totale de gaz est la même dans la situation 1 et la situation 2 ?
3. Le mélange de deux gaz
Activité expérimentale : Comme indiqué sur le schéma ci-dessous, un flacon contenant de l'air est posé au dessus d’un flacon contenant des paillettes de diiode que l’on chauffe, des vapeurs apparaissent. Au départ, les deux flacons sont séparés par une paroi étanche. On retire ensuite cette paroi étanche (schéma du bas).
a) Qu’observe-t-on ?
b) À partir des observations, représenter sur le schéma du dessous, une petite partie du gaz de chaque flacon (les deux flacons ont le même volume).
vapeurs colorées air
c) Utiliser le modèle pour justifier le schéma.
Simulation : Sur l’écran dénommé « Initialisation », choisir « Paroi trouée » puis fixer les paramètres : - Des volumes identiques
- La même température
- Le même nombre de particules - Des types différents de particules
Valider le choix. Lancer la simulation. Vos observations confirment-elles vos conclusions ?
4. Utilisation de la description microscopique
Un bécher vide et sec est retourné et plongé dans de l’eau. Décrire vos observations.
Utiliser le modèle microscopique pour expliquer les observations.
II. Description macroscopique d’un gaz
1. Pression d’un gaz
Effet des chocs des particules sur une paroi
Choisir « paroi mobile » à 0,5 et ne pas libérer la paroi . Choisir pour chaque case : - Des volumes identiques
- La même température - Le même type de particules
- Des nombres différents de particules (NG = 25, ND = 50) Valider et lancer la simulation.
Imaginer ce qui va se passer si on libère la paroi. Justifier la réponse.
Vérifier avec le logiciel : libérer la paroi .
Selon vous, quel est l'effet de chocs de molécules en mouvement sur une paroi ?
Préciser la relation entre effet des chocs et nombre de chocs Revenir sur la situation précédente
Choisir « paroi mobile » à 0,5 et ne pas libérer la paroi . Choisir pour chaque case : - Des volumes identiques
- La même température - Le même type de particules
- Des nombres différents de particules (NG = 25, ND = 50) Valider et lancer la simulation. Libérer la paroi.
Lorsque la paroi est immobile, remettre le compteur à zéro.
Comparer les nombres de chocs sur la paroi commune avant et après libération de la paroi.
Comparer les effets des chocs sur chaque côté de la paroi commune.
De quelles variables dépend le nombre de chocs affiché sur un coté de la paroi ?
Introduire un facteur dynamique dans les effets des chocs
Choisir « paroi mobile » à 0,5 et ne pas libérer la paroi . Choisir pour chaque case : - Des volumes identiques
- La même température
- Le même nombre de particules
- Des types différents de particules (H2 et N2 par exemple) Valider et lancer la simulation.
Observez-vous des différences dans le mouvement des deux types de particules ? Les caractériser.
Imaginer ce qui va se passer si on libère la paroi. Justifier votre réponse.
Vérifier avec le logiciel. Libérer la paroi . Votre prévision est-elle vérifiée ? Dans la position d'équilibre de la paroi, remettre le compteur à zéro.
Comparer les nombres de chocs sur la paroi commune.
Que dire des effets des chocs sur chaque côté de la paroi commune ? Comment expliqueriez-vous l'équilibre de la paroi commune.
Expérience :
Quand on appuie sur le piston d’une seringue reliée à un pressiomètre on observe que la pression
………. .
Donner une explication du phénomène à l’échelle microscopique :
2. Pression et force pressante
Définition : un gaz exerce une force pressante de valeur F sur une paroi de surface S, la pression est alors
S
P F
P : pression en pascal (Pa)
F : force pressante en newton (N)
S : surface en mètre carré (m
2)
On utilise également l’hectopascal (1 hPa = 100 Pa) et le bar (1 bar = 10
5Pa).
3. De quels paramètres dépend la pression d’un gaz ?
Quels sont les paramètres pouvant influencer la pression ?
a. De la température ?
Indiquer quelles grandeurs décrivant l'état de l’air doivent rester constantes pour mener à bien cette étude ; on considère que ces conditions seront respectées durant toute la durée de
l'expérience.
Expérience :
Fermer hermétiquement un flacon rempli d’air après y avoir introduit les capteurs de pression et de température.
Mesurer la température et la pression de l’air. Réchauffer l’air emprisonné dans le flacon. Mesurer de nouveau la température et la pression de l’air.
Conclusion
Comment varie la pression d’un gaz si on augmente sa température ?
Donner une explication microscopique :
Observation du mouvement des particules
Choisir « paroi mobile » et ne pas libérer la paroi . Choisir pour chaque case : - Des volumes identiques
- Le même type et le même nombre de particules
- Des températures différentes (par ex 300 K et 1200 K)
Valider et lancer la simulation. Observer le mouvement des particules quelques instants.
Quelles différences observez-vous dans le mouvement des particules dans les deux cases ?
Appuyer sur « Pause ». Noter le nombre de chocs par unité de surface sur la paroi commune dans chaque case.
Comparer le nombre de chocs sur la paroi commune.
Qu’en déduisez-vous pour les effets des chocs dans chaque case ?
Mouvement de la paroi
Si on libère la paroi, selon vous, va-t-elle bouger ? (si oui, dans quel sens ?) Justifiez votre réponse.
Libérer la paroi . Se déplace-t-elle dans le sens prévu ?
Équilibre de la paroi
Lorsque la paroi en équilibre, faire à nouveau un comptage : remettre le compteur à zéro et noter le nombre de chocs par unité de surface sur la paroi commune dans chaque case.
Comparer le nombre de chocs dans chaque case.
Comment expliquez-vous l’égalité des effets des chocs ?
b. Du volume ?
Pour mener à bien cette étude où on fait varier la pression et le volume, il est nécessaire qu’il n’y ait pas d’autres grandeurs (intervenant dans la description de l’état de l’air) qui varient. Quelles sont les grandeurs qui doivent rester constantes ?
On considère que ces conditions seront respectées durant toute la durée de l'expérience.
Expérience :
En poussant lentement le piston de la seringue, le volume du gaz dans la
seringue ... et on constate que la pression ...
Conclusion
Comment varie la pression d’un gaz si on diminue son volume ?
Donner une explication microscopique :
Observation du mouvement des particules
Choisir « paroi mobile » et ne pas libérer la paroi . Choisir pour chaque case : - Des volumes différents, VG VD (paroi devant le repère 0,6 par exemple) - Le même type et le même nombre de particules
- Des températures identiques
Valider et lancer la simulation. Observer le mouvement des particules quelques instants.
Appuyer sur « Pause ». Noter le nombre de chocs par unité de surface sur la paroi commune dans chaque case.
Comparer le nombre de chocs sur la paroi commune. Qu’en déduisez-vous pour les effets des chocs dans chaque case ?
Mouvement de la paroi
Si on libère la paroi, selon vous, va-t-elle bouger ? (si oui, dans quel sens ?) Justifiez votre réponse.
Libérer la paroi .
Se déplace-t-elle dans le sens prévu ? Comparer les différentes variables (N, V, T, p) à l'équilibre.
c. De la quantité de matière ?
On cherche à présent à déterminer le lien entre la pression de l’air et sa quantité de matière.
Indiquer quelles grandeurs décrivant l'état d'un gaz doivent rester constantes pour mener à bien cette étude ; on considère que ces conditions seront respectées durant toute la durée de l'expérience.
Expérience :
On dispose d’un ballon de football et d’une pompe. On ajoute de l’air dans le ballon.
En vous plaçant au niveau microscopique, interpréter le fait que le ballon devienne plus dur.
Comment vérifier cela avec le logiciel de simulation ?
