Air et ses molécules/L'air
Introduction et rappel
modifierL'air est un mélange de gaz : il n'a ni forme, ni volume propre, il est transparent.
L'atmosphère Terrestre est constituée des différents éléments physico-chimiques suivants : du dioxygène (20,946 % en volume), du diazote (78,084 % en volume), de la vapeur d'eau, du dioxyde de carbone (0,0415 % en volume) et quelques gaz rares tels que l'argon (0,9340 % en volume).
Dans 1 l d'air, on a donc environ :
- diazote ≈ 78 % (0,78L) ≈ 4/5
- dioxygène ≈ 21 % (0,21L) ≈ 1/5
Il y a donc environ 4 fois plus de diazote que de dioxygène en volume (on peut arrondir à 80 % de diazote et 20 % de dioxygène).
L'atmosphère est la couche de gaz qui entoure certaines planètes comme la Terre.
L'air est indispensable à l'alimentation des organismes vivants.
Un volume d'air défini a une masse.
La fumée
modifierMalgré l’idée reçue, la fumée n’est pas un gaz ! La fumée est formée de microparticules solides en suspension dans l'air : c’est un mélange visible, donc pas un gaz car un gaz est transparent et rarement visible.
Masse de l'air
modifierLa masse d'1L d'air est égale à 1,217 g.
La masse volumique de l'air est donc égale à 1,217 g l−1
Propriétés de l'air
modifierCompression
Définition littérale :
Un gaz est considéré comme un fluide compressible car on peut diminuer son volume.
La compression de l'air est l'application des forces équilibrées sur lui, vers l'intérieur et à différents points, dans un conteneur ayant un volume propre (volume fini).
Il y a une diminution du volume d'air sans modification de la quantité de matière (conservation de la masse). Cela implique que la masse volumique de l'air est plus importante que sous une pression atmosphérique normale. La compression (changement de volume d'air) est également réalisable en fonction de la température sous une pression constante.
Définition mathématique :
La formule permettant de calculer la compressibilité de l'air (ou d'un gaz parfait) est l'équation de Clapeyron :
Si on considère la température T constante dans l'environnement de compressibilité de l'air, alors le produit (pression P * volume V) est constant.
Le volume d'air comprimé est calculé ainsi :
Si la pression P augmente, alors le volume V diminue et ainsi, la compression est effective.
Exemples d'utilisation de l'air comprimé :
- Utilisation d'une pompe à vélo permettant de gonfler un pneu (envoi de l'air comprimé contenu dans la pompe vers la chambre à air installée dans le pneu).
- Ouverture d'une bouteille de champagne réalisée avec le saut du bouchon en liège. La compression du dioxyde de carbone dans la bouteille permet de faire sauter le bouchon.
- Utilisation d'une bouteille de plongée dans laquelle l'air est fortement comprimé et permettant à un plongeur de respirer sous l'eau.
Expansion (dilatation) :
Définition littérale :
Un gaz est considéré comme un fluide expansible car on peut augmenter son volume.
La dilatation (expansion) de l'air est l'action permettant à l'air présent initialement dans un environnement (conteneur) sous pression avec un volume propre (volume fini) d'être libéré et d'aller dans un environnement (conteneur) avec un volume indéfini et dont la pression est plus faible.
L'augmentation du volume de l'air peut être causée par l'augmentation de sa température si la pression atmosphérique est constante. Autrement, l'augmentation du volume de l'air peut être causée par la diminution de la pression atmosphérique si la température est constante.
Lors de l'augmentation du volume d'air, il n'y a ni ajout ni perte de matière (conservation de la masse). Cela implique que la masse volumique de l'air est moins importante que sous une pression atmosphérique normale (si la température est constante).
Définition mathématique :
En reprenant l'équation de Clapeyron, et en considérant que la température est constante dans l'environnement d'expansion d'air, alors le produit (pression P * volume V) est constant.
Le volume d'air libéré est calculé ainsi :
Si la pression P diminue, alors le volume V augmente et ainsi, la dilatation (expansion) est effective.
Exemple d'utilisation de l'expansion de l'air :
- Un ballon-sonde est peu gonflé en basse altitude (au niveau du sol) et il se gonfle automatiquement en haute altitude en raison de la faible pression atmosphérique.
Pression
modifierLes chocs entre les molécules agitées sont responsables de la pression d’un gaz.
L'air, comme tous les gaz, a une pression variable.
- Quand on comprime un gaz, sa pression augmente.
- Quand on détend un gaz, sa pression diminue.
Quand on comprime de l'air et que la résistance à la détente se relâche, la pression revient à la pression normale : c’est la détente de l'air.
Pression atmosphérique
modifierLa pression atmosphérique se mesure avec un baromètre (image) et son unité est le bar.
Lorsque l'air est dans un récipient, on mesure la pression avec un manomètre (capteur de pression). L'unité de mesure est le pascal (Pa) mais on utilise le plus souvent l'hectopascal (hPa).
1 hPa = 100 Pa
La pression atmosphérique normale est d'1 bar = 1 013,25 hPa. (rappel : la pression atmosphérique normale est fixée, par définition, comme étant la pression au « niveau de la mer » (niveau moyen) et à la température de 15 °C)
En météorologie, lorsque la pression atmosphérique est au-dessus de 1 bar, on parle d'anticyclone. À l'inverse, on parle de dépression.
