Propriétés de la matière : Gaz

Les gaz remplissent uniformément un récipient de n'importe quelle taille ou forme.

Le gaz est un état de la matière qui n'a ni forme fixe ni volume fixe. Les gaz ont une densité plus faible que les autres états de la matière, tels que les solides et les liquides. Il y a beaucoup d'espace vide entre les particules, qui ont beaucoup d'énergie cinétique et ne sont pas particulièrement attirées les unes par les autres. Les particules de gaz se déplacent très rapidement et entrent en collision les unes avec les autres, provoquant leur diffusion ou leur propagation jusqu'à ce qu'elles soient uniformément réparties dans tout le volume du récipient.

Selon le site Web éducatif Lumen Learning, le gaz ne peut être contenu qu'en étant entièrement entouré d'un récipient ou maintenu ensemble par gravité.

Lorsque plus de particules de gaz pénètrent dans un conteneur, il y a moins d'espace pour que les particules se propagent et elles se compriment. Les particules exercent plus de force sur le volume intérieur du récipient. Cette force est appelée pression. Il existe plusieurs unités utilisées pour exprimer la pression. Certains des plus courants sont les atmosphères (atm), les livres par pouce carré (psi), les millimètres de mercure (mmHg) et les pascals (Pa). Les unités sont liées les unes aux autres de la manière suivante : 1 atm = 14,7 psi = 760 mmHg = 101,3 kPa (1 000 pascals).

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Un gaz peut être converti en liquide par compression à une température appropriée, selon l'Université Purdue. Mais si la température critique est atteinte, la vapeur ne peut pas être liquéfiée quelle que soit la pression appliquée. La pression critique est la pression nécessaire pour liquéfier un gaz à sa température critique.

Exemples de températures et pressions critiques de différentes substances selon Engineering Toolbox

Outre la pression, désignée dans les équations par P, les gaz ont d'autres propriétés mesurables : la température (T), le volume (V) et le nombre de particules, qui est exprimé en nombre de moles (n ou mol). Dans les travaux impliquant la température des gaz, l'échelle Kelvin est souvent utilisée.

Étant donné que la température et la pression varient d'un endroit à l'autre, les scientifiques utilisent un point de référence standard, appelé température et pression standard (STP), dans les calculs et les équations. La température standard est le point de congélation de l'eau - 32 degrés Fahrenheit (0 degré Celsius ou 273,15 Kelvin). La pression standard est une atmosphère (atm) — la pression exercée par l'atmosphère sur Terre au niveau de la mer.

La température, la pression, la quantité et le volume d'un gaz sont interdépendants et de nombreux scientifiques ont développé des lois pour décrire les relations entre eux.

Nommé d'après Robert Boyle, qui l'a déclaré pour la première fois en 1662. La loi de Boyle stipule que si la température est maintenue constante, le volume et la pression ont une relation inverse ; c'est-à-dire que lorsque le volume augmente, la pression diminue, selon l'Université de Californie, Davis' ChemWiki.

L'augmentation de la quantité d'espace disponible permettra aux particules de gaz de se propager plus loin, mais cela réduit le nombre de particules disponibles pour entrer en collision avec le conteneur, de sorte que la pression diminue.

La diminution du volume du récipient force les particules à se heurter plus souvent, donc la pression est augmentée. Un bon exemple de cela est lorsque vous gonflez un pneu avec de l'air. Au fur et à mesure que l'air entre, les molécules de gaz s'entassent, ce qui réduit leur volume. Tant que la température reste la même, la pression augmente.

En 1802, Joseph Louis Gay-Lussac, chimiste et physicien français, a fait référence aux données recueillies par son compatriote, Jacques Charles, dans un article décrivant la relation directe entre la température et le volume d'un gaz maintenu à une pression constante. La plupart des textes en parlent comme la loi de Charles, mais quelques-uns l'appellent la loi Gay-Lussac, voire la loi Charles Gay-Lussac.

Cette loi stipule que le volume et la température d'un gaz ont une relation directe : lorsque la température augmente, le volume augmente lorsque la pression est maintenue constante. Le chauffage d'un gaz augmente l'énergie cinétique des particules, provoquant l'expansion du gaz. Afin de maintenir la pression constante, le volume du récipient doit être augmenté lorsqu'un gaz est chauffé.

Cette loi explique pourquoi c'est une règle de sécurité importante que vous ne devriez jamais chauffer un récipient fermé. Augmenter la température sans augmenter le volume disponible pour accueillir le gaz en expansion signifie que la pression s'accumule à l'intérieur du récipient et peut le faire exploser. La loi explique également pourquoi un thermomètre à dinde sort lorsque la dinde est cuite : le volume d'air emprisonné sous le piston augmente à mesure que la température à l'intérieur de la dinde augmente.

En 1811, le scientifique italien Amedeo Avogadro a proposé l'idée que des volumes égaux de gaz à la même température et pression auront un nombre égal de particules, quelles que soient leur nature chimique et leurs propriétés physiques.

L'énergie cinétique par unité de température d'une mole de gaz est une valeur constante, parfois appelée constante de Regnault, du nom du chimiste français Henri Victor Regnault. Il est abrégé par la lettre R. Regnault a étudié les propriétés thermiques de la matière et a découvert que la loi de Boyle n'était pas parfaite. Lorsque la température d'une substance se rapproche de son point d'ébullition, la dilatation des particules de gaz n'est pas exactement uniforme.

Le nombre d'Avogadro, la constante des gaz parfaits, et les lois de Boyle et de Charles se combinent pour décrire un gaz idéal théorique dans lequel toutes les collisions de particules sont absolument égales. Les lois sont très proches de la description du comportement de la plupart des gaz, mais il existe de très petits écarts mathématiques dus aux différences de taille réelle des particules et aux minuscules forces intermoléculaires dans les gaz réels. Néanmoins, ces lois importantes sont souvent combinées en une seule équation connue sous le nom de loi des gaz parfaits. En utilisant cette loi, vous pouvez trouver la valeur de n'importe laquelle des autres variables - pression, volume, nombre ou température - si vous connaissez la valeur des trois autres.

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