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2 : La théorie cinétique des gaz

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    Les gaz sont littéralement tout autour de nous : l'air que nous respirons est un mélange de gaz. Parmi les autres gaz, citons ceux qui ramollissent le pain et les gâteaux, ceux qui font pétiller les boissons et ceux qui brûlent pour chauffer de nombreuses maisons. Les moteurs et les réfrigérateurs dépendent du comportement des gaz, comme nous le verrons dans les chapitres suivants. Comme nous l'avons vu dans le chapitre précédent, l'étude de la chaleur et de la température fait partie d'un domaine de la physique connu sous le nom de thermodynamique, dans lequel nous avons besoin d'un système macroscopique, c'est-à-dire composé d'un grand nombre (par exemple\(10^{23}\)) de molécules. Nous commençons par examiner certaines propriétés macroscopiques des gaz : volume, pression et température. Le modèle simple d'un « gaz idéal » hypothétique décrit ces propriétés d'un gaz de manière très précise dans de nombreuses conditions. Nous passons du modèle de gaz idéal à une approximation plus largement applicable, appelée modèle de Van der Waals. Pour mieux comprendre les gaz, il faut également les examiner à l'échelle microscopique des molécules. Dans les gaz, les molécules interagissent faiblement, de sorte que le comportement microscopique des gaz est relativement simple et constituent une bonne introduction aux systèmes de nombreuses molécules. Le modèle moléculaire des gaz est appelé théorie cinétique des gaz et constitue l'un des exemples classiques de modèle moléculaire qui explique le comportement quotidien.

    • 2.1 : Prélude à la théorie cinétique des gaz
      Les gaz sont littéralement tout autour de nous : l'air que nous respirons est un mélange de gaz. Parmi les autres gaz, citons ceux qui ramollissent le pain et les gâteaux, ceux qui font pétiller les boissons et ceux qui brûlent pour chauffer de nombreuses maisons. Les moteurs et les réfrigérateurs dépendent du comportement des gaz, comme nous le verrons dans les chapitres suivants.
    • 2.2 : Modèle moléculaire d'un gaz idéal
      La loi idéale des gaz relie la pression et le volume d'un gaz au nombre de molécules de gaz et à la température du gaz. Une mole de n'importe quelle substance contient un nombre de molécules égal au nombre d'atomes d'un échantillon de 12 g de carbone 12. Le nombre de molécules dans une mole s'appelle le nombre d'Avogadro. La loi des gaz idéaux peut également être écrite et résolue en termes de nombre de moles de gaz : Pv=NRT et est généralement valable à des températures bien supérieures à la température d'ébullition.
    • 2.3 : Pression, température et vitesse RMS
      La théorie cinétique est la description atomique des gaz ainsi que des liquides et des solides. Il modélise les propriétés de la matière en termes de mouvement aléatoire continu des molécules. La température des gaz est proportionnelle à l'énergie cinétique de translation moyenne des molécules. Ainsi, la vitesse typique des molécules de gaz vrm est proportionnelle à la racine carrée de la température et inversement proportionnelle à la racine carrée de la masse moléculaire.
    • 2.4 : Capacité thermique et équirépartition de l'énergie
      Résumé Chaque degré de liberté d'un gaz idéal contribue\(\frac{1}{2}k_BT\) par atome ou molécule à ses changements d'énergie interne. Chaque degré de liberté contribue\(\frac{1}{2}R\) à sa capacité calorifique molaire à volume constant\(C_V\) et n'y contribue pas si la température est trop basse pour exciter l'énergie minimale dictée par la mécanique quantique. Par conséquent, à des températures ordinaires\(d = 3\) pour les gaz monoatomiques,\(d = 5\) pour les gaz diatomiques et\(d \approx 6\) pour les gaz polyatomiques.
    • 2.5 : Distribution des vitesses moléculaires
      Le mouvement des molécules individuelles dans un gaz est aléatoire en amplitude et en direction. Cependant, un gaz composé de nombreuses molécules possède une distribution prévisible des vitesses moléculaires, connue sous le nom de distribution de Maxwell-Boltzmann. Les vitesses moyennes et les plus probables des molécules ayant la distribution de vitesse de Maxwell-Boltzmann, ainsi que la vitesse efficace, peuvent être calculées à partir de la température et de la masse moléculaire.
    • 2.A : La théorie cinétique des gaz (réponse)
    • 2.E : Introduction à la théorie cinétique des gaz (exercices)
    • 2.S : La théorie cinétique des gaz (résumé)

    Vignette : Dans un gaz ordinaire, tant de molécules se déplacent si vite qu'elles entrent en collision des milliards de fois par seconde. (Domaine public ; Greg L via Wikipedia)