Ton programme de MPSI : ce chapitre est traité par Descriptions microscopique et macroscopique d'un système à l'équilibre (PCSI).
Hors programme en MPSI, donc pas exigible :
- Pression cinétique (modèle unidirectionnel à distribution discrète de vitesses)
- Équilibre liquide-vapeur de l'eau en atmosphère inerte, pression partielle, humidité relative
Le cours
Résumé en cinq points
- L'échelle mésoscopique est grande devant le libre parcours moyen et petite devant l'échelle macroscopique. Elle rend possible la définition de grandeurs locales.
- La pression est d'origine cinétique, , et la température mesure l'agitation thermique, pour un gaz parfait monoatomique.
- Deux modèles servent toute l'année : le gaz parfait avec , et la phase condensée incompressible et indilatable de volume constant.
- Pour ces deux modèles, l'énergie interne molaire ne dépend que de la température, avec pour le gaz parfait monoatomique et pour l'eau liquide.
- Sous deux phases, pression et température sont liées par , et la composition se lit par la règle des moments sur le palier du diagramme de Clapeyron.
Pourquoi ce chapitre
La thermodynamique décrit des systèmes contenant un nombre gigantesque de particules avec deux ou trois nombres seulement : la pression, la température, le volume. Ce chapitre explique pourquoi ce passage est légitime.
Il contient :
- l'interprétation microscopique de la pression et de la température ;
- le vocabulaire des systèmes et des variables d'état ;
- les deux modèles utilisés toute l'année, le gaz parfait et la phase condensée incompressible et indilatable ;
- le corps pur sous deux phases, indispensable pour les machines thermiques réelles et l'humidité de l'air.
1Les trois échelles de description
1.1Microscopique, mésoscopique, macroscopique
Définition 1.1Échelles de description
- L'échelle microscopique est celle des atomes et des molécules, de l'ordre de . Les grandeurs y sont discontinues et fluctuent violemment.
- L'échelle macroscopique est celle de l'expérimentateur, de l'ordre du centimètre ou du mètre. On y mesure des grandeurs moyennes, stables.
- L'échelle mésoscopique est intermédiaire. Un volume mésoscopique est assez grand pour contenir un très grand nombre de particules, ce qui permet de définir des moyennes statistiques bien lisses, et assez petit pour être considéré comme ponctuel à l'échelle macroscopique.
C'est à l'échelle mésoscopique que l'on définit des grandeurs locales, une masse volumique ou une pression en un point. Sans elle, pas d'équation locale.
Exemple 1.2Ordre de grandeur
Un cube d'air de de côté, dans les conditions usuelles, contient environ molécules, assez pour que les fluctuations relatives soient négligeables.
1.2Libre parcours moyen
Définition 1.3Libre parcours moyen
Le libre parcours moyen est la distance moyenne parcourue par une molécule entre deux chocs. Il est d'autant plus grand que le gaz est dilué.
Ordres de grandeur à citer :
- environ pour l'air dans les conditions usuelles ;
- de l'ordre du centimètre dans un vide primaire ;
- plusieurs mètres en ultravide.
Il fixe la borne inférieure de l'échelle mésoscopique.
1.3État microscopique et état macroscopique
- Décrire l'état microscopique d'un gaz de particules, c'est donner la position et la vitesse de chacune, soit nombres, de l'ordre de pour une mole.
- Décrire son état macroscopique à l'équilibre, c'est donner sa pression, son volume, sa température et sa quantité de matière.
À retenir
Un très grand nombre d'états microscopiques correspondent au même état macroscopique : c'est la clé de l'interprétation de l'entropie.
2Du mouvement des molécules à la pression et à la température
2.1Hypothèses sur la distribution des vitesses
On considère un gaz à l'équilibre dans un récipient, avec deux hypothèses :
- homogénéité : la densité particulaire , nombre de particules par unité de volume, est la même partout ;
- isotropie : aucune direction n'est privilégiée, donc la vitesse moyenne vectorielle des particules est nulle, le gaz ne s'écoule pas en bloc.
En revanche la vitesse moyenne en norme n'est pas nulle.
Définition 2.1Vitesse quadratique moyenne
La vitesse quadratique moyenne est . Elle intervient dans l'énergie cinétique moyenne :
2.2Pression cinétique, modèle unidirectionnel
Le programme demande d'établir l'expression de la pression sur un modèle simplifié.
Propriété 2.2Pression cinétique
Hypothèses
- toutes les particules ont la même vitesse en norme, égale à ;
- elles se déplacent selon l'un des trois axes, dans un sens ou dans l'autre ;
- les chocs sur la paroi sont élastiques.
Alors, par isotropie, un sixième des particules va dans chacun des six sens, et
Démonstration
On considère une paroi plane d'aire orthogonale à l'axe . Pendant , les particules qui la frappent sont celles qui vont dans le sens et sont à une distance inférieure à . Leur nombre vaut Chaque choc est élastique : la particule repart avec la vitesse selon , donc la quantité de mouvement transférée à la paroi vaut par choc. La force moyenne est le transfert total divisé par : Comme la pression est la force par unité de surface, .
La pression est proportionnelle à la masse d'une particule, à la densité particulaire et au carré de la vitesse quadratique moyenne. Le modèle est grossier, mais des traitements plus fins confirment le résultat.
2.3Température cinétique
Définition 2.3Température cinétique
Pour un gaz parfait monoatomique, la température cinétique est définie par avec la constante de Boltzmann, .
La température mesure l'agitation thermique, et rien d'autre. Elle n'a de sens que statistiquement : une particule isolée n'a pas de température.
En reportant dans l'expression de la pression, on obtient , qui n'est autre que l'équation d'état du gaz parfait écrite avec des densités particulaires.
Exemple 2.4Vitesse quadratique du diazote
Pour le diazote à , avec donc : soit l'ordre de grandeur de la vitesse du son.
À retenir
varie comme et comme .
3Systèmes, équilibre, variables d'état
3.1Types de systèmes
Définition 3.1Système thermodynamique
Un système thermodynamique est une portion d'espace délimitée par une frontière que l'on choisit. Il est :
- fermé s'il n'échange pas de matière avec l'extérieur ;
- ouvert s'il en échange ;
- isolé s'il n'échange ni matière ni énergie.
Exemple 3.2Systèmes fermé et ouvert
Un gaz dans un cylindre fermé par un piston est un système fermé. Une tuyère de réacteur est un système ouvert.
Définir le système explicitement est la première ligne de toute résolution.
3.2État d'équilibre
Définition 3.3Équilibre thermodynamique
Un système est à l'équilibre thermodynamique quand ses variables d'état sont définies et ne varient plus, et qu'il n'y a plus d'échange net avec l'extérieur.
- Équilibre mécanique : avec une paroi mobile sans masse ni frottement, les pressions de part et d'autre sont égales. On calcule ainsi la pression d'un gaz sous un piston, en écrivant l'équilibre du piston.
- Équilibre thermique : deux systèmes en contact par une paroi diatherme finissent à la même température.
Exemple 3.4Gaz sous un piston pesant
Pour un piston horizontal de masse et d'aire surmonté de l'atmosphère :
AttentionDeux équilibres distincts
Un système peut être à l'équilibre mécanique sans être à l'équilibre thermique, et réciproquement.
3.3Variables extensives et intensives
Définition 3.5Grandeurs extensive et intensive
- Une grandeur extensive est proportionnelle à la quantité de matière, donc additive quand on réunit deux systèmes : la masse, le volume, l'énergie interne.
- Une grandeur intensive ne dépend pas de la taille du système : la pression, la température, la masse volumique.
Le rapport de deux grandeurs extensives est intensif, ce qui donne les grandeurs massiques et molaires. Pour une grandeur extensive , on note la grandeur massique et la grandeur molaire.
3.4Équation d'état du gaz parfait
Définition 3.6Gaz parfait
Le gaz parfait est un modèle de particules ponctuelles sans interaction à distance, qui n'interagissent que par chocs.
Loi 3.7Équation d'état du gaz parfait
Hypothèses
- gaz assez dilué : pression pas trop élevée et température pas trop basse, loin de la liquéfaction.
Alors avec et .
Ordre de grandeur : le volume molaire vaut à sous une atmosphère et environ à sous .
3.5Phase condensée incompressible et indilatable
Définition 3.8Phase condensée incompressible et indilatable
Dans ce modèle des liquides et des solides, le volume ne dépend ni de la pression ni de la température : le volume molaire est constant.
Ordres de grandeur : pour l'eau liquide, soit un volume massique de , environ mille fois moins que pour un gaz. D'où l'habitude de négliger le volume du liquide devant celui de la vapeur.
RemarqueUne approximation
Les phases condensées sont en réalité peu compressibles et peu dilatables, mais pas rigoureusement incompressibles. La dilatation thermique d'un liquide est le principe du thermomètre à alcool.
3.6Du gaz réel au gaz parfait
- En coordonnées de Clapeyron, c'est-à-dire en fonction du volume massique , une isotherme de gaz parfait est une hyperbole. Les isothermes réelles s'en écartent aux fortes pressions, et à basse température elles présentent un palier horizontal de changement d'état, que le gaz parfait ne prévoit pas.
- En coordonnées d'Amagat, on trace en fonction de à température fixée. Pour un gaz parfait, on obtient une droite horizontale d'ordonnée . Pour un gaz réel, la courbe s'en écarte quand augmente, mais toutes les isothermes convergent vers la même ordonnée quand tend vers zéro.
À retenir
Tout gaz réel tend vers le gaz parfait à pression nulle.
Comparaison de compressibilité, exigible. Sur des isothermes expérimentales :
- le domaine liquide se traduit par des courbes quasi verticales : il faut une énorme variation de pression pour changer un peu le volume ;
- le domaine gazeux se traduit par des courbes de pente faible en valeur absolue.
Cela justifie que le liquide soit modélisé comme incompressible et pas le gaz.
4Énergie interne et capacités thermiques
4.1Définition
Définition 4.1Énergie interne
L'énergie interne d'un système est la somme des énergies cinétiques microscopiques des particules, dans le référentiel barycentrique du système, et de leurs énergies potentielles d'interaction mutuelle.
C'est une grandeur extensive et une fonction d'état : elle ne dépend que de l'état du système. Elle ne contient ni l'énergie cinétique macroscopique du système ni son énergie potentielle extérieure.
4.2Gaz parfait monoatomique
Il n'y a pas d'interaction, donc pas d'énergie potentielle, et chaque atome a une énergie cinétique moyenne .
Propriété 4.2Énergie interne du gaz parfait monoatomique
Pour moles,
L'énergie interne molaire d'un gaz parfait ne dépend que de : c'est la première loi de Joule. On en déduit la capacité thermique à volume constant :
RemarqueGaz polyatomique
Pour un gaz parfait polyatomique, reste vrai, mais est différent et doit être fourni. Pour un gaz diatomique aux températures usuelles, vaut .
4.3Phase condensée incompressible et indilatable
Le volume étant fixé, il n'y a qu'une variable, et l'on admet que ne dépend que de . Il n'y a qu'une capacité thermique , et .
Ordre de grandeur : pour l'eau liquide, contre quelques centaines de pour un métal usuel.
5Corps pur sous deux phases
5.1Diagramme de phases (P, T)
Trois courbes partent du point triple :
- la fusion, entre solide et liquide ;
- la vaporisation, entre liquide et gaz ;
- la sublimation, entre solide et gaz.
Le point triple est le seul point où les trois phases coexistent. Pour l'eau, il est à sous . La courbe de vaporisation s'arrête au point critique, pour l'eau vers et . Au-delà, le fluide est supercritique : on ne distingue plus liquide et vapeur.
RemarqueParticularité de l'eau
Sa courbe de fusion a une pente négative, alors que celle de la plupart des corps est positive, car la glace est moins dense que l'eau liquide.
Définition 5.1Pression de vapeur saturante
À température fixée, la pression du palier de vaporisation est la pression de vapeur saturante . Elle croît vite avec la température.
Pour l'eau, environ à et à , ce qui définit la température d'ébullition sous une atmosphère.
5.2Diagramme de Clapeyron (P, v)
On trace en fonction du volume massique . La courbe de saturation a une forme de cloche dont le sommet est le point critique, avec à gauche la courbe d'ébullition et à droite la courbe de rosée.
- À gauche de la cloche : le liquide seul.
- À droite : la vapeur seule.
- Sous la cloche : le mélange, où les isothermes sont des paliers horizontaux.
Définition 5.2Titre massique en vapeur
Le titre massique en vapeur est la masse de vapeur divisée par la masse totale.
Propriété 5.3Règle des moments
Le volume étant extensif, , d'où
Graphiquement, est le rapport de la distance entre le point représentatif et la courbe d'ébullition à la longueur totale du palier.
5.3Variables d'état d'un corps pur diphasé
Pour un corps pur sous deux phases soumis aux seules forces de pression, pression et température ne sont pas indépendantes : elles sont liées par .
Un jeu de variables suffisant est donc :
- la température et le titre en vapeur ;
- ou bien la pression et le volume massique.
Donner trois variables indépendantes serait redondant ou contradictoire.
5.4Équilibre liquide-vapeur en présence d'une atmosphère inerte
Dans l'air, l'eau n'est qu'un constituant parmi d'autres.
Définition 5.4Pression partielle
La pression partielle d'un constituant est la pression qu'il aurait seul dans le même volume à la même température. La pression totale est la somme des pressions partielles.
L'équilibre entre l'eau liquide et sa vapeur est régi par la seule pression partielle en vapeur d'eau, , comparée à . Trois cas :
- : l'air n'est pas saturé, l'eau liquide s'évapore ;
- : équilibre, l'air est saturé ;
- tendrait à dépasser : il y a condensation, ce qui forme la rosée, le brouillard ou la buée.
Définition 5.5Humidité relative
L'humidité relative est le rapport exprimé en pourcentage. Une humidité de signifie air saturé.
Comme croît avec , refroidir un air à humidité relative donnée l'amène à saturation : c'est le point de rosée. C'est ce qui explique la buée sur une vitre froide et la formation du brouillard au petit matin.
5.5Protocole expérimental
Le programme demande de mettre en œuvre un protocole d'étude des relations entre paramètres d'état d'un fluide. Dispositif type : un fluide dans un tube gradué transparent fermé par un piston mobile, immergé dans un bain thermostaté.
MéthodeTracer une isotherme
- Imposer la température.
- Faire varier le volume pas à pas, en attendant l'équilibre à chaque étape, et relever la pression.
- Tracer l'isotherme en coordonnées de Clapeyron.
- Pour un gaz monophasé, vérifier la loi du gaz parfait. Sous deux phases, observer le palier et lire la pression de vapeur saturante.
AttentionPrécautions
Attendre l'équilibre thermique avant chaque mesure et tenir compte du volume mort.
Méthodes
MéthodePoser un problème de thermodynamique
- Nommer le système et dire s'il est ouvert, fermé ou isolé.
- Pour une pression, chercher une condition d'équilibre mécanique sur une paroi mobile. Pour une température, une condition d'équilibre thermique.
- Avant d'appliquer , vérifier que le fluide est gazeux et pas sous deux phases. Sur un palier, la relation ne s'applique qu'à la phase vapeur.
- Pour un mélange diphasé, appliquer la règle des moments sur une grandeur massique extensive.
À retenir
Trois ordres de grandeur : pour un gaz, pour l'eau liquide, pour la vitesse quadratique moyenne de l'air.
Ce qu'il faut savoir refaire en khôlle
- Définir l'échelle mésoscopique et justifier sa nécessité avec le libre parcours moyen.
- Établir sur le modèle unidirectionnel à six directions, en détaillant le comptage des chocs.
- Calculer une vitesse quadratique moyenne dans l'air et commenter sa dépendance en et en .
- Retrouver pour un gaz parfait monoatomique à partir de la température cinétique, puis .
- Calculer la pression d'un gaz sous un piston pesant à l'équilibre.
- Positionner les phases sur un diagramme et sur un diagramme , et placer point triple et point critique.
- Déterminer un titre en vapeur par la règle des moments, par le calcul et par lecture graphique.
- Expliquer la formation de la buée avec l'humidité relative et la pression de vapeur saturante.
Méthodes et exercices
Les résultats à connaître
- Échelle mésoscopique. Elle est grande devant le libre parcours moyen et devant la distance entre particules, et petite devant les longueurs macroscopiques. Définition exigible, avec la justification de sa nécessité.
- Libre parcours moyen. Environ 0,1 µm dans l'air usuel, du centimètre au mètre dans les vides poussés. Ordres de grandeur exigibles. L'expression ℓ ≈ 1/(n* π d²) n'est pas exigible et doit être fournie.
- Pression cinétique. Hypothèses : gaz homogène et isotrope à l'équilibre, chocs élastiques sur la paroi, modèle unidirectionnel à distribution discrète. Résultat P = (1/3) n* m u². Exigible avec démonstration.
- Température cinétique d'un gaz parfait monoatomique. ½ m u² = (3/2) k T. C'est une définition. Conséquence exigible : P = n* k T.
- Équation d'état du gaz parfait. P V = n R T, avec R = NA k, pour un gaz dilué. Exigible sans démonstration, à citer et à utiliser.
- Phase condensée incompressible et indilatable. Volume molaire constant. Modèle exigible, à justifier sur des isothermes expérimentales.
- Énergie interne du gaz parfait monoatomique. U = (3/2) n R T. Exigible avec démonstration à partir de la température cinétique.
- Première loi de Joule. Um ne dépend que de T pour tout gaz parfait, CV = dU/dT. Admise hors du cas monoatomique. CV,m est fourni pour un polyatomique.
- Phase condensée. Um = Um(T) et ΔU = C ΔT. Admis, à exploiter.
- Équilibre mécanique d'une paroi mobile. Somme des forces nulle sur la paroi. Si elle est sans frottement et de masse négligeable, les pressions de part et d'autre sont égales. Exigible.
- Équilibre thermique. Égalité des températures à travers une paroi diatherme. Exigible.
- Corps pur diphasé. P = Psat(T), un jeu suffisant de variables est (T, xv) ou (P, v). Exigible.
- Règle des moments. xv = (v − vl)/(vv − vl). Exigible avec démonstration.
- Équilibre liquide-vapeur en présence d'un gaz inerte. Équilibre si Pv = Psat(T). Évaporation si Pv < Psat(T). Exigible.
- Hors programme, à signaler : distribution de Maxwell, théorème général d'équipartition, formule de Clapeyron pour l'enthalpie de vaporisation, règle des phases de Gibbs. L'équation de van der Waals n'est pas exigible et doit être fournie.
Clés de démonstration
Pression cinétique. On compte les particules qui frappent une surface S pendant dt. Ce sont celles qui vont vers la paroi et se trouvent dans le cylindre de base S et de hauteur u dt, soit (1/6) n* S u dt. Chacune transfère 2 m u. L'astuce est de raisonner sur la quantité de mouvement cédée pendant dt, puis de diviser par dt et par S.
Pression et température. On remplace m u² par 3 k T dans P = (1/3) n* m u². On obtient P = n* k T. Avec n* = N/V et N k = n R, on retrouve P V = n R T. L'astuce est le passage de l'échelle particulaire à l'échelle molaire par R = NA k.
Énergie interne monoatomique. Sans interaction, pas d'énergie potentielle, donc U est la somme des énergies cinétiques microscopiques. Leur moyenne vaut (3/2) k T par atome, donc U = (3/2) N k T = (3/2) n R T. L'astuce est de dire explicitement pourquoi le terme d'interaction est nul.
Règle des moments. On écrit l'extensivité du volume, V = ml vl + mv vv, puis on divise par m = ml + mv. On obtient v = (1 − xv) vl + xv vv, qu'il suffit d'inverser. L'astuce est d'utiliser une grandeur massique, pour laquelle le mélange est une moyenne pondérée.
Pression sous un piston. On isole le piston et on écrit que la somme des forces est nulle à l'équilibre : P S = P₀ S + M g pour un piston horizontal. L'astuce est de choisir le piston comme système, et non le gaz.
Exemples et contre-exemples à connaître
- Air à 1 bar et 300 K. n* ≈ 2,4 × 10²⁵ m⁻³, distance moyenne entre molécules (1/n*)1/3 ≈ 3,5 nm, dix fois la taille d'une molécule. C'est l'argument quantitatif du gaz dilué.
- Dihydrogène à 300 K. u ≈ 1,9 km·s⁻¹, quatre fois plus que pour le dioxygène. Illustre la loi en 1/√M.
- Air immobile. La vitesse moyenne vectorielle est nulle alors que u vaut 500 m·s⁻¹. À distinguer du vent, qui est une vitesse d'ensemble.
- Particule isolée. Elle n'a pas de température, seulement une énergie cinétique. Contre-exemple à l'usage abusif du mot.
- Eau à 100 °C sous 1 atm. vl ≈ 1,04 × 10⁻³ m³·kg⁻¹ et vv ≈ 1,7 m³·kg⁻¹, rapport de l'ordre de 1 600. Justifie de négliger le volume du liquide.
- Mélange sur le palier. P V = n R T est faux pour l'ensemble liquide plus vapeur. Seule la phase vapeur le vérifie, sous Psat.
- Cocotte-minute. Sous 2 bar environ, l'eau bout vers 120 °C. En altitude, sous 0,55 bar, vers 84 °C. Illustre T_éb = T tel que Psat(T) = P.
- Lyophilisation. Sous une pression inférieure à 611 Pa, la glace passe directement à l'état vapeur. Exploite le point triple.
- Isothermes d'Amagat à pression nulle. Toutes convergent vers n R T. C'est le principe de la détermination historique de R. Aujourd'hui R = NA k a une valeur exacte, fixée par la définition des unités.
Techniques du chapitre
Nommer le système et son type. Mini-exercice : une bouilloire ouverte qui chauffe de l'eau, et la même bouilloire fermée hermétiquement. Ouverte, l'eau perd de la vapeur, le système est ouvert. Fermée et rigide, il est fermé mais pas isolé, car il reçoit de l'énergie électrique.
Isoler le piston. Mini-exercice : piston de 10 kg, aire 50 cm², sous P₀ = 1,00 bar. M g/S = 98,1/(5,0 × 10⁻³) = 1,96 × 10⁴ Pa. P = 1,20 × 10⁵ Pa, indépendamment de la température du gaz.
Tout passer en unités SI. Mini-exercice : quantité de matière dans 1,0 L à 20 °C sous 1,0 bar. n = 10⁵ × 10⁻³/(8,314 × 293) = 4,1 × 10⁻² mol. Les litres deviennent des m³, les degrés Celsius des kelvins.
Masse molaire en kg·mol⁻¹. Mini-exercice : u pour l'hélium à 300 K. u = √(3RT/M) = √(3 × 8,314 × 300/0,004) ≈ 1,4 × 10³ m·s⁻¹. Avec M = 4, on trouverait un résultat √1000 fois trop petit.
Tester l'hypothèse « tout vapeur ». Mini-exercice : 1,0 g d'eau dans une enceinte vide de 10 L à 50 °C, avec Psat = 12,3 kPa. Si tout était vapeur, P = (1/18) × 8,314 × 323/0,010 = 14,9 kPa, valeur supérieure à Psat. Le système est donc diphasé et la vapeur est sous 12,3 kPa. Sa masse vaut Psat V M/(RT) = 0,82 g. Il reste 0,18 g de liquide.
Lire un titre sur le diagramme. Mini-exercice : sur un palier, le point est aux trois quarts de la distance entre la courbe d'ébullition et la courbe de rosée. Alors xv = 0,75, et le point est plus proche de la vapeur.
Comparer Pv à Psat de la paroi. Mini-exercice : air à 1,4 kPa de vapeur d'eau contre une vitre à 5 °C, où Psat = 0,87 kPa. Pv > Psat au contact de la vitre, il y a condensation, donc de la buée.
Exercices classiques corrigés
Choisis ton niveau. Difficulté indicative ; les exercices qui se suivent restent dans l'ordre.
Exercice 1. Taille d'un volume mésoscopique
Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle
Air à 300 K sous 1,0 bar, diamètre moléculaire d ≈ 0,37 nm. Calculer n*, estimer le libre parcours moyen avec ℓ ≈ 1/(n* π d²), fourni. On admet que les fluctuations relatives du nombre N de molécules dans un volume sont de l'ordre de 1/√N. Quel côté minimal doit avoir un cube pour que ces fluctuations restent sous 10⁻³ ?
Technique Ordres de grandeur, et confrontation des longueurs.
Voir le corrigé
- n* = P/(kT) = 10⁵/(1,38 × 10⁻²³ × 300) = 2,4 × 10²⁵ m⁻³.
- π d² = 4,3 × 10⁻¹⁹ m², donc ℓ ≈ 1/(1,0 × 10⁷) ≈ 0,1 µm.
- Il faut 1/√N ≤ 10⁻³, soit N ≥ 10⁶. Avec N = n* a³, on obtient a ≥ (10⁶/2,4 × 10²⁵)1/3 ≈ 0,35 µm.
- Un cube de 1 µm convient. Il contient 2,4 × 10⁷ molécules, il est dix fois plus grand que ℓ et reste ponctuel à l'échelle du centimètre.
piège : Oublier la racine cubique et comparer un volume à une longueur.
Exercice 2. Distribution discrète à deux vitesses
Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle
Dans le modèle à six directions, la moitié des particules a la vitesse v₁ et l'autre moitié la vitesse v₂. Établir la pression. Avec v₁ = 300 m·s⁻¹ et v₂ = 700 m·s⁻¹, quelle erreur commet-on en utilisant la vitesse moyenne en norme à la place de u ?
Technique Comptage des chocs, classe de vitesse par classe de vitesse.
Voir le corrigé
- Particules de vitesse v₁ allant vers la paroi : densité n*/12. Pendant dt, (n*/12) S v₁ dt chocs, chacun transférant 2 m v₁.
- Même calcul pour v₂. Force totale : F = (n* m S/6)(v₁² + v₂²).
- Avec u² = (v₁² + v₂²)/2, on obtient P = (1/3) n* m u². Le résultat ne dépend de la distribution que par u.
- Application : vitesse moyenne 500 m·s⁻¹, u = √(2,9 × 10⁵) ≈ 539 m·s⁻¹. Remplacer u par 500 sous-estime P d'un facteur (500/539)² = 0,86, soit 14 %.
piège : Écrire que le nombre de chocs ne dépend pas de la vitesse. Les particules rapides frappent plus souvent et plus fort, d'où le carré.
Exercice 3. Enrichissement de l'uranium
Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle
L'hexafluorure d'uranium est gazeux sous faible pression vers 330 K. Le fluor n'a qu'un isotope, de masse molaire 19 g·mol⁻¹. Comparer les vitesses quadratiques moyennes des molécules contenant l'uranium 235 et l'uranium 238.
Technique Loi u = √(3RT/M) et raisonnement en rapport.
Voir le corrigé
- M₁ = 235 + 6 × 19 = 349 g·mol⁻¹ et M₂ = 352 g·mol⁻¹.
- À même température, u₁/u₂ = √(M₂/M₁) = √1,0086 ≈ 1,0043.
- Ordre de grandeur : u₁ = √(3 × 8,314 × 330/0,349) ≈ 154 m·s⁻¹.
- L'écart relatif ne vaut que 0,4 %. Un procédé fondé sur cette différence doit être répété en cascade des centaines de fois.
piège : Faire le rapport des masses au lieu de sa racine carrée.
Exercice 4. Cylindre à piston pesant
Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle
Un cylindre vertical d'aire S = 20 cm² est fermé par un piston mobile sans frottement de masse 5,0 kg, sous P₀ = 1,0 bar. Le gaz, parfait, occupe une hauteur 20 cm à 290 K. On le chauffe jusqu'à 348 K, puis, à cette température, on pose une masse supplémentaire de 5,0 kg. Trouver les hauteurs successives.
Technique Pression fixée par le piston, température par le thermostat.
Voir le corrigé
- Équilibre du piston : P₁ = P₀ + M g/S = 10⁵ + 49,05/(2,0 × 10⁻³) = 1,25 × 10⁵ Pa.
- Au chauffage, le piston reste libre, la pression reste P₁. Donc h₂ = h₁ T₂/T₁ = 20 × 1,2 = 24 cm.
- Avec la masse supplémentaire, P₃ = 10⁵ + 98,1/(2,0 × 10⁻³) = 1,49 × 10⁵ Pa.
- À température fixée, P h est constant : h₃ = 24 × 1,245/1,490 ≈ 20 cm.
- Il faut attendre l'équilibre thermique après avoir posé la masse. Juste après une compression rapide, le gaz est plus chaud.
piège : Oublier P₀ et écrire P = M g/S, ou faire croître la pression au chauffage alors que le piston est libre.
Exercice 5. Deux enceintes reliées
Classiques de khôlle et concours · Type écrit CCINP
Une enceinte A de 1,0 L contient du diazote sous 3,0 bar. Une enceinte B de 2,0 L contient du dioxygène sous 1,0 bar. Les deux sont à 293 K dans un thermostat. On ouvre le robinet qui les relie. Déterminer l'état final.
Technique Conservation de la matière et pressions partielles.
Voir le corrigé
- Système : les deux gaz, fermé, à température fixée par le thermostat.
- Le diazote occupe finalement 3,0 L. Sa quantité se conserve, donc sa pression partielle vaut 3,0 × 1,0/3,0 = 1,0 bar.
- De même, pour le dioxygène : 1,0 × 2,0/3,0 = 0,67 bar.
- Pression totale 1,67 bar. Fraction molaire du diazote 0,60.
- Quantité totale : n = P V/(RT) = 1,67 × 10⁵ × 3,0 × 10⁻³/(8,314 × 293) = 0,21 mol.
piège : Prendre la moyenne arithmétique des pressions, soit 2 bar. Il faut pondérer par les volumes.
Exercice 6. Mélange de deux gaz monoatomiques
Classiques de khôlle et concours · Type écrit CCINP
Une enceinte rigide et calorifugée est séparée en deux compartiments de 10 L. L'un contient 1,0 mol d'hélium à 300 K, l'autre 2,0 mol d'argon à 450 K. On retire la cloison sans travail. Trouver la température et la pression finales. Reprendre la température si l'argon est remplacé par du diazote, avec CV,m = (5/2) R.
Technique Énergie interne d'un gaz parfait et conservation de l'énergie d'un système isolé.
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- L'enceinte est rigide et calorifugée, le système est isolé. Son énergie interne se conserve.
- Pour des gaz parfaits, U est additive et ne dépend que de T : (3/2) R (n₁T₁ + n₂T₂) = (3/2) R (n₁ + n₂) Tf.
- Tf = (300 + 900)/3 = 400 K.
- Pf = 3,0 × 8,314 × 400/(2,0 × 10⁻²) ≈ 5,0 × 10⁵ Pa.
- Avec du diazote, on pondère par les capacités : Tf = (1,5 × 300 + 5,0 × 450)/(1,5 + 5,0) ≈ 415 K.
piège : Faire la moyenne des températures sans pondérer par les quantités de matière et les capacités thermiques.
Exercice 7. Réservoir d'eau diphasé
Classiques de khôlle et concours · Type écrit CCINP
Un réservoir rigide de 1,0 L contient 10 g d'eau à 100 °C. On donne vl = 1,04 × 10⁻³ m³·kg⁻¹, vv = 1,67 m³·kg⁻¹, et v au point critique 3,1 × 10⁻³ m³·kg⁻¹. Déterminer la composition. Que se passe-t-il si l'on chauffe ?
Technique Règle des moments, puis déplacement vertical dans le diagramme de Clapeyron.
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- v = 10⁻³/10⁻² = 0,10 m³·kg⁻¹, compris entre vl et vv. Le système est diphasé, sous Psat(100 °C) = 1,013 bar.
- xv = (0,10 − 0,00104)/(1,67 − 0,00104) ≈ 0,059.
- Masse de vapeur 0,59 g. Elle occupe 0,99 L. Le liquide, 9,4 g, occupe 9,8 mL.
- En chauffant à volume constant, v reste fixé et le point monte à la verticale. Comme v est supérieur au volume massique critique, il rencontre la courbe de rosée : tout le liquide s'évapore.
- Si v était inférieur à 3,1 × 10⁻³ m³·kg⁻¹, le point rencontrerait la courbe d'ébullition et le liquide finirait par remplir le réservoir.
piège : Confondre titre massique et fraction du volume. La vapeur occupe 99 % du volume mais ne représente que 6 % de la masse.
Exercice 8. Buée et point de rosée
Classiques de khôlle et concours · Type écrit e3a
Une pièce de 50 m³ est à 20 °C avec une humidité relative de 60 %. On donne Psat = 2,34 kPa à 20 °C, 1,40 kPa à 12 °C et 1,23 kPa à 10 °C. La vitre est à 10 °C. Y a-t-il de la buée ? Quelle masse de vapeur contient la pièce ?
Technique Comparer la pression partielle de vapeur à la pression de vapeur saturante locale.
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- Pv = 0,60 × 2,34 = 1,40 kPa.
- Au contact de la vitre, Psat(10 °C) = 1,23 kPa est inférieure à Pv. L'air y serait sursaturé, la vapeur se condense : buée.
- Le point de rosée est la température où Psat = Pv, soit 12 °C ici. Toute paroi plus froide se couvre de buée.
- Masse de vapeur : m = Pv V M/(RT) = 1400 × 50 × 0,018/(8,314 × 293) ≈ 0,52 kg.
- Aérer avec un air extérieur plus sec abaisse Pv, donc le point de rosée.
piège : Comparer la pression totale de l'air, 1 bar, à Psat. Seule compte la pression partielle de l'eau.
Exercice 9. Volume mort d'un dispositif
Approfondissement · Type écrit Mines
Une seringue graduée est reliée à un capteur de pression par un tuyau de volume inconnu V₀. À température constante, on relève trois couples (Vlu en mL, P en bar) : 60 mL sous 1,00 bar, 40 mL sous 1,44 bar, 20 mL sous 2,60 bar. Un élève trouve que P Vlu décroît et conclut que l'air n'est pas un gaz parfait. Critiquer et déterminer V₀.
Technique Linéariser la loi pour faire apparaître le biais systématique.
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- Le gaz occupe Vlu + V₀. Pour un gaz parfait à T fixée, P (Vlu + V₀) = n R T.
- Donc Vlu = n R T × (1/P) − V₀. Tracer Vlu en fonction de 1/P doit donner une droite d'ordonnée à l'origine − V₀.
- Les points ont pour coordonnées 1/P en bar⁻¹ et Vlu en mL : 1,00 et 60, puis 0,694 et 40, puis 0,385 et 20. Ils sont alignés, de pente 65 bar·mL. L'ordonnée à l'origine vaut 60 − 65 = − 5 mL.
- V₀ = 5 mL. Avec ce volume, P (Vlu + V₀) vaut 65 bar·mL pour chaque point. La loi est vérifiée.
- Autre précaution : comprimer lentement ou attendre après chaque pas, sinon l'échauffement fausse la mesure.
piège : Conclure à un écart au modèle alors que l'écart est systématique et vient du montage.
Exercice 10. Du gaz réel au gaz parfait en coordonnées d'Amagat
Approfondissement · Type écrit Centrale
On modélise le diazote par l'équation de van der Waals, fournie : (P + a/V_m²)(Vm − b) = R T, avec a = 0,137 Pa·m⁶·mol⁻² et b = 3,87 × 10⁻⁵ m³·mol⁻¹. Montrer qu'à faible pression P Vm ≈ R T + (b − a/(RT)) P. Commenter la pente à 273 K, et la température pour laquelle elle s'annule.
Technique Développement limité à l'ordre un en 1/Vm, puis retour à P.
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- P Vm = R T Vm/(Vm − b) − a/Vm.
- À faible pression, Vm ≫ b : Vm/(Vm − b) ≈ 1 + b/Vm. Donc P Vm ≈ R T + (R T b − a)/Vm.
- À l'ordre un, 1/Vm ≈ P/(RT), d'où P Vm ≈ R T + (b − a/(RT)) P.
- Quand P tend vers 0, P Vm tend vers R T : on retrouve le gaz parfait, et toutes les isothermes d'Amagat partent de R T.
- À 273 K : b − a/(RT) = 3,87 × 10⁻⁵ − 6,04 × 10⁻⁵ = − 2,2 × 10⁻⁵ m³·mol⁻¹. La pente est négative, les attractions dominent. Sous 10 bar, l'écart relatif au gaz parfait est de l'ordre de 1 %.
- La pente s'annule pour TB = a/(R b) ≈ 426 K. Au-delà, les répulsions dominent. La valeur mesurée est plus basse, vers 330 K : le modèle n'est que qualitatif.
piège : Remplacer 1/Vm par P/(RT) dans un terme d'ordre zéro, ce qui fausse le développement.
Erreurs fréquentes
- Températures en degrés Celsius, volumes en litres ou pressions en bar dans P V = n R T. Tout doit être en kelvins, m³ et pascals.
- Appliquer P V = n R T à un mélange liquide plus vapeur ou à un liquide. Sur un palier, seule la vapeur suit la loi, sous Psat(T).
- Utiliser U = (3/2) n R T ou CV,m = (3/2) R pour un gaz diatomique. Ces expressions ne valent que pour le monoatomique. Pour un diatomique usuel, CV,m vaut (5/2) R et doit être donné. En revanche u = √(3kT/m) vaut pour tout gaz parfait, car l'énergie cinétique moyenne de translation d'une molécule est (3/2) k T.
- Oublier la pression atmosphérique ou le poids du piston dans l'équilibre mécanique, ou croire que chauffer sous un piston libre augmente la pression.
- Comparer la pression totale de l'air à Psat pour parler d'évaporation ou de condensation. Le critère porte sur la pression partielle de vapeur d'eau et sur Psat évaluée à la température locale.
Fiche de cours rédigée à partir du programme officiel de physique-chimie de PCSI (arrêté de 2021), deuxième semestre, thème 3 « l'énergie, conversions et transferts », partie 3.1 « Descriptions microscopique et macroscopique d'un système à l'équilibre ». C'est le premier chapitre de thermodynamique de l'année. Les transformations et les deux principes font l'objet des fiches suivantes.