Gaz (physique): définition, propriétés et exemples

L'air que nous respirons et traversons quotidiennement, l'hélium dans nos ballons d'anniversaire et le méthane utilisé pour le chauffage domestique sont tous des exemples courants de gaz. Le gaz est l'un des trois principaux états de la matière, avec les solides et les liquides.

Les états de la matière diffèrent selon l'étroitesse des particules – une conséquence de leur énergie cinétique – ce qui se traduit par des caractéristiques distinctes.

Dans son état solide, la matière est la plus serrée. Les molécules d'un solide sont maintenues ensemble par des liaisons atomiques et des attractions. En conséquence, ils vibrent sur place plutôt que de circuler librement. Les solides ont des formes et des volumes définis, et ils ne sont pas facilement compressés; c'est-à-dire qu'ils conservent assez bien leur forme.

A l'état liquide, la matière est moins tassée que dans un solide, grâce à des liaisons intermoléculaires plus faibles. En présence d'un champ gravitationnel, un liquide prendra la forme de son contenant; en l'absence de gravité, il prend des formes sphériques.

Dans son état gazeux, la matière éprouve de faibles interactions avec elle-même. Les particules peuvent se déplacer assez librement. En conséquence, les gaz prennent la forme et le volume de n'importe quel conteneur dans lequel ils se trouvent. Ouvrez le four après avoir cuit un gâteau, et le gaz qui était à l'intérieur se répandra dans toute la maison afin que le gâteau puisse être senti de chaque pièce.

Le plus récent état de la matière connu des physiciens est le plasma, une condition dans laquelle les atomes qui composent la matière eux-mêmes se décomposent. Le plasma ne se produit qu'à des températures et des pressions extrêmes, telles que celles trouvées au centre du soleil. Parce que les électrons sont dépouillés des atomes dans ces conditions, un plasma finit par être un mélange d'électrons libres, les restes d'ions chargés positivement et d'atomes neutres. En termes de comportement, un plasma agit comme un gaz, mais en raison des charges impliquées, il possède également des propriétés électromagnétiques.

La matière peut changer d'un état à un autre en fonction des conditions de pression et de température. Une telle transformation est connue sous le nom de changement de phase. Par exemple, l'eau solide sous forme de glace lorsqu'elle est chauffée jusqu'à son point d'ébullition fondra en eau liquide, qui à son tour s'évaporera en vapeur d'eau avec encore plus de chaleur ajoutée.

Le contraire de l'évaporation est la condensation. Lorsqu'un gaz se condense, il devient liquide.

Un solide peut passer directement à l'état gazeux de la matière en subissant sublimation. La sublimation se produit lorsqu'un solide est à une pression particulière en dessous de son point triple dans un diagramme de phase. Par exemple, la glace carbonique (dioxyde de carbone solide) se sublime lorsqu'elle est chauffée à une atmosphère, contrairement à la glace "ordinaire" (eau) qui fond simplement en liquide lorsqu'elle est chauffée à une atmosphère.

La description physique formelle d'un gaz est une substance qui n'a pas de volume défini (également appelé volume fixe) ou de forme définie. Au lieu de cela, un gaz prendra la forme de son contenant car les molécules de gaz peuvent se déplacer librement les unes par rapport aux autres.

Un célèbre problème hypothétique créé par l'éminent physicien des particules Enrico Fermi permet d'illustrer cela. Fermi a demandé à ses étudiants d'estimer le nombre approximatif de molécules du dernier souffle de César qu'un humain peut s'attendre aujourd'hui à rencontrer avec chacune de ses propres inspirations. En supposant que le dernier souffle de l'empereur romain s'est maintenant réparti uniformément dans le monde (et n'a pas été réabsorbé par le l'océan ou les plantes), les calculs montrent que les êtres vivants d'aujourd'hui respirent environ une molécule de leur dernier souffle avec chacun de les leurs.

Bien qu'un liquide puisse aussi prendre la forme de son contenant, un liquide ne change pas de volume sans aide. Mais un gaz se répandra toujours pour remplir son contenant et, à l'inverse, il pourra être comprimé dans un contenant plus petit.

Une mesure importante pour décrire un gaz est pression. La pression d'un gaz est la force par unité de surface que le gaz exerce sur son contenant. Plus de pression conduit à plus de force, et vice versa.

Par exemple, un pneu de vélo pompé jusqu'à une pression élevée se sent appris et dur de l'extérieur. Un pneu basse pression, en revanche, exerce moins de force vers l'extérieur et, par conséquent, il est plus souple et plus mou.

Une autre caractéristique clé d'un gaz est sa Température. La température d'un gaz est définie comme une mesure de l'énergie cinétique moyenne par molécule dans le gaz. Parce que toutes les molécules vibrent, elles ont toutes une certaine quantité d'énergie cinétique.

La pression et la température sont nécessaires pour déterminer si l'état de la matière est gazeux. Certains matériaux ne sont des gaz qu'à haute température, tandis que d'autres sont des gaz à basse température ou à température ambiante. Pendant ce temps, certains matériaux ne sont que des gaz à haute température et basses pressions. Un diagramme de phase montre l'état de la matière pour une substance donnée à diverses combinaisons de température et de pression.

Les gaz abondent dans le monde qui nous entoure. Le dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre courant, est émis lors de la combustion de carburant pour alimenter de nombreuses activités actuelles de l'humanité. Lorsque l'eau liquide se vaporise, elle devient de la vapeur ou de la vapeur d'eau - un processus qui se produit sur les cuisinières et dans les flaques d'eau à l'extérieur sous le soleil.

Le mélange de gaz connu sous le nom d'air - qui est généralement de 78 pour cent d'azote, 21 pour cent d'oxygène et 1 pour cent autres gaz – entoure toutes les créatures terrestres et échange avec leur corps par voie respiratoire système. Lorsqu'ils respirent, de nombreux animaux extraient l'oxygène de l'air et éliminent le dioxyde de carbone de leur corps, tandis que de nombreuses plantes font le contraire en absorbant du dioxyde de carbone et en rejetant de l'oxygène.

Pour aider à mieux expliquer le comportement des gaz, les physiciens aiment se rapprocher de la façon dont les gaz se comporteraient s'ils étaient constitués de plusieurs particules ponctuelles se déplaçant en ligne droite et ne subissant pas de forces intermoléculaires - en d'autres termes, sans interagir avec l'une une autre.

Bien sûr, aucun gaz n'est en fait idéal, mais en considérant comment un gaz aurait agissant sous une telle description, les physiciens sont capables de combiner plusieurs lois simples sur les propriétés gazeuses en une seule: la loi des gaz parfaits.

• La loi des gaz parfaits est PV = nRT, où P est la pression, V est le volume, m est le nombre de moles de gaz, R est la constante des gaz et T est la température.

Plus précisément, la loi des gaz parfaits est dérivée de quatre lois des gaz plus simples qui montrent des éléments des relations dans la loi des gaz combinée. Elles sont:

• Loi de Boyle: la pression d'un gaz est inversement proportionnelle à son volume à température et quantité de gaz constantes.
• Loi de Charles: Le volume et la température d'un gaz sont proportionnels lorsque la pression est maintenue constante.
• Loi d'Avogadro: Le volume d'un gaz est proportionnel à la quantité de gaz lorsque la pression et la température sont constantes.
• La loi d'Amonton: La pression et la température d'un gaz sont proportionnelles tant que la quantité et le volume du gaz sont maintenus constants.