Qu'est-ce que la loi des gaz parfaits ?

La loi des gaz parfaits est une équation mathématique que vous pouvez utiliser pour résoudre des problèmes liés à la température, au volume et à la pression des gaz. Bien que l'équation soit une approximation, elle est très bonne et elle est utile pour un large éventail de conditions. Il utilise deux formes étroitement liées qui représentent la quantité d'un gaz de différentes manières.

TL; DR (trop long; n'a pas lu)

La loi des gaz parfaits est PV = nRT, où P = pression, V = volume, n = nombre de moles de gaz, T est la température et R est une constante de proportionnalité, généralement 8,314. L'équation vous permet de résoudre des problèmes pratiques avec des gaz.

Vous faites face aux gaz dans la vie de tous les jours, comme l'air que vous respirez, l'hélium dans un ballon de fête ou le méthane, le "gaz naturel" que vous utilisez pour cuire les aliments. Ces substances ont en commun des propriétés très similaires, notamment la façon dont elles réagissent à la pression et à la chaleur. Cependant, à très basse température, la plupart des vrais gaz se transforment en liquide. Un gaz parfait, par comparaison, est plus une idée abstraite utile qu'une substance réelle; par exemple, un gaz parfait ne se transforme jamais en liquide, et il n'y a pas de limite à sa compressibilité. Cependant, la plupart des gaz réels sont suffisamment proches d'un gaz parfait pour que vous puissiez utiliser la loi des gaz parfaits pour résoudre de nombreux problèmes pratiques.

Les équations de la loi des gaz parfaits ont la pression et le volume d'un côté du signe égal et la quantité et la température de l'autre. Cela signifie que le produit de la pression et du volume reste proportionnel au produit de la quantité et de la température. Si, par exemple, vous augmentez la température d'une quantité fixe de gaz dans un volume fixe, la pression doit également augmenter. Ou, si vous maintenez la pression constante, le gaz doit se dilater dans un plus grand volume.

Pour utiliser correctement la loi des gaz parfaits, vous devez utiliser des unités absolues de température. Les degrés Celsius et Fahrenheit ne fonctionneront pas car ils peuvent atteindre des nombres négatifs. Les températures négatives dans la loi des gaz parfaits vous donnent une pression ou un volume négatif, ce qui ne peut pas exister. Utilisez plutôt l'échelle Kelvin, qui commence au zéro absolu. Si vous travaillez avec des unités anglaises et que vous souhaitez une échelle liée à Fahrenheit, utilisez l'échelle Rankine, qui commence également au zéro absolu.

La première forme courante de l'équation du gaz idéal est PV = nRT, où P est la pression, V est le volume, n est le nombre de moles de gaz, R est une constante de proportionnalité, généralement 8,314, et T est la température. Pour le système métrique, utilisez des pascals pour la pression, des mètres cubes pour le volume et des Kelvins pour la température. Pour prendre un exemple, 1 mole d'hélium gazeux à 300 Kelvins (température ambiante) est inférieure à 101 kilopascals de pression (pression au niveau de la mer). Quel volume occupe-t-il? Prenez PV = nRT et divisez les deux côtés par P, en laissant V seul sur le côté gauche. L'équation devient V = nRT P. Une mole (n) fois 8,314 (R) fois 300 Kelvins (T) divisé par 101 000 pascals (P) donne 0,0247 mètres cubes de volume, soit 24,7 litres.

Dans les cours de sciences, une autre forme courante d'équation des gaz parfaits que vous verrez est PV = NkT. Le grand "N" est le nombre de particules (molécules ou atomes), et k est une constante de Boltzmann, un nombre qui vous permet d'utiliser le nombre de particules au lieu de moles. Notez que pour l'hélium et les autres gaz nobles, vous utilisez des atomes; pour tous les autres gaz, utiliser des molécules. Utilisez cette équation de la même manière que la précédente. Par exemple, un réservoir de 1 litre contient 10²³ molécules d'azote. Si vous abaissez la température à 200 Kelvins, quelle est la pression du gaz dans le réservoir? Prenez PV = NkT et divisez les deux côtés par V, laissant P par lui-même. L'équation devient P = NkT V. Multiplier 10²³ molécules (N) par la constante de Boltzmann (1,38 x 10^-23), multipliez par 200 Kelvins (T) puis divisez par 0,001 mètre cube (1 litre) pour obtenir la pression: 276 kilopascals.