Selon la théorie moléculaire cinétique, un gaz est constitué d'un grand nombre de minuscules molécules, toutes en mouvement aléatoire constant, entrant en collision les unes avec les autres et avec le récipient qui les contient. La pression est le résultat net de la force de ces collisions contre la paroi du conteneur, et la température définit la vitesse globale des molécules. Plusieurs expériences scientifiques illustrent les relations entre la température, la pression et le volume de gaz.
Ballon à l'azote liquide
L'azote liquide est un gaz liquéfié bon marché disponible auprès de la plupart des distributeurs de soudage industriel; sa température extrêmement basse vous permet de démontrer de façon spectaculaire plusieurs principes de la théorie moléculaire cinétique. Bien qu'il soit relativement sûr, son utilisation nécessite l'utilisation de gants cryogéniques et de lunettes de sécurité. Procurez-vous quelques litres d'azote liquide et un récipient en polystyrène ouvert comme une glacière de pique-nique. Gonflez un ballon de fête et attachez-le. Versez l'azote liquide dans le récipient et placez le ballon au-dessus du liquide. Dans quelques instants, vous verrez le ballon rétrécir sensiblement jusqu'à ce qu'il se dégonfle complètement. Le froid extrême ralentit les molécules dans le gaz, ce qui réduit également la pression et le volume. Retirez délicatement le ballon du récipient et posez-le sur le sol. En se réchauffant, il reprendra sa taille initiale.
Pression et volume à température constante
Si vous modifiez lentement le volume d'un conteneur de gaz, la pression change également mais la température reste stable. Pour le démontrer, vous avez besoin d'une seringue hermétique marquée en millilitres et d'un manomètre. Tout d'abord, retirez la seringue de manière à ce que le piston soit à sa marque la plus haute. Notez la lecture de la pression et le volume de la seringue. Appuyez sur le piston de la seringue d'1 millilitre et notez la pression et le volume. Répétez le processus plusieurs fois. Lorsque vous multipliez le volume par la pression pour chaque lecture, vous devriez obtenir le même résultat numérique. Cette expérience illustre la loi de Boyle, qui dit que lorsque la température est constante, le produit de la pression et de la température est également constant.
Allumeur à compression
Un allumeur à compression est un dispositif de démonstration constitué d'un piston à l'intérieur d'un cylindre transparent fermé. Si vous placez un morceau de papier de soie dans le cylindre et vissez le bouchon, puis frappez la poignée du piston avec votre main, l'action comprime rapidement l'air à l'intérieur. Cela produit une condition appelée chauffage adiabatique: soudainement confiné dans un espace plus petit, l'air devient suffisamment chaud pour enflammer le papier.
Estimation du zéro absolu
Un appareil à volume constant se compose d'une ampoule en métal avec un manomètre attaché. L'ampoule contient de l'air à une pression de 14,7 PSI. À l'aide de cet appareil, vous pouvez estimer la pression lorsque la température est au zéro absolu. Pour ce faire, vous aurez besoin de trois récipients: un contenant de l'eau bouillante, un autre contenant de l'eau glacée et un troisième contenant de l'azote liquide. Plongez la poire métallique dans le bain d'eau chaude et attendez quelques minutes que la température se stabilise. Notez la pression indiquée sur le manomètre, ainsi que la température en kelvins -- 373. Ensuite, placez l'ampoule dans le bain d'eau glacée et notez à nouveau la pression et la température, 273 kelvins. Répétez avec l'azote liquide à 77 kelvins. À l'aide de papier millimétré, marquez les points enregistrés, avec la pression sur l'axe des y et la température sur l'axe des x. Vous devriez être capable de tracer une ligne assez droite à travers les points qui coupent l'axe des y, indiquant la pression lorsque la température est de zéro kelvin.