Gaz et liquides

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L'essentiel

Dès l'Antiquité, l'homme, plus technique que scientifique à proprement parler, s'est intéressé aux liquides et aux gaz, mais essentiellement dans des considérations statiques, c'est-à-dire dans des problèmes liés à l'équilibre des objets, à la notion de centres de gravité ou de poussée (cas des navires), mais pas lorsque les fluides sont eux-mêmes en mouvement. Ainsi, des personnages aussi illustres qu'Archimède ou Aristote, vont contribuer à étayer les connaissances dans ces disciplines. Plus tard, après les contributions de Galilée à la mécanique générale des corps, et celles de Newton grâce à sa loi de l'attraction universelle, de nombreuses avancées seront faites, notamment par Torricelli, Pascal, Mariotte, Euler, Lagrange. L'étude de la pression ouvre la voie à la mise aux points des premières machines. C'est en 1648 qu'a lieu la célèbre expérience de Pascal au puy de Dôme, qui met en évidence l'action que peut exercer l'atmosphère ; un peu plus tard, en 1654, Geuricke mènera à bien son expérience des deux hémisphères accolés entre lesquels est fait un vide, et sur lesquels il faut exercer une force considérable (deux attelages de 8 chevaux) pour les séparer. À la fin du xviiie siècle, Watt inventera la première machine à vapeur, tandis que l'aérostat des frères Montgolfier s'élève dans le ciel de Paris le 21 novembre 1783 emportant les premiers hommes dans le ciel ; Gay-Lussac s'élèvera quant à lui à près de 6 500 m d'altitude en 1804… Il paraît naturel que l'homme se soit très vite intéressé aux gaz et aux liquides : ne sommes-nous pas en permanence au contact de l'air atmosphérique ; la Terre n'est-elle pas recouverte par plus de 60 % d'eau liquide ?

La fiche

Propriétés communes aux gaz et aux liquides
Gaz et liquides correspondent à une phase de la matière qui n'est pas ordonnée comme un solide bien rigide. Pour cette raison, l'agitation des molécules rend possible leur déformation, et plus faciles leur réactions.
Absence de volume propre et interprétation microscopique
Les liquides et les gaz ne possèdent pas de volume propre, ils épousent la forme du récipient qui les contient. Du point de vue microscopique, les particules qui les constituent (atomes ou molécules) sont agitées d'un mouvement désordonné. Dans le cas du liquide, cette agitation n'est pas suffisante pour que les particules puissent s'éloigner beaucoup les unes des autres : il existe encore une interaction de faible intensité entre molécules. En revanche, dans un gaz, les particules sont quasi indépendantes les unes des autres et cherchent à occuper le plus grand volume possible, cela d'autant plus que le gaz est chaud. C'est pourquoi il est très difficile de conserver un gaz, en raison de la grande place qu'il occupe et de l'instabilité que son emprisonnement représente. Pour stocker un gaz, on préfère le pressuriser ; si la pression que l'on exerce sur les particules est suffisante, elles passent à état liquide plus discipliné. Ce changement d'état est appelé la liquéfaction du gaz ; le changement d'état inverse est la vaporisation.
Pression
La force avec laquelle les particules agitées viennent taper contre les parois du récipient correspond à la force de pression du gaz. La pression du gaz est en effet définie par P = \frac{F}{S}, où F est la force (en newtons) qu'exerce le gaz, et S la surface du récipient. L'unité de la pression est le pascal Pa.

Exemples : la pression atmosphérique correspond à une pression de l'ordre de 1 013 hPa (hectopascals)
soit 1 013 × 100 Pa = 1,013 × 105Pa. Dans de l'eau, lorsqu'on fait de la plongée, on estime que la pression double tous les 10 mètres de plongée.
Quand on chauffe (modérément) un gaz, on accroît l'agitation de ses constituants élémentaires (atomes ou molécules). Cette augmentation d'agitation conduit les particules à entrer en collision de plus en plus fréquemment, cette agitation est responsable de l'augmentation de la température du gaz. En même temps, les particules, de plus en plus agitées, viennent taper sur les parois du récipient de plus en plus fréquemment et de plus en plus fortement. L'ensemble de ces forces microscopiques, qui correspond à la force pressante (reliée à la pression), augmente donc : la pression du gaz augmente. La force pressante exercée par le gaz sur son récipient augmente, si le récipient qui contient le gaz peut se distendre, alors l'augmentation de la force pressante va aboutir à une déformation du récipient. Le gaz se dilate. Son volume ne se conserve donc pas, il augmente.
Cette augmentation de température ne modifie pas la nature des particules, qui restent toujours en même nombre. Seule la distance moyenne entre les particules augmente pendant la dilatation du gaz. La quantité de matière (qui est le nombre de particules exprimé en multiple du nombre Na = 6,02 × 1023) ne change donc pas. Comme le nombre de particules ne change pas, la masse totale ne varie pas non plus (c'est le produit du nombre de particules par la masse d'une seule particule). La masse volumique est définie par \frac{m}{V}, où m est la masse totale du gaz et V son volume. Au cours de la dilatation, m reste constant et V augmente, donc la masse volumique diminue.
Poussée d'Archimède
La poussée d'Archimède, qui explique par exemple la flottaison des bateaux sur l'eau ou le fonctionnement des montgolfières, est une force, homogène à un poids, et qui est l'exact opposé du poids du volume de fluide (liquide ou gaz) occupé en réalité par le solide. Cette force peut donc s'écrire en valeur mfluide × g, si mfluide est la masse de fluide déplacé. Cette force est toujours dirigée selon la verticale (locale) et vers le haut. Cette force ne doit donc pas être confondue avec une force de frottement (résistance de l'air ou de l'eau par exemple).
Exemples :
  • il est plus facile d'exercer un effort musculaire dans une piscine qu'en surface sur la terre ferme. On peut montrer que le poids mesuré avec une balance dans l'air est environ 4 fois plus élevé que celui mesuré au fond d'une piscine. En effet, la poussée d'Archimède tend à s'opposer à la force d'attraction exercée par la Terre (qui l'attire vers le fond) et, en apparence, l'homme ressent un poids plus faible ;
  • dans une montgolfière, l'air chaud du ballon est moins dense que celui de l'atmosphère (les molécules y sont plus agitées et plus espacées en moyenne) : la poussée d'Archimède exercée par l'air sur le ballon est d'autant plus grande que la température de l'air contenu dans le ballon est élevée. Plus on chauffe, plus le ballon s'élève…
Réactivité chimique
Cas des liquides
Un liquide peut servir de solvant à d'autres molécules qui sont alors appelées des solutés. Il est préférable qu'une réaction chimique s'effectue en phase liquide (car le contact entre réactifs est alors meilleur) que dans une phase gazeuse ; et les réactifs prennent beaucoup moins de place !
Deux liquides non miscibles ne peuvent pas se mélanger complètement. Au niveau microscopique, les particules de chacun des deux liquides n'ont pas d'affinités les unes pour les autres. C'est le cas des molécules d'eau et d'huile. C'est pourquoi les hydrocarbures donnent des nappes de pollution à la surface des mers ou dans les ports.
Les gaz rares
Les gaz rares, aussi appelés gaz nobles, sont dans la dernière colonne de la classification périodique des éléments (tableau de Mendeleïev). Ils ne peuvent s'associer à d'autres atomes, ils sont inertes. Autrement dit, ils ne peuvent échanger d'électrons, car leurs couches électroniques sont complètes. Ces gaz non réactifs sont parmi les plus difficiles à contenir. Ainsi, un ballon de fête foraine gonflé à l'hélium se dégonflera vite, car le gaz est monoatomique et l'hélium est le plus petit des gaz nobles.
L'air
L'air que nous respirons est constitué de diazote N2 à environ 21 % et de dioxygène O2 à 78 %. La combustion d'un matériau nécessite du dioxygène alors appelé un comburant. Lorsqu'il n'y a plus de dioxygène, la combustion cesse d'elle-même. C'est pourquoi, lors d'un incendie, le fait d'étouffer les flammes permet de les éteindre : on les prive du dioxygène indispensable. Le gaz diazote ne participe pas à la combustion. On peut le retrouver intact après une combustion.
Influence de la pression atmosphérique
Le changement d'état « vaporisation » correspond au passage de l'état liquide à l'état gazeux. Il traduit l'« envie » des molécules, relativement agitées dans la phase liquide, de quitter le récipient pour occuper un volume plus grand. Si, au-dessus du récipient, la pression atmosphérique est faible, alors les molécules de l'atmosphère appuient moins fortement sur le dessus du récipient et ne s'opposent plus aussi fermement au départ des molécules de liquide : la vaporisation est donc plus facile, c'est-à-dire la température d'ébullition est plus basse. C'est pourquoi il est plus facile de porter à ébullition de l'eau en haut du mont Blanc (où la pression est faible) qu'en bas où, au contraire, le temps de cuisson des aliments augmente avec l'altitude. C'est le principe même de la cocotte-minute, où la pressurisation empêche les molécules d'eau liquide de se vaporiser aisément et permet de porter l'eau à une température supérieure à 100 °C et donc d'accélérer la cuisson.
Caractéristiques physiques
Outre leurs propriétés chimiques, les gaz ou les liquides peuvent se différencier par l'action qu'ils possèdent par exemple sur la lumière.
Transparence optique et réfraction
Dans un milieu transparent, on définit un indice de réfraction par n = \frac{c}{V}V est la vitesse de la lumière dans le milieu et c est la célérité de la lumière dans le vide. Par définition, puisque le milieu tend habituellement à s'opposer à la propagation de la lumière, on a V < c, soit n > 1. Au passage entre deux milieux d'indice de réfraction différents, la lumière subit une réfraction et peut être déviée.
Exemple : un bloc de verre bien taillé peut faire office de loupe puisque son indice de réfraction est supérieur à celui de l'air (qui vaut 1).
Mirage optique
Si, dans le milieu gazeux où se propage la lumière, il existe une variation de l'indice de réfraction, alors les rayons lumineux vont subir une multitude de petites réfractions et être déviés. C'est ce phénomène que l'on constate dans le cas des mirages optiques : la lumière, dont le parcours est dévié, semble finalement provenir d'un autre endroit.
Brouillard, fumée
Une fumée correspond à une suspension de petites particules solides dans un gaz : c'est un milieu hétérogène de type solide/gaz. En revanche, le brouillard correspond à une suspension de gouttelettes d'eau : c'est donc un milieu hétérogène gaz/eau liquide.

Zoom sur…

L'atmosphère de Titan
Selon la pression de son atmosphère, un astre peut avoir à sa surface des liquides constitués de molécules qui se trouvent habituellement à l'état gazeux sur Terre. C'est le cas de Titan, le plus gros satellite de Saturne, qui a récemment révélé sa surface : il présente un paysage parsemé de lacs de méthane au voisinage de son pôle Nord. Il serait doté d'un cycle hydrologique actif, c'est-à-dire que le méthane liquide joue un rôle similaire à celui de l'eau sur Terre. Cette découverte a été réalisée avec le radar de la sonde Cassini-Huygens de la Nasa, actuellement en orbite autour de la planète Saturne et qui survole régulièrement son satellite, Titan (5 000 km de diamètre). Le 16e survol de Cassini au dessus du pôle nord de Titan a eu lieu le 22 juillet 2006 et a révélé la présence de plus de 75 lacs de méthane liquide. Ils apparaissent comme des structures sombres de forme irrégulière, atteignant parfois plusieurs dizaines de kilomètres. Ils sont associés à des chenaux et des dépressions.
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