ENSEIGNER
dimanche 24 septembre 2017
icar Vesion anglaise

THEME: Etude des gaz (Marrakech)
Maroc  -  Première (2ème année)  -  Gaz

Activité 3: Mesure de la pression atmosphérique

 
Expérience de Torricelli :
Suivez bien votre professeur qui réalise l’expérience du montage représenté dans la figure 4. Un tube d’environ un mètre de longueur rempli de mercure est retourné sur une cuve remplie de mercure .
Discutez en dyade avant de donner une réponse commune pour chacune des questions suivantes :
1. Qu’y a-t-il en haut du tube retourné ?
2. Pourquoi le tube retourné ne se vide-t-il pas totalement du liquide qu’il contient ?
3. Que vaut la pression en B (un point de la surface libre du mercure) et en A (un point du même plan horizontal que B ; mais se trouvant sous le tube) ?


But: Mesure de la pression atmosphérique

Cette activité vise à ce que les élèves arrivent à :
  • Avoir une idée sur une méthode historique de mesure de la pression atmosphérique ;
  • Manipuler différentes unités de la pression.

Corrigé: Mesure de la pression atmosphérique

  1. Dans le haut du tube retourné, il y a du vide.
  2. la pression en B et en A est égale à la pression atmosphérique
  3. c’est la pression de l’atmosphère sur la surface libre de la cuve qui empêche le mercure de descendre du tube retourné

Préparation: Mesure de la pression atmosphérique

Le professeur aide les élèves à reconnaître le vide qui apparaît dans la partie supérieure du tube retourné et à ne pas le confondre (comme il est prévu) avec de l’air qui aurait remonté dans le tube.
Le professeur guide les élèves pour comparer la pression exercée sur un point B de la « surface libre » du mercure et un autre point A du même niveau mais se trouvant sous le tube retourné. Ici, une étude succincte du principe fondamental de l’hydrostatique est inévitable pour que les élèves puissent progresser. La pression en A est calculée à partir du poids de la colonne du mercure au dessus de la surface contenant le point A.
Les élèves s’exercent à exprimer la pression atmosphérique en utilisant les unités suivantes : le pascal, le bar, l’atmosphère et le cm de mercure.

Savoir: Mesure de la pression atmosphérique

Pressions hydrostatique et aérostatique
Dans un liquide, la masse de fluide par unité de volume (ou masse volumique), ?, est constante. Autrement dit, si l'on «isolait» d’une masse de liquide une masse plus petite, pour la déplacer au sein de ce liquide, son volume ne changerait pas sous l'effet des variations de pression. La différence de pression entre deux niveaux z1 et z2 se calcule aisément.
En ce qui concerne les fluides compressibles, la masse volumique n'est plus constante. Le volume d’une petite masse de gaz diminue (elle se comprime) si la pression qu'elle subit augmente, ou augmente (elle se dilate) si cette pression diminue. La masse du cylindre gazeux ne se calcule plus comme précédemment, puisque ? varie avec z. Pour être ramené au cas précédent, on considère un cylindre de hauteur infiniment petite, dz, situé au niveau z, et de masse volumique ? (z). La différence de pression, dp, entre les deux faces du cylindre s'écrit: dp = – ? (z)gdz. En intégrant cette équation, on peut calculer la pression atmosphérique, en admettant que l'atmosphère soit isotherme. Cette hypothèse, loin d'être vérifiée dans la troposphère (les 10 premiers kilomètres), peut se justifier dans la stratosphère (entre 10 et 50 km). Dans le cas d'un gaz parfait, avec R constante des gaz parfaits, et M masse molaire moyenne de l'air sec (dépourvu de vapeur d'eau), sachant que ? (z) = M/V, on déduit ? (z) de l'équation d'état PV = RT pour obtenir: p = poe(– Mgz/RT).

Cas de la pression atmosphérique
La pression à la surface du globe, p, oscille localement et dans letemps autour d'une valeur moyenne de 1 013 hPa. Le maximum de pression, mesuré en Sibérie occidentale, est de 1 078 hPa, et le minimum, enregistré dans l'océan Pacifique, au large des Philippines, de 887 hPa. Les variations de pression au voisinage du sol, bien que de faible amplitude, ont une grande importance en météorologie, car les mouvements de l'air leur sont fortement liés. Ces gradients de pression, associés à la force de Coriolis (due à la rotation de la Terre), donnent naissance aux vents géostrophiques, qui suivent les lignes isobares (lignes d'égale pression prises sur une surface de niveau). Soit, dans l'hémisphère Nord, un observateur tournant le dos au vent: les basses pressions (dépressions) se situent à sa gauche, et les hautes pressions (anticyclones) à sa droite (c'est l'inverse dans l'hémisphère Sud). On observe un phénomène analogue lorsque l'on vide un lavabo: il se crée une dépression, et par suite un tourbillon qui tourne dans le sens inverse des aiguilles d'une montre dans l'hémisphère Nord, dans le sens direct dans l'hémisphère Sud (règle de Buys-Ballot). La pression atmosphérique diminue avec l'altitude. Elle est divisée approximativement par 10 chaque fois que l'on s'élève de 16 km. De l'ordre de 550 hPa au sommet des Alpes, elle descend à 300 hPa au sommet de l'Himalaya. Au-delà de 5 000 m, la pression partielle de l'oxygène, comme la pression atmosphérique totale, est divisée par deux; elle ne permet plus la respiration humaine ou la carburation des moteurs.
Les déplacements à ces altitudes exigent un apport complémentaire d'oxygène (réserves et masques à oxygène, pressurisation des cabines dans les avions).Appareils de mesure de pression On appelle manomètres les appareils servant à mesurer la pression (le nom de baromètre est réservé aux manomètres qui mesurent la pression atmosphérique). Leur principe de fonctionnement dépend de l'ordre de grandeur des pressions à mesurer, du type d'utilisation et de la fiabilité demandée.Types de manomètres Les manomètres à liquide, très précis, sont souvent utilisés pour l'étalonnage des autres types de manomètres. Le plus connu est incontestablement le baromètre à mercure, inventé en 1643 par Evangelista Torricelli. Inspiré par une idée de Galilée, dont il avait été l'élève, il retourne un tube rempli de mercure au-dessus d'une cuve de mercure et constate qu'une partie du liquide reste dans le tube. La pression qui s'exerce sur la surface libre de la cuve équilibre donc le poids de la colonne de mercure. Torricelli met ainsi en évidence la pression atmosphérique et crée, pour la première fois, un vide permanent dans la partie supérieure du tube (appelée chambre barométrique). Sachant que P = rgh, on peut calculer la pression atmosphérique en mesurant la hauteur de mercure. Les manomètres à liquide fonctionnent tous sur ce principe. Les manomètres à air libre, dont la partie supérieure du tube n'est pas fermée, servent à mesurer une pression relative, différence entre la pression à mesurer et la pression atmosphérique. De manière générale, on appelle manomètre différentiel un appareil qui permet de mesurer une différence de pression.