ENSEIGNER
dimanche 24 septembre 2017
icar Vesion anglaise

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

Activité 1: Chauffer un gaz à volume constant

 
Suivez bien votre professeur qui réalise l’expérience du montage représenté dans la figure 7. Le dispositif expérimental utilisé est constitué d’un ballon relié à un tube manométrique. Au départ, le ballon est rempli d’air à la température ambiante et sous la pression atmosphérique. On chauffe ensuite le ballon à l’aide d’un bain Marie, puis on détermine pour chaque valeur de température la différence de hauteur du mercure et de là on déduit la pression p de l’air enfermé dans le ballon à l’aide de la relation suivante : p = patm + µgh


Figure 7 : Chauffage d’un gaz à volume constant

On augmente la température en ajoutant de l’eau chaude dans le cristallisoir (ou en utilisant un thermostat).
Discutez en dyade avant de donner une réponse commune aux questions suivantes
  1. comment la pression de l’air dans le ballon évolue-t-elle lorsque la température augmente ?
  2. remplir le tableau suivant :
    T = t (°C) +273,15 (K) h (m) p (Pa)
  3. tracer la courbe p = f(T) et chercher la relation entre p et T.
  4. interpréter la relation établie entre les deux grandeurs.


But: Chauffer un gaz à volume constant

L’objectif principal de cette activité est d’élaborer à partir d’une étude expérimentale la relation entre la température et la pression lors d’un chauffage à volume constant. Les élèves doivent aussi arriver à comprendre que l’augmentation de l’agitation des paticules à volume constant entraîne l’augmentation de la pression, c’et-à-dire l’augmentation du nombre de chocs. Cette activité vise à ce que les élèves arrivent à :
  • Déterminer expérimentalement la relation entre la pression d’un gaz et sa température.
  • Interpréter la relation établie à l’aide du modèle microscopique.

Corrigé: Chauffer un gaz à volume constant

La valeur de la pression p de l’air emprisonné dans le ballon se calcule à l’aide de la relation suivante : p = patm +ρgh. Dans le cas de la pression normale, on a patm= ρgHa avec Ha = 76 cm D’où p = ρgHa +ρ gh = ρg (Ha + h) =ρg H ; avec H désigne la hauteur manométrique La représentation de p en fonction de la température à pression constante est une droite qui ne passe pas par l’origine des axes. Par contre, la courbe p = f(T) est une droite qui passe par l’origine des axes. D’où on établit la relation p = a T Interprétation : toute élévation de température d’un gaz entraîne l’augmentation de l’agitation thermique. Ainsi, le nombre de chocs entre particules du gaz augmente ; et par conséquent, la pression du gaz augmente.

Préparation: Chauffer un gaz à volume constant

Au départ, les élèves devraient indiquer quelles sont parmi les grandeurs qui décrivent l’état d’un gaz celles qui doivent rester constantes pour mener cette étude ; on considérera que ces conditions seront respectées durant toute la durée de l’expérience.
On néglige le volume du gaz (air) présent dans le tube manométrique et dans le tube de liaison l’air devant le volume du ballon, cela nous mène à considérer que le volume V emprisonné dans le ballon reste constant et égal à celui du ballon durant toute l’expérience. La variation relative du volume ne doit pas dépasser 1%.
Le professeur introduit la température absolue en exploitant la courbe tracée par les élèves. En effet, l’intersection de la droite tracée par les élèves et l’axe des températures donne la valeur dite « zéro absolu », température à laquelle la pression du gaz est nulle. En translatant l’origine des axes jusqu’à la graduation –273, on obtient l’échelle absolue où l’axe des températures en (°C) est remplacé par l’axe des températures absolues T en (K) Commentaires sur le savoir à enseigner et informations sur le contenu disciplinaire
On déduit la pression p de l’air emprisonné dans le ballon à l’aide de la relation suivante :
p = patm + ρgh
Dans le cas de la pression normale, on a patm= ρgHa avec Ha = 76 cm
D’où on a p = ρgHa + ρgh = gg (Ha + h) = ρg H
La valeur T = 0 K est la valeur limite dite le « zéro absolu »

L’échelle absolue a une signification physique : elle se rapporte à l’agitation thermique, alors que le choix de l’échelle Celcius est arbitraire ; en effet, il y a d’autres échelles telles que le Fahrenheit et le Réaumur.
Il existe une relation de proportionnalité entre la pression et la température d’un gaz. Dans la théorie cinétique, la température correspond à la valeur de l’énergie moyenne des particules. Toute élévation de température entraîne l’augmentation de l’énergie moyenne de bombardement et, par conséquent, la pression du gaz sur les parois.

La température absolue du gaz :
D'après la théorie cinétique des gaz, la température absolue T est un paramètre qui caractérise l'état thermique du gaz, c’est-à-dire à son degré d'agitation thermique par la relation : 1/2 mv2 = 3/2 kT ; où k est la constante de Boltzmann
Si le degré d'agitation est élevé (c’est-à-dire une grande vitesse), la température du gaz et aussi sa pression sont élevées. La relation 1/2 mv2 = 3/2 kT définit la température absolue en Kelvin (K).

Comportement des élèves: Chauffer un gaz à volume constant

La difficulté majeure que les élèves rencontrent lors de l’apprentissage de la loi de Charles se rapporte, d’une part, à la signification physique de la température absolue et, d’autre part, à la compréhension de la différence entre la température sur l’échelle de Celcius et la température absolue. D’après l’analyse des productions d’élèves qui ont suivi cette unité d’enseignement (un renvoi sur un texte sur les analyses), on s’attend à ce que les élèves fournissent des réponses qui ressemblent aux suivantes : · Chaque fois que la température augmente, la pression augmente · Quand la température augmente, le volume se dilate et les molécules se déplacent dans l’espace crée par la dilatation, ce qui entraîne l’augmentation de la pression · Le nombre de chocs augmente quand le volume diminue et quand le volume augmente le nombre de chocs diminue · Il y a des chocs entre les molécules. Quand la température augmente, le volume se dilate et les molécules sortent du récipient et par conséquent le nombre de chocs augmente · L’augmentation de la température entraîne l’augmentation des molécules
Sequence 1

Activité n° 1: Chauffer un gaz à volume constant

Ce dialogue a lieu alors que les élèves F et G exécutent l’activité1 (« chauffer un gaz à volume constant») de la partie 6 (« chauffage d'un gaz à volume constant»). On chauffe un ballon fermé contenant de l'air à l'aide d'un bain Marie ; on le laisse refroidir en relevant pour chaque valeur de température la pression p de l'air enfermé dans le ballon

(Double-cliquez sur la vidéo pour la lancer)

G L’augmentation de la température qu’est-ce qu’elle entraîne ?
F L’augmentation du volume
G C’est-à-dire il se dilate, ce qui signifie que les molécules se déplacent dans la «dilatation» ce qui entraîne l’augmentation de la pression
F Non, quand il y aura beaucoup de chocs le volume du gaz diminue, ce qui signifie quand le volume du gaz augmente le nombre de chocs diminue
G On a une fiole, les molécules qui se trouve ici entrent en chocs avec ceci
F Evidemment
G Quand la température augmente, le volume se dilate c’est-à-dire il sort de la fiole, donc les molécules sortent d’ici, c’est-à-dire il y aura des chocs contre les parois de la fiole
F Oui, chaque fois que le volume se dilate le nombre de chocs augmente
G C’est-à-dire ils auront le même sort que le volume