La loi de Boyle, la loi de Charles et la loi de G. Lussac
Loi de Boyle
Robert Boyle (1627–1691) a mené des expériences pour étudier la relation quantitative entre la pression et le volume d'un gaz. Cette expérience consistait à placer une certaine quantité de gaz dans un récipient fermé. Il a découvert, avec une assez bonne approximation, que si la température du gaz est maintenue constante, alors lorsque la pression du gaz augmente, son volume diminue. De même, lorsque la pression du gaz diminue, son volume augmente. La pression d'un gaz est inversement proportionnelle à son volume. Cette relation est connue sous le nom de… Loi de BoyleMathématiquement :
La loi de Boyle peut également s'écrire comme suit :
PV = constante → équation 1
P1 V1 = P2 V2 → équation 2
L'équation 1 signifie qu'à température constante (T), si la pression (P) d'un gaz varie, son volume (V) varie également, de sorte que le produit de la pression et du volume reste constant. Autrement dit, si la pression d'un gaz augmente, son volume diminue, et inversement, si la pression diminue, son volume augmente.
Un graphique illustrant la relation entre le volume et la pression ressemble à celui ci-dessous. D'après ses expériences, Robert Boyle a découvert que le volume d'un gaz varie de façon irrégulière, ce qui explique la courbure de la courbe. La pression représentée sur le graphique est la pression absolue, et non la pression relative.
La loi de Charles
Cent ans après la découverte par Robert Boyle de la relation entre volume et pression, le scientifique français Jacques Charles (1746-1823) étudia la relation entre température et volume des gaz. Ses expériences lui permirent de découvrir qu'à pression constante, le volume d'un gaz augmente avec sa température, et inversement, que son volume diminue lorsque sa température baisse.
Les variations de volume des gaz dues aux variations de température sont régulières, ce qui explique l'apparence droite de la courbe sur ce graphique. Si cette courbe était tracée à des températures plus basses, elle couperait l'axe des abscisses à environ -273 °C. oC.
De nombreuses expériences ont montré que, même si l'amplitude de la variation de volume diffère pour chaque gaz, lorsque la courbe du graphique V-T est tracée à basse température, elle coupe toujours l'axe aux alentours de -273 °C. oC. On peut dire que si le gaz est refroidi à 273 oC alors le volume du gaz = 0. Si le gaz est refroidi à nouveau jusqu'à ce que la température soit inférieure à -273 oC alors le volume du gaz sera négatif, ce qui est impossible.
Donc ‐273 oC est la température la plus basse qui puisse être atteinte. Parce que la droite coupe l'axe aux alentours de -273 oC. Il a donc été déterminé d'un commun accord que la température minimale pouvant être atteinte était de -273,15 °C. oC. ‐273,15 oLe zéro absolu est appelé °C et sert de référence pour l'échelle absolue, également connue sous le nom d'échelle Kelvin. Kelvin doit son nom à Lord Kelvin (1824-1907), physicien britannique. Sur cette échelle, la température est exprimée en kelvins (K), et non en degrés Kelvin (K).oK). La distance entre les degrés est la même que sur l'échelle Celsius. 0 K = 273,15 oC et 273,15 K = 0 oC.
La température en degrés Celsius se convertit en kelvins en ajoutant 273,15, et inversement.
T (K) = T (oC) + 273,15
T (oC) = T (K) ‐ 273,15
Information :
T = Température
K = Kelvin
C = Celsius
Si la température est exprimée en kelvins, le graphique ci-dessus ressemblera à l'image ci-dessous.
D'après ce graphique, on peut conclure qu'à pression constante, le volume d'un gaz est toujours directement proportionnel à sa température absolue. Si la température absolue d'un gaz augmente, son volume augmente également ; inversement, si sa température absolue diminue, son volume diminue. Cette relation est connue sous le nom de loi de Charles. Mathématiquement, elle s'écrit comme suit :
Volume ∝ Température → Pression constante
V ∝ T → P constante
La loi de Charles peut également s'écrire ainsi :
L'équation 1 signifie qu'à pression constante (P), si la température absolue (T) d'un gaz varie, son volume (V) varie également. Ainsi, la relation entre température absolue et volume reste constante. Si la température absolue d'un gaz augmente, son volume augmente aussi, et inversement, si elle diminue, son volume diminue. La température absolue d'un gaz est sa température exprimée en kelvins. Si la température est exprimée en degrés Celsius, il faut d'abord la convertir en kelvins.
Loi Gay-Lussac
Joseph Gay-Lussac (1778-1850) a mené une expérience et découvert qu'à volume constant, la température absolue d'un gaz augmente lorsque sa pression augmente. Inversement, la température absolue du gaz diminue lorsque sa pression diminue. À volume constant, la pression d'un gaz est directement proportionnelle à sa température absolue. Cette relation est appelée loi de Gay-Lussac. Mathématiquement :
Pression ∝ Température → Volume constant
P ∝ T → V constante
La loi de Gay-Lussac peut également s'écrire ainsi :
L'équation 1 signifie qu'à volume constant (V), si la pression (P) du gaz varie, sa température absolue (T) varie également, de sorte que la relation entre pression et température absolue reste constante. Autrement dit, si la pression du gaz augmente, sa température absolue augmente aussi, et inversement, si la pression du gaz diminue, sa température absolue diminue également.
La température absolue d'un gaz désigne sa température exprimée en kelvins. Si la température est encore en degrés Celsius, il faut d'abord la convertir en kelvins.
Il est important de noter que les lois de Boyle, de Charles et de Gay-Lussac donnent des résultats précis si la pression et la densité du gaz ne sont pas trop élevées. De plus, ces trois lois ne s'appliquent qu'aux gaz dont la température est éloignée de leur point d'ébullition.
Partant de ce constat, on peut conclure que les lois de Boyle, de Charles et de Gay-Lussac ne s'appliquent pas à tous les gaz. Du fait de leur inapplicabilité à toutes les conditions réelles, il est nécessaire d'introduire le concept de gaz parfait. Or, un gaz parfait n'existe pas dans la réalité. Il s'agit d'un modèle théorique, à l'instar des concepts de corps rigide et de fluide parfait. Par conséquent, nous supposons que les trois lois des gaz mentionnées ci-dessus s'appliquent à tous les gaz parfaits.
Pour résoudre les problèmes liés aux lois des gaz, la température doit être exprimée en kelvins. Si la pression du gaz est encore une pression mesurée, il faut d'abord la convertir en pression absolue. Pression absolue = pression atmosphérique + pression barométriquer.
