C3 - Quelques propriétés de l'air
1. L'air a-t-il une masse ?
L'air comme tous les gaz possède une masse. Un litre d'air a une masse d'environ un gramme dans les conditions usuelles de température et de pression.
Pour aller plus loin...
Si l'on réalise des mesures précises dans les conditions précédemment citées (température de 20°C et pression de l'ordre de 1 bar), on obtient une valeur proche de 1,2g pour la masse de 1L d'air. Cette masse est tout simplement due au fait que l'air est un gaz constitué de molécules, or les molécules possédant une masse, l'air aussi...
2. L'air est-il compressible ?
Utilisons une seringue contenant de l'air pour vérifier si l'air est compressible.
On emprisonne une certaine quantité d'air dans une seringue en la bouchant avec le doigt.
Si on pousse le piston, le volume d'air dans la seringue diminue : l'air est compressible (on peut réduire son volume en augmentant sa pression).
Si on tire le piston, on augmente le volume de l'air dans la seringue : l'air est expansible (on peut augmenter son volume en réduisant sa pression).
On peut expliquer la compressibilité de l'air et de l'ensemble des gaz en général en utilisant le modèle moléculaire de l'air. (Cliquer sur l'image pour voir l'animation)
Remarque : si on réalise la même expérience de compression avec des liquides, on s'aperçoit que ces derniers ne sont pas compressibles. En effet, les molécules d'un liquide sont compactes, aussi, il n'est pas possible de les rapprocher davantage qu'elles ne le sont déjà.
3. Qu'est-ce que la pression ?
La pression de l'air est la force qu'exercent les molécules d'air sur les parois d'un objet. C'est une grandeur physique qui se mesure à l'aide d'un manomètre et son unité dans le système international est le pascal (Pa).
Remarque : il existe d'autres unités de pression telles que le bar, le millimètre de mercure (mmHg) ou encore l'atmosphère (atm). Il existe une correspondance entre ces différentes unités :
1 bar = 100 000 Pa = 0,987 atm = 750 mmHg
L'objectif de ce TP est de reproduire l'écrasement du wagon citerne (c.f. vidéo Myth Busters : impossible tank car implosion) en classe avec une canette métallique et de comprendre le phénomène physique qui se cache derrière tout ça...
Explication de l'expérience
(1) On place quelques mL d'eau dans une canette métallique. Il y a donc de l'eau liquide et de l'air (sous forme de gaz) à l'intérieur de la canette. A l'extérieur, il y a de l'air aussi : les pressions à l'intérieur et à l'extérieur sont donc les mêmes et s'équilibrent de chaque côtés de la paroi métallique.
(2) On fait bouillir l'eau dans la canette. L'eau liquide se vaporise et "chasse" l'air de la canette qui se trouve alors pleine de vapeur d'eau. Les pressions à l'intérieur et à l'extérieur sont toujours les mêmes et s'équilibrent.
(3) On retourne alors rapidement la canette sur un cristallisoir rempli d'eau froide. La vapeur d'eau à l'intérieur de la cannette redevient liquide au contact de l'eau froide du cristallisoir. La canette se retrouve alors remplie de vide et la pression à l'intérieur diminue brusquement tandis que la pression à l'extérieur reste la même. La pression de l'air est alors supérieure à la pression à l'intérieur de la canette : l'équilibre est rompu et la canette est alors écrasée par l'air extérieur.
(4) A la fin de l'expérience, de l'air rentre à nouveau dans la canette, les pressions intérieure et extérieure sont à nouveau à l'équilibre : il ne se passe plus rien.
