Physique - Chimie. De l air qui nous entoure à la molécule. Un gaz est compressible

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1 Niveau 4 ème Physique - Chimie Document du professeur 1/ 8 De l air qui nous entoure à la molécule Un gaz est compressible Programme A. De l air qui nous entoure à la molécule Cette séance expérimentale illustre la partie de programme ci-dessous, parue dans l'annexe IV à l'arrêté du 6 avril 2007 publié au BO hors série n 6 du 19 avril 2007, afin de tenir du socle commun de connaissances et de compétences au collège ( B.O. n 29 du 20 juillet 2006). Connaissances Capacités Exemples d'activités VOLUME ET MASSE DE L AIR L'air a-t-il un volume propre? A-t-il une masse? L état gazeux est un des états de la matière. Un gaz est compressible. Interpréter une expérience par la matérialité de l air. Mettre en évidence le caractère compressible d un gaz. Utiliser un capteur de pression. [Thème : Météorologie et climatologie] [Mathématiques : grandeurs et mesures] [Technologie : Architecture et cadre de vie ; Énergie et environnement] Compression de l'air contenu dans un piston ou une seringue, associée à la mesure de sa pression. Pré requis de l élève o L élève sait que l air est un mélange de gaz. Mots clés o Air o Compressible o Volume o Pression o Manomètre Prévoir Matériel Poste élève Tube à essais 20 ml Cristallisoir Seringue graduée 50 ml Dispositif seringue manomètre Élastique Référence ou PIERRON 2007 Compressibilité de l air (page 1)

2 Document du professeur 2/ 8 Remarques, astuces o Pour l activité 1, prévoir des cristallisoirs suffisamment profonds et prévoir que si l élève doit y plonger les mains, il ne faut pas provoquer de débordement! o Pour l activité 3, il faut veiller à ce qu il n y ait aucune fuite entre l embout de la seringue et celui du manomètre. Prendre des tubes de jonction en polyéthylène souple de diamètre légèrement inférieur à ceux des embouts, éventuellement mettre des colliers de serrage. Prolongements o Météorologie et climatologie : pression atmosphérique, dépression, anticyclone La pression atmosphérique correspond, pour une altitude donnée, à l action exercée par la colonne d'air (depuis cette altitude jusqu'à la limite supérieure de l'atmosphère) sur une surface d un mètre carré. L'unité de mesure de la pression utilisée en météorologie, est l'hectopascal (hpa) multiple de l'unité internationale de pression : le pascal (Pa). En établissant une carte des pressions au niveau des mers, on s'aperçoit que la valeur de la pression atmosphérique n'est pas la même dans toute une région. Il existe des zones où la pression présente un minimum relatif (les dépressions) et d'autres où la pression présente un maximum relatif (les anticyclones). Pour visualiser ce champ de pression, ce qui permet d'en apprécier les variations, on figure sur un fond géographique les valeurs mesurées en différents points à l'instant considéré et à partir de cet ensemble de valeurs numériques, on trace des lignes d'égales pressions : les isobares. Carte isobarique Lundi 13 mars 2007, 12h Anticyclones et dépressions : La pression atmosphérique normale (ou pression atmosphérique standard) est la pression exercée au niveau moyen de la mer par une colonne verticale de 760 millimètres de mercure à la température de 0 Celsius ; sa valeur est fixée à 1 013,25 hpa. Lorsque la pression relevée est supérieure à la pression atmosphérique normale on parle de situation anticyclonique. Sous nos latitudes, les anticyclones sont généralement accompagnés de beau temps. Toutefois, cela n'exclut pas l hiver un temps froid et sec avec un ciel bien dégagé, et en été des orages locaux. Lorsque la pression relevée est inférieure à la pression atmosphérique normale on parle de situation dépressionnaire. Les dépressions sont caractéristiques des perturbations atmosphériques. Elles s accompagnent souvent de vent et de pluie. PIERRON 2007 Compressibilité de l air (page 2)

3 Document du professeur 3/ 8 o Histoire des sciences : invention du baromètre A l époque de Galilée, les fontainiers de Florence ne disposaient d aucune pompe aspirante pour monter l eau à plus de dix-huit brasses, soit une dizaine de mètres, au-dessus du fleuve Arno. Même celles inventées par les grands ingénieurs de la ville n y arrivaient pas! En désespoir de cause, les fontainiers décident de s adresser à quelqu un de bien plus savant que tous les ingénieurs réunis : l illustre Galilée en personne. Malheureusement, le grand homme est arrivé à la fin de sa vie et meurt en Deux ans passent et Torricelli, mathématicien, élève et disciple de Galilée, se met à l étude du phénomène. Il est amené à faire des expériences avec d énormes colonnes d eau. Mais manipuler des colonnes d eau de plus de 10 mètres de hauteur n est pas facile. Torricelli a donc l idée de remplacer l eau par du mercure, un liquide plus dense, aussi nommé «vif-argent». Torricelli remplit un tube de verre avec du mercure, le bouche avec le doigt et le retourne sur un bassin rempli, lui aussi, de mercure. Torricelli observe que le mercure ne se vide pas dans le bassin, et qu il en reste toujours environ 76 cm dans le tube, et ce, quelle que soit la hauteur du tube. Il pense alors que c est l air qui fait pression sur le bassin et empêche le tube de se vider : la pression de l air crée une force qui équilibre le poids du mercure. Le baromètre était né! Baromètre type Fortin Expérience de Torricelli Les unités : L unité légale de pression est le «pascal» (Pa) qui correspond à la pression exercée par une force de 1 newton s exerçant perpendiculairement et uniformément sur une surface plane de 1 m 2. Les météorologues emploient l hectopascal (hpa) qui vaut 100 Pa. La pression exercée par une hauteur de 76 cm de mercure vaut 1013 hpa, ce qui correspond à la pression atmosphérique «normale» au niveau de la mer. 1 bar = Pa ce qui correspond pratiquement à la force exercée par le poids d une masse de 1 kilogramme s exerçant perpendiculairement et uniformément sur une surface plane de 1 cm 2 PIERRON 2007 Compressibilité de l air (page 3)

4 Pistes d évaluation I Note expérimentale Activité1 - Positionner l élastique - Enfoncer le tube sans laisser s échapper d air - Manipuler proprement (pas d eau sur la paillasse) Activité2 - Placer le piston à mi-course - Enfoncer le piston - Tirer le piston Activité3 - Emprisonner 50 ml d air - Remplissage du tableau de mesures Note expérimentale Document du professeur 4/ 8 /10 II Note théorique Activité 1 : 2 observations, 3 interprétations et conclusion 3 points Activité 2 : 8 phrases à compléter (observations) 4 points Activité 3 : analyses des mesures et conclusion 3 points Note théorique /10 PIERRON 2007 Compressibilité de l air (page 4)

5 Nom : Prénom : Classe : Date : Physique - Chimie De l air qui nous entoure à la molécule Caractère compressible d un gaz Document du professeur 5/ 8 Objectifs o Déterminer si l air a un volume propre. o Mettre en évidence quelques propriétés de l air. o Mesurer la pression de l air. ACTIVITE 1 : Découvrir si l air a un volume propre? 1. Expérience Vous disposez d un cristallisoir, d un tube à essais et d un élastique. Plonger verticalement le tube plein d air, ouverture vers le bas, dans l eau du cristallisoir d environ un tiers de sa longueur (doc.1). Le tube ne doit pas toucher le fond du cristallisoir. Marquer le niveau de l eau dans le tube à l aide de l élastique. Enfoncer maintenant le plus possible le tube tenu verticalement pour qu aucune bulle ne s échappe et indiquer sur le schéma (doc. 2) le niveau de l eau dans le tube ainsi que l emplacement de l élastique lors de la première manipulation. Schéma de l expérience Observer le niveau de l eau dans le tube. Que s est-il passé? Il augmente Le volume d air dans le tube augmente-t-il, reste-t-il inchangé ou diminue-t-il? Il diminue La quantité d air dans le tube a-t-elle été modifiée? Elle n est pas modifiée Maintenir le tube enfoncé mais moins fermement sans le lâcher. Quel est alors son comportement naturel? Il remonte Comment varie le volume d air quand vous lâchez le tube? Il augmente 2. Conclusion (à compléter) Naturellement, l air.occupe toute la place disponible. L air, comme tous les gaz,.. n a pas.de volume propre. PIERRON 2007 Compressibilité de l air (page 5)

6 Document du professeur 6/ 8 ACTIVITE 2 : Mettre en évidence quelques propriétés de l air 1. Expérience a. Vous disposez d une seringue. Placer le piston de la seringue à mi-course. Boucher l orifice de la seringue avec un doigt afin d emprisonner une certaine quantité d air. - Appuyer sur le piston et compléter les phrases suivantes : Le volume d air enfermé à l intérieur de la seringue a diminué... La quantité d air n est pas modifiée... L air enfermé pousse sur le doigt ; sa pression a augmenté. L air est dit compressible. PIERRON 2007 Compressibilité de l air (page 6)

7 - Tirer sur le piston et compléter les phrases suivantes : Le volume d air enfermé à l intérieur de la seringue a augmenté... La quantité d air n est pas modifiée... L air enfermé aspire le doigt ; sa pression a diminué. L air est dit expansible. Document du professeur 7/ 8 2. Conclusion (à compléter) Un gaz est compressible : le volume qu il occupe peut être diminué... Un gaz est expansible : le volume qu il occupe peut être...augmenté... ACTIVITE 3 : Mesurer la pression de l air 1. Expérience Vous disposez d un dispositif seringue - manomètre comme sur la photographie ci-contre Un MANOMETRE est un instrument de mesure qui sert à déterminer la pression d un gaz ou d un mélange de gaz enfermé dans une enceinte. Le garagiste utilise un manomètre pour contrôler la pression des pneus. Le manomètre que vous avez à votre disposition, utilise comme unité le bar (soit Pa). La pression atmosphérique normale (pression de l air se trouvant dans la salle) vaut pratiquement 1 bar. - L embout reliant le manomètre à la seringue étant retiré, emprisonner dans la seringue un volume de 50 ml d air. Relier ensuite le manomètre à la seringue et laisser le piston libre. PIERRON 2007 Compressibilité de l air (page 7)

8 Document du professeur 8/ 8 Quelle est la valeur de la pression indiquée par le manomètre? 1bar. Pourquoi trouve-t-on cette valeur? La pression de l air enfermé dans la seringue est la même que celle de la piéce car l air enfermé dans la seringue ne subit aucune contrainte du piston. L air prélevé dans la piéce conserve la même pression.. Réaliser les expériences nécessaires afin de compléter le tableau ci-dessous : Volume occupé par l air (en ml) Pression (en bar) Piston libre V = 50mL 1 bar.. Piston enfoncé V = 30 ml 1,5 bar.. Piston tiré V = 70 ml 0,7 bar.. Observer les résultats du tableau et répondre aux questions suivantes : Comment varie la pression de l air lorsque son volume diminue? Elle augmente.. Comment varie la pression de l air lorsque son volume augmente? Elle diminue.. 2. Conclusion (à compléter) A température constante, le volume et la pression d une masse constante de gaz varient en sens inverse.... PIERRON 2007 Compressibilité de l air (page 8)