Gas

Un gas (al plural gases o gas) es un estat de la matèria caracterizat per d'atòms e de moleculas pauc liats per de fòrças interatomicas ò intermolecularas e animats de movements desordonats. Per aquela rason, un gas a de formas definidas e tend a s'espandir per ocupar tot l'espaci disponible. La màger part dei compausats son a l'estat gasós quand la temperatura aumenta ò quand la pression demenís. En revènge, quand la temperatura demenís ò que la pression aumenta, lei substàncias quimicas an tendància de passar a l'estat liquid ò solid.

Un gas pòu passar a l'estat liquid per liquefaccion e a l'estat solid per condensacion. Dins lei cas contrari, un liquid pòu venir gasós per vaporizacion e un solid pòu passar a l'estat gasós per sublimacion. Enfin, per ionizacion, un gas pòu formar un plasma.

La nocion de gas foguèt descubèrta vèrs 1610 per l'alquimista Jan Baptist van Helmont (1580-1644) en estudiant lo « gas silvèstre » (dioxid de carbòni) format per la combustion dau carbon, l'accion dau vinagre sus certanei pèiras e per la fermentacion de rasins^[1]. Imaginèt lo tèrme « gas » en s'inspirant dau mot grèc το χαος-χαους que designava l'espaci vuege qu'existiá dins la mitologia grèga avans la creacion dau mond. D'efiech, voliá introdurre una nocion de vuege dins aquela de gas.

L'estudi dei gas foguèt lòngtemps limitat per la tecnologia disponibla qu'empachava d'identificar aisament de substàncias gasosas novèlas. En particular, lo diazòt, lo dioxigèn e lo diidrogèn foguèron pas isolats avans leis ans 1760-1770. Pasmens, aquò empediguèt pas l'estudi dei liames entre divèrsei proprietats mesurables coma la pression, lo volum ò la temperatura. Ansin, en 1662, lo sabent irlandés Robert Boyle (1627-1691) descurbiguèt la lèi de Boyle-Mariotte^[2] sus lo comportament elastic d'un gas perfècte somés a una temperatura constanta (PV = constanta)^[3].

Après lei descubèrtas dau sègle XVII, foguèt necessari d'esperar mai d'un sègle avans de veire de progrès novèus dins lo domeni de l'estudi dei gas. Pasmens, entre 1787 e 1834, plusors elements novèus permetèron de definir lo modèl dau gas perfècte. Lo premier foguèt la descubèrta de la lèi de Charles per lo Francés Jacques Charles (1746-1823). Aquela relacion permet d'estabilir un liame de proporcionalitat entre lo volum e la temperatura a pression constanta. Puei, venguèt la lèi de Gay-Lussac, descubèrta en 1802 per Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850), que mostrèt que lo rapòrt entre la pression e la temperatura absoluda es constant a volum constant. Enfin, en 1811, la lèi d'Avogadro^[4] completèt aqueu trabalh en establissent un liame de proporcionalitat entre lo volum e la quantitat de matèria quand la pression e la temperatura demòran constantas.

En parallèl, l'aumentacion dau nombre de gas coneguts permetèt d'estudiar de mesclas de gas. En 1801-1802, John Dalton (1766-1844) descurbiguèt la lèi dei pressions parcialas. Enóncia que la pression totala d'una mescla de gas es egala a la soma dei pressions parcialas de cada gas. Pus tard, aquela descubèrta foguèt completada per la lèi d'Amagat que s'interèssa au volum totau e ai volums parciaus^[5].

L'ensemble d'aquelei recèrcas permetèt en 1834 a Émile Clapeyron (1799-1864) qu'establir la lèi dei gas perfèctes pV = nRT amb R la constanta universala dei gas perfèctes. Aquela relacion permet de modelizar corrèctament lei gas nobles, la màger part dei gas diatomics e, pus generalament, lei gas reaus a una temperatura moderada e sota una pression inferiora a 10 atm. Pasmens, sa precision demenís per lei moleculas pesucas. Per aquela rason, s'es una aproximacion utila, lei recèrcas continuèron per melhorar la descripcion dei gas reaus.

Se lo filosòf roman Lucrèci (vèrs 94-55 avC) emetèt tre l'Antiquitat una idèa que prefigurava la basa de la teoria cinetica dei gas, lei basas vertadieras qu'aquel apròchi foguèron pausadas per Daniel Bernoulli (1700-1782) en 1738 dins Hydrodynamica. D'efiech, i postulèt que lei gas èran constituits d'un gròs nombre de particulas anant dins totei lei direccions, que la fòrça de son impacte sus una superficia èra a l'origina de la pression e que lor energia cinetica mejana èra liada a la temperatura. Pasmens, aquela teoria foguèt pas rapidament acceptada car lei conoissenças de l'epòca èran insufisentas per la confiermar^[6]. D'autrei scientifics de remarca, coma Mikhail Lomonosov (1711-1765), Georges-Louis Le Sage (1724-1803), John Herapath (1790-1868) ò John James Waterston (1811-1883), aguèron pas mai de succès amb de teorias mai ò mens similaras.

Pasmens, dins leis ans 1850, lo desvolopament de la termodinamica permetèt d'evolucions amb un premier modèl, limitat ai movements de translacion dei moleculas, prepausat en 1856 per August Krönig (1822-1879). Un an pus tard, Rudolf Clausius (1822-1888) ne'n publiquèt una version pus sofisticada en i ajustant lei movements de rotacion e de vibracion^[7]. James Clerk Maxwell (1831-1879) desvolopèt mai aquelei trabalhs en 1859 en establissent un modèl de distribucion dei velocitats molecularas dins un gas^[8][9]. Lo fisician estatsunidenc donèt tanben lo premier mecanisme permetent d'explicar lo liame entre la temperatura e lei collisions entre moleculas^[10]. En 1871, Ludwig Boltzmann (1844-1906) perseguiguèron aquelei recèrcas amb la descubèrta de la distribucion de Maxwell-Boltzmann que permetèt de descriure lei collisions entre moleculas. Enfin, Albert Einstein (1879-1955) e Marian Smoluchowski (1872-1917) acabèron la concepcion de la teoria cinetica dei gas modèrna après la descubèrta dau movement brownian. Aquò permetèt ansin d'explicar lo comportament macroscopic d'un gas a partir dei caracteristicas dau movement de sei particulas.

A partir de la segonda mitat dau sègle XIX, lei limits de la lèi dei gas perfèctes venguèron tròp importantas. Aquò entraïnèt lo començament de plusors recèrcas per assaiar de determinar una lèi adaptada a la descripcion dei gas reaus a partir de paramètres experimentaus coma la pression, la temperatura ò lo volum. Lo pus famós foguèt definit en 1873 per Johannes Diderik van der Waals (1837-1923)^[11]. Introduguèt de paramètres que permèton de tenir còmpte dau volum dei particulas e deis interaccions qu'an luòc entre elei.

Lo trabalh de van der Waals inicièt la recèrca d'eqüacions similaras coma l'eqüacion de Benedict–Webb–Rubin (1940) ò l'eqüacion d'estat de Redlich–Kwong (1949). Aquelei relacions permèton d'obtenir de representacions pus precisas dau comportament d'un gas ò d'una mèscla de gas reaus. Pasmens, necessitan generalament la determinacion experimentala de plusors paramètres caracteristics d'una espècia quimica.

• 
  Jan Baptist van Helmont (1580-1644)
• 
  Edme Mariotte (1620-1684)
• 
  Robert Boyle (1627-1691)
• 
  Daniel Bernoulli (1700-1782)
• 
  Jacques Charles (1746-1823)
• 
  John Dalton (1766-1844)
• 
  André-Marie Ampère (1775-1836)
• 
  Amedeo Avogadro (1776-1856)
• 
  Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850)
• 
  Émile Clapeyron (1799-1864)
• 
  Rudolf Clausius (1822-1888)
• 
  Johannes Diderik van der Waals (1837-1923)
• 
  Émile Hilaire Amagat (1841-1915)
• 
  Ludwig Boltzmann (1844-1906)
• 
  Marian Smoluchowski (1872-1917)
• 
  Albert Einstein (1879-1955)

La pression es una grandor fisica que tradutz lei cambis de quantitat de movement dins un sistèma termodinamic. Es tradicionalament definida coma l'intensitat de la fòrça exercida per un gas per unitat d'aira. Dins lo Sistèma Internacionau d'Unitats, es exprimida en pascals de simbòl Pa. Pasmens, l'utilizacion d'autreis unitats coma lo bar, l'atmosfèra ò lo millimètre de mercuri es frequenta car lo pascal es pauc adaptat ai valors rescontrats dins fòrça domenis. La notacion usuala de la pression es p ò P.

La temperatura es una grandor fisica que tèn de definicions diferentas segon lei disciplinas scientificas. Lei tres pus importantas son basadas sus la teorica cinetica dei gas (foncion depintant l'agitacion termica dei particulas), la termodinamica (equilibri dei transferiments termics en plusors sistèmas) e sus la fisica estatistica (a partir de l'entropia). Existís tanben de definicions especificacas dins d'autrei domenis dei sciéncias coma la medecina ò la meteorologia. Lor unitat de mesura internacionala es lo kelvin qu'es generalament utilizat per lei fisicians e lei quimistas. Pasmens, lo gra Celsius e lo gra Fahrenheit (dins lei país anglosaxons), ben adaptats a la vida vidanta, demòran fòrça utilizats. Sa notacion usuala es T.

Lo volum es una grandor fisica que mesura l'extension d'un objècte ò d'una partida de l'espaci. Son unitat dins lo Sistèma d'Unitats Internacionau es lo mètre cubic. Sa notacion usuala es V.

La densitat d'un gas es una grandor fisica sensa unitat que correspònd au rapòrt de sa massa volumica a respècte d'aquela d'un autre còrs chausit coma referéncia. Generalament, la referéncia es l'aire. La variacion de la densitat caracteriza la compressabilitat d'un gas.

La teoria cinetica dei gas es un modèl estatistic que permet d'explicar lo comportament macroscopic d'un gas a partir dei caracteristicas dei movements dei particulas que lo compausan. Pasmens, aquela teoria permet tanben e donar una interpretacion microscopica ai nacions de temperatura e de pression. Per la premiera, correspònd a l'agitacion dei particulas, mesurada per lor energia cinetica. D'efiech, es possible de liar aquela energia E_c au nombre de particulas N, a la constanta de Boltzmann k_b e a la temperatura absoluda :

${\displaystyle E_{c}={\frac {3}{2}}Nk_{B}\,T}$

Per quant a la segonda, es lo resultat dei tuerts dei particulas còntra una superficia en contacte amb lo gas. Es liada a l'energia intèrna U, egala a la soma de l'energia cinetica de l'ensemble dei particulas d'una mòstra de gas, a la pression p e au volum V. Existís divèrsei teorias per exprimir aqueu liame. La pus simpla es aquela dau gas perfècte de Laplace qu'introdutz la nocion de nombre ν de gras de libertat :

${\displaystyle U={\frac {\nu }{2}}p\,V}$

Lo movement brownian es lo modèl matematic utilizat per depintar lo movement aleatòri dei particulas d'un gas. D'efiech, amb lei tecnologias actualas, es impossible de seguir la trajectòria d'una particula de gaz individuala. La multiplicacion dei tuerts, la necessitat de prendre en còmpte de miliards de miliards de particulas e lei dificultats per obtenir d'informacions precisas sus de sistèmas tant pichons complican fòrça la descripcion d'un tau movement. Aquelei trajectòrias irregularas e desordonadas son a l'origina dei mecanismes de propagacion dei gas (entropia).

Lei fòrças intermolecularas son de fòrças electrostaticas qu'induson una atraccion ò una repulsion entre lei particulas d'un gas. Lor intensitat es generalament febla e es pas sufisenta per mantenir ensemble lei moleculas d'una mòstra de gas. Pasmens, permèton d'explicar lei diferéncias observadas entre lei proprietats d'un gas reau e lo modèl dau gas perfècte. Lei fòrças intermolecularas principalas son gropadas dins lei fòrças de van der Waals.

Lo gas perfècte es un modèl que negligís leis interaccions intermolecularas (levat lei collisions) e lo volum pròpri de cada particula. Es famós per la lèi dei gas perfèctes que permet d'establir un liame entre la pression p, lo volum V, la quantitat de matèria n, la constanta dei gas perfèctes R e la temperatura T :

${\displaystyle pV=nRT}$

Aquel modèl es ben adaptat per representar lo comportament d'un gas a bassa pression (es a dire quand leis interaccions molecularas son feblas). En revènge, es erronèu quand la temperatura aumenta e es pas capable de descriure la liquefaccion. La constanta dei gas perfèctes es egala a 8,31 J.K^-1.mol^-1.

Lo gas de van der Waals es lo modèl pus conegut de gas reau. Corregís certaneis errors en integrant dins l'eqüacion dei gas perfèctes un factor de coesion a que representa l'efiech dei fòrças intermolecularas e un factor de covolum que materializa lo volum ocupat per lei particulas :

${\displaystyle \left(P+{\frac {an^{2}}{V^{2}}}\right)\!\left(V-nb\right)=nRT}$

Amb la pression P, lo volum V, la quantitat de matèria n, la constanta dei gas perfèctes R e la temperatura T.

• (fr) Danielle Baeyens-Volant, Pascal Laurent et Nathalie Warzée, Chimie générale : Exercices et méthodes, Dunod, 2019.
• (fr) Michel Lagière, Physique industrielle des fluides : Notions fondamentales et applications numériques, Éditions Technip, 1996.