Le volume et la masse de l`air

chapitre
2
Le volume et
la masse de l’air
P. 24-37
Les problèmes à résoudre
●●
L’air possède-t-il un volume propre ?
Pour résoudre ce problème
vité 1 - Essentiel § 1.
Situation 1 - Acti-
●● Comment varie la pression quand on comprime de
l’air ?
Pour résoudre ce problème
vité 2 - Essentiel § 2.
●●
Situation 2 - Acti-
Quelle est la masse d’un litre d’air ?
Pour résoudre ce problème
vité 3 - Essentiel § 3.
Situation 3 - Acti-
Pour commencer à réfléchir
Situation 2
Problématique Quand cette automobiliste gonfle
son pneu, elle doit surveiller l’indication d’un manomètre. Comment constatera-t-elle que le pneu est
convenablement gonflé ?
Suggestions pour la démarche Distribuer des notices
de constructeur automobile afin que les élèves
recherchent les préconisations relatives au gonflage
des pneus. C’est l’occasion de faire le lien entre le
manomètre, la pression et son unité. Aborder l’évolution de la pression au cours du gonflage en s’appuyant sur l’activité 2 p. 27.
Conclusion On constate qu’un pneu est correctement gonflé quand le manomètre indique la pression
préconisée par le constructeur.
Situation 3
Problématique sous-jacente La photographie montre
un plongeur en train d’effectuer un baptême de plongée. Il est équipé d’une bouteille lui permettant de
respirer. L’air qu’elle contient doit être en quantité
suffisante.
Réponse à la question Une bouteille de plongée
contient de l’air sous forte pression.
Pour démarrer
des investigations
Situation 1
Problématique En cas de réanimation, les pompiers
ont des bouteilles de dioxygène d’environ 10 L à leur
disposition. Ces dernières contiennent 500 L de gaz.
Pourquoi est-il possible d’emmagasiner autant de gaz
dans un volume restreint ?
Suggestions pour la démarche Sous forme de défi,
proposer aux élèves de retirer l’eau d’un bécher sans
le toucher. Une fois l’utilisation d’une seringue envisagée, orienter la réflexion sur les propriétés de l’eau
en tirant ou en poussant le piston. Pour aborder les
propriétés de l’air, on pourra s’appuyer sur l’activité 1
p. 26.
Conclusion On peut comprimer un gaz car un gaz n’a
pas de volume propre.
Problématique Pendant une séance de cours, le professeur indique aux élèves que le volume de la salle
dans laquelle ils se trouvent est de 200 m3. Il ajoute
que la masse d’air qu’elle contient est d’environ
260 kg. Comment a-t-il trouvé ce résultat ?
Suggestions pour la démarche
Questionner les
élèves sur la différence entre le volume et la masse.
Rappeler la formule permettant de calculer le volume
de la salle. Pour aborder la masse d’un litre d’air, on
pourra s’appuyer sur l’activité 3 p. 28. Puis, on utilisera ce résultat pour répondre à la question posée.
Conclusion La masse d’un litre d’air est proche de
1,3 g. Cela correspond à 1,3 kg pour 1 000 L soit
1 m3. En multipliant par 200, on calcule 260 kg pour
200 m3.
Activités
Activité 1
Objectif Montrer qu’un gaz est compressible.
Commentaires Demander aux élèves d’agir modérément sur les seringues, car elles peuvent casser.
Réponses aux questions
1. Le volume indiqué par la seringue est de 30 mL.
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2. Le volume de l’air contenu dans la seringue est de
10 mL (Fig. 2) et 50 mL (Fig. 3).
7. La masse d’air recueilli est de 2 g ; le volume est
de 1,5 L.
3. La quantité d’air n’a pas changé dans la seringue
car son orifice est bouché.
8. La masse d’un litre d’air est d’environ 2/1,5 = 1,3 g.
4. Le volume de l’air contenu dans la seringue a
changé puisque l’on a agi sur le piston.
Méthode
5. L’air est compressible et est expansible. Il ne possède pas de volume propre.
6. L’air ne possède pas de volume propre.
Activité 2
Objectifs
– Montrer que la pression est une grandeur qui se
mesure avec un manomètre ; elle s’exprime en Pascal
(Pa).
– Montrer que pression et volume varient en sens
inverse.
Réponses aux questions
1. Tu as oublié de repérer l’unité inscrite sur le manomètre. Il s’agit du bar.
2. Tu confonds le nombre de graduations et le nombre
de divisions. Une division est l’écart entre deux graduations consécutives.
3. Tu n’as pas ajouté à 0,5 bar la pression correspondant au nombre de divisions observées pour atteindre
l’indication du manomètre.
4. Tu as oublié de prendre en compte la pression
atmosphérique.
Commentaires Le professeur doit veiller à ce que les
pistons soient à mi-course et que les manomètres
indiquent 0bar avant de les distribuer.
Réponses aux questions
1. Le manomètre indique 0 bar (Fig. 1), 0,5 bar (Fig. 2)
et – 0,3 bar (Fig. 3).
2. La quantité d’air n’a pas changé dans le dispositif
car ce dernier est fermé.
3. Quand on enfonce le piston, le volume de l’air
contenu dans la seringue diminue et sa pression augmente.
4. Quand on tire sur le piston, le volume de l’air
contenu dans la seringue augmente et sa pression
diminue.
5. Quand on comprime de l’air, sa pression augmente.
Activité 3
Objectif Montrer qu’un litre d’air a une masse proche
de 1,3 g dans les conditions usuelles de température
et de pression.
Commentaires Le ballon doit être bien gonflé avant
de commencer l’expérience. En effet, si le ballon ne
contient pas suffisamment d’air, la poussée d’Archimède compense le poids du ballon. Par ailleurs, il faut
veiller à ce que le cristallisoir puisse contenir l’eau se
trouvant dans la bouteille en plus de l’eau présente
au départ.
Réponses aux questions
1. La masse m1 du ballon est de 433 g.
2. Le volume d’air retiré du ballon est de 1,5 L.
3. La masse m2 du ballon est de 431 g.
4. Après la récupération de l’air, la bouteille est vide.
5. La variation de masse du ballon est m = m2 – m1 = 2 g.
6. La masse a changé car de l’air a été extrait du ballon.
Réponses aux questions
des documents
Pour en savoir plus : http://vento.editions-bordas.fr
Une force surprenante !
1 Les hémisphères utilisés dans cette expérience
sont fabriqués en bronze.
2 La pression de l’air atmosphérique est supérieure
à celle de l’air contenu dans les hémisphères creux. La
force exercée vers l’intérieur par l’air atmosphérique
est supérieure à celle exercée vers l’extérieur par l’air
contenu dans les hémisphères creux.
3 Evangelista Torricelli (1608-1647) est un mathématicien et physicien italien qui est à l’origine du
baromètre. Voir : http://mendeleiev.cyberscol.qc.ca/
chimisterie/2001-2002/andersonk.html
Influence de la pression atmosphérique sur
la pollution
1 Les sources d’émission de substances polluantes
sont les industries, les transports, les logements…
2 Les situations dépressionnaires facilitent la dis-
persion des polluants car elles provoquent des mouvements d’air ascendants propices à la dispersion.
3 En cas de pollution, les restrictions imposées aux
automobilistes sont la réduction des vitesses maximales autorisées, l’interdiction de circulation de
certains véhicules légers dans le périmètre correspondant aux zones d’alerte, la réduction du trafic de
véhicules lourds, et notamment interdiction de transit sur certains axes. Pour plus d’informations : http://
vosdroits.service-public.fr/F10332.xhtml
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Contrôler la pression des pneus
1 Une pression des pneus insuffisante peut entraîner une surconsommation de carburant, une usure
prématurée ou un échauffement qui peut parfois provoquer l’éclatement du pneu.
2 La température des pneus est plus élevée en été
qu’en hiver, ce qui a pour effet d’augmenter la pression en conséquence. Il faut donc majorer la pression
des pneus.
3 Au cours des trajets autoroutiers, on doit majorer la
pression de 0,3 bar. Voir : http://www.securiteroutiere.
gouv.fr/IMG/pdf/sric_depliant_pneu_2005_05_02_
cle0111c3.pdf
Plongeur professionnel
1 Les spécialités associées au terme « plongeur professionnel » sont : maçon, soudeur, chaudronnier…
2 Il peut être aussi plombier, électricien…
3 Il n’y a pas d’âge spécifique limite vraiment établi,
mais la législation impose des examens médicaux réguliers en fonction de l’âge : deux examens par an pour
les sujets de plus de 40 ans devant travailler en milieu
hyperbare. Pour plus de détails : http://www.subaquamed.com/articles/Aptitudeplpro.htm
2. La pression d’un gaz augmente quand son volume
diminue et inversement.
11 1. La différence de masse est de 182 –180 = 2 g.
2. La masse du ballon augmente.
3. La variation de masse correspond à la masse d’air
qui a été ajoutée.
12 1. La différence de masse est de 435 – 432,4 = 2,6 g.
2. La masse du ballon diminue.
3. La variation de masse correspond à la masse des 2 L d’air
qui ont été extraits du ballon.
4. La masse d’un litre d’air est de 2,6/2 = 1,3 g.
13 1. 13 – 12,2 = 0,8 kg d’air consommé.
2. 615 L d’air atmosphérique pèsent 0,8 kg = 800 g,
donc 1 L d’air atmosphérique pèse 800/615 = 1,3 g
environ.
14 1.
1 200
1 100
1 000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
Corrigés des exercices
P (hPa)
Graphique représentant
P en fonction de H
PH
H
H (km)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
2. On peut lire, à partir du graphique, la pression PH
au sommet
de l’Himalaya : si H = 8 80070mx 55
= 8,8 km,
schema_II_LDP_ex14
alors PH = 320 hPa.
3. Les alpinistes emportent des bouteilles de dioxygène en haute altitude en raison de la diminution de
la pression atmosphérique, et donc de la teneur en
dioxygène.
2 b. et c.
3 a-2 et 3 ; b-1 et 4.
4 La seconde balance affiche 285,7 g.
5 1. Le schéma b .
2. Dans le schéma c , la pression indiquée est incorrecte.
6 1. compressible ; expansible ; gaz ; volume.
2. manomètre ; pascal.
3. pesant ; pression ; température ; 1,3.
7 1. La seringue c montre que l’air est expansible ; le piston étant tiré, le volume de l’air augmente.
2. La seringue b montre que l’air est compressible ;
le piston étant enfoncé, le volume de l’air diminue.
4 m3
est le
8 20 L est le volume d’eau liquide ;
volume du gaz avant compression dans la bouteille.
9 1. Le manomètre indique 2 bars.
2. Quand on appuie sur le ballon, la pression augmente.
3. Quand le ballon est percé, la pression diminue.
10 1.
Volume (mL)
Pression (hPa)
25
1 410
35
1 007
43
820
15 1. La pression de l’air dans la cloche, autour du
ballon, diminue.
2. L’air dans le ballon de baudruche n’est pas aspiré
car ce ballon est hermétiquement bouché.
3. Lorsqu’on fait le vide à l’intérieur de la cloche, la
pression exercée sur la surface extérieure du ballon
tend vers zéro. La pression à l’intérieur du ballon
devient supérieure à la pression extérieure ; il va alors
se gonfler.
16 1. Dans le schéma b , en se refroidissant, la
vapeur d’eau se liquéfie : elle se transforme en eau
liquide.
2. La pression à l’intérieur de la bouteille diminue car
il y a moins de gaz à l’intérieur.
3. Dans le schéma c , la bouteille s’écrase sous l’effet
de la pression extérieure, exercée par l’atmosphère.
17 1. Si on enfonce le piston de la seringue a
jusqu’à la graduation 30 mL, alors le piston de la
seringue b se déplace jusqu’à la graduation 20 mL.
2. On peut enfoncer le piston de la seringue a audelà de 30 mL. Dans ces conditions, l’air est comprimé
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car il est compressible, et la butée bloque le piston de
la seringue b .
18 1. Le volume du diazote diminue de moitié (il
passe de 20 à 10 mL), et le volume de l’eau reste
constant (égal à 20 mL).
2. La pression du diazote augmente de 1 013 à
1 700 hPa, et la pression de l’eau augmente de 1 013
à 1 900 hPa.
3. Le diazote est compressible, alors que l’eau ne l’est pas.
19 1. The volume of air contained in this room is
12 × 7 × 2,5 = 210 m3.
2. The mass of air contained in this room is
210 × 1 000 × 1,3 = 27 300 g = 273 kg.
20 1. La différence des indications de la balance
permet de calculer la masse de butane recueilli :
mr = 19,6 – 16,0 = 3,6 g.
2. Le gaz recueilli occupe un volume V = 1,5 L.
La masse d’un litre de butane est :
mL = mr/V = 3,6/1,5 = 2,4 g.
3. La masse du gaz contenu dans le briquet est
mB = 12 g. Elle correspond à un volume de gaz
VB = mB/mL = 12/2,4 = 5 L.
21 1. La compressibilité des gaz.
2. Au cours du pompage, la pression augmente.
3. L’air sous pression expulse violemment l’eau présente dans la bouteille, car la pression de l’air dans la
bouteille est supérieure à la pression atmosphérique.
22 Problématique : Expliquer comment un gaz peut
être à l’état liquide bien que la température ambiante
soit supérieure à sa température d’ébullition.
Stratégie de résolution :
– Faire trouver aux élèves quelle grandeur, entre la
pression et le volume, est constante dans une cocotte
minute.
– Comment doit être la pression à l’intérieur, comparativement à la pression atmosphérique, pour que
la température d’ébullition de l’eau soit supérieure
à 100 °C ?
23 Problématique : Amener l’élève à bien observer
le schéma d’une maquette de baromètre afin de prévoir son comportement lorsque la pression atmosphérique varie.
Stratégie de résolution : La réalisation de la maquette
par le professeur permettra de fournir aux élèves un
support concret les guidant dans leurs observations.
Le dispositif proposé, maquette enfermée dans un
grand sac plastique étanche et transparent, permet
de simuler les variations météorologiques de la pression atmosphérique. L’air contenu dans le grand sac
plastique étanche représente l’atmosphère ; le fait
que le sac soit transparent permet d’observer la façon
dont l’aiguille se déplace.
– Lorsqu’on appuie sur le sac, on provoque une augmentation de la pression de l’air contenu dans le sac ;
celui-ci transmet la surpression à la membrane souple
de la maquette, qui devient concave, et déplace l’aiguille vers les hautes pressions.
– Avec cette maquette, il sera plus difficile de mettre
en évidence une baisse de pression, mais par analogie, l’élève peut imaginer ce qui pourra se produire
et, avec un peu de temps, l’observer de ses yeux par
jour de mauvais temps. Si le professeur a réalisé la
maquette, il peut la placer dans la cloche à vide et
créer une légère dépression par aspiration.
La mission sera accomplie lorsque l’élève sera en
mesure de prédire la position que l’aiguille adoptera
selon que la pression atmosphérique augmente ou
diminue, ou à l’inverse, d’expliquer, en termes de différence de pressions intérieure et extérieure, la valeur
de la pression atmosphérique d’après la position de
l’aiguille.
La membrane
élastique
s’incurve.
Haute
pression
– Quels sont les points communs entre une bouteille
de gaz et une cocotte minute ?
Basse
pression
La mission sera accomplie lorsque l’élève sera en
mesure d’expliquer comment la température d’ébullition varie en fonction de la pression.
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60 x 45
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