MATIÈRE (physique)État gazeux

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Les changements d'état

Suivant les valeurs de la pression (P), de la température (T) et du volume (V), tout corps pur se présente dans l'un des trois états solide, liquide ou gazeux, également appelés phases. Un diagramme tridimensionnel, appelé diagramme de phase, définit leurs domaines d'existence. À volume constant, ceux-ci sont délimités dans le plan P, T par trois courbes d'équilibre : la courbe de fusion (F), qui décrit l'équilibre solide-liquide, la courbe de vaporisation (V), qui concerne l'équilibre liquide-gaz, et la courbe de sublimation (S), relative à l'équilibre solide-gaz (fig. 1). À chacun de ces équilibres est associé un changement de phase réversible : la fusion-solidification (solide ↔ liquide), la vaporisation-liquéfaction (liquide ↔ gaz) et la sublimation-condensation (solide ↔ gaz). Les trois courbes d'équilibre concourent en un point O de coordonnées (Pt,Tt), appelé point triple, où coexistent les trois phases. La courbe de vaporisation (V) s'arrête au point C, appelé point critique, de coordonnées Pc (pression critique) et Tc (température critique). Au-delà du point C, le gaz est tellement dense qu'on ne peut plus le distinguer du liquide. À pression constante, un changement d'état résultant d'une variation de température est représenté par une droite horizontale sur le diagramme de la figure 1. Ainsi, par exemple, lorsque la pression est inférieure à celle du point triple, une élévation de température fait passer le corps pur directement de l'état solide à l'état gazeux (sublimation). Aux pressions supérieures à Pt et inférieures à Pc, la substance chauffée progressivement subit deux changements d'état. Le solide se liquéfie d'abord (fusion), puis se transforme en gaz (vaporisation). Enfin, aux pressions supérieures à Pc, il y a continuité entre l'état liquide et l'état gazeux. La valeur de Pt est en général faible par rapport à la pression atmosphérique. Par conséquent, à pression atmosphérique, la plupart des solides se liquéfient avant de passer à l'état gazeux. Il existe cependant quelques solides qui se subliment, notamment l'acétylène (C2H2) et la carboglace (CO2), qui se transforme en gaz carbonique (ou dioxyde de carbone). Parmi les corps simples gazeux, dans les conditions normales de température et de pression, on trouve les gaz rares (tabl. 1), le dihydrogène, le diazote, le dioxygène, de nombreux hydrures (l'ammoniac, le méthane, le gaz chlorhydrique, etc.) et quelques oxydes (le monoxyde et le dioxyde de carbone, les oxydes d'azote, etc.).

Représentation du diagramme de phase d'un corps pur

Dessin : Représentation du diagramme de phase d'un corps pur

Représentation schématique du diagramme de phase d'un corps pur. Les points O (Pt, Tt) et C (Pc, Tc) sont respectivement le point triple et le point critique. (F), (V) et (S) sont respectivement les courbes de fusion, de vaporisation et de sublimation. 

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Représentation du diagramme de phase d'un corps pur

Dessin : Représentation du diagramme de phase d'un corps pur

Représentation schématique du diagramme de phase d'un corps pur. Les points O (Pt, Tt) et C (Pc, Tc) sont respectivement le point triple et le point critique. (F), (V) et (S) sont respectivement les courbes de fusion, de vaporisation et de sublimation. 

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Température d'ébullition des gaz rares

Tableau : Température d'ébullition des gaz rares

Gaz rares. Température d'ébullition normale Tn (ou de sublimation Ts), pression et température au point triple (Pt,Tt) et au point critique (Pc,Tc). 

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Il existe deux méthodes permettant de décrire les propriétés de l'état gazeux et plus généralement de la matière. La mécanique statistique permet de déterminer les distributions des positions et des vitesses des particules microscopiques constituant un gaz. La thermodynamique fournit des relations auxquelles satisfont les grandeurs macroscopiques (température, pression...). Ces lois, établies empiriquement, sont strictement indépendantes de la structure microscopique de la matière. Historiquement, elles ont été établies bien avant que soient édifiées les théories atomiques. En fait, les moyennes des quantités microscopiques obtenues en théorie statistique s'identifient aux variables macroscopiques de la thermodynamique. L'application de la mécanique statistique à l'état gazeux porte le nom de théorie cinétique. Elle fournit une explication physique des diverses propriétés d'équilibre et de transport des gaz.

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États désordonnés de la matière

États désordonnés de la matière
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Représentation du diagramme de phase d'un corps pur

Représentation du diagramme de phase d'un corps pur
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Température d'ébullition des gaz rares

Température d'ébullition des gaz rares
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Pour citer l’article

Henri DUBOST, Jean-Marie FLAUD, « MATIÈRE (physique) - État gazeux », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 01 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/matiere-physique-etat-gazeux/