MATIÈRE (physique)État gazeux

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Les gaz parfaits en équilibre thermodynamique

Lorsqu'on enferme une certaine quantité de gaz dans une enceinte maintenue à une température constante T, il s'établit au bout d'un certain temps un équilibre thermodynamique entre le gaz et l'enceinte. Cet équilibre constitue un état stationnaire, c'est-à-dire indépendant du temps, caractérisé par une équation d'état f(P, V, T) = 0, relation entre les trois variables d'état : pression P, volume V et température T.

Description microscopique

Dans le modèle cinétique le plus simple, les molécules d'un gaz sont considérées comme des sphères rigides élastiques animées de mouvements désordonnés, sans autres interactions que les collisions élastiques qu'elles subissent entre elles ainsi que sur les parois du récipient qui contient le gaz. Au cours de ces collisions, l'énergie cinétique et la quantité de mouvement sont conservées. Lorsque la pression décroît, la fréquence des collisions diminue et le libre parcours (distance parcourue entre deux collisions successives) devient très grand par rapport à la taille moléculaire. À la limite de la pression nulle, le gaz parfait est constitué de molécules quasi ponctuelles sans aucune interaction.

La théorie cinétique des gaz, fondée sur la mécanique statistique de Boltzmann, permet de déterminer la loi de répartition des vitesses. Celle-ci repose sur l'hypothèse que la distribution des vitesses est isotrope et que la distribution de chacune des composantes du vecteur vitesse v est indépendante de celle des deux autres. La densité de probabilité f(v) pour qu'une molécule de masse m possède l'énergie cinétique Ec = 1/2 (m|v|2) est égale au produit d'une fonction exponentiellement décroissante de Ec par un facteur de normalisation :

où KB = 1,380 662 × 10—23 JK—1 est la constante de Boltzmann et T la température absolue.

La fraction de molécules possédant une vitesse dont le module est compris entre v et v + dv vaut : F(v) dv = 4π v2 f(v) dv.

La fonction F(v) représentée sur la figure 2 caractérise la distribu [...]

Distribution maxwellienne des vitesses moléculaires

Dessin : Distribution maxwellienne des vitesses moléculaires

Dessin

Distribution maxwellienne des vitesses moléculaires. La fraction F(v) de molécules possédant une vitesse comprise entre v et v + dv est exprimée en fonction de la variable réduite v/v*, où v* est la vitesse la plus probable. 

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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

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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 18 janvier 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/matiere-physique-etat-gazeux/