Gaz parfait : qu'est-ce que c'est ?

On utilise le concept de gaz parfait dans la thermodynamique pour simplifier la modélisation du comportement des gaz. Les gaz parfaits sont un modèle idéalisé qui repose sur plusieurs hypothèses simplificatrices, ce qui facilite les calculs et les analyses. 

Pourquoi parle-t-on de gaz parfaits ?

• Simplicité mathématique : les équations décrivant le comportement des gaz parfaits sont simples et linéaires, facilitant les calculs et les prédictions. Cela rend le modèle accessible et utilisable dans un large éventail de situations.
• Facilité de compréhension : les lois des gaz parfaits sont intuitives et offrent une compréhension qualitative du comportement des gaz. Elles permettent de dégager des tendances générales sans nécessiter des calculs complexes.
• Conditions spécifiques : le modèle de gaz parfait est souvent valable dans des conditions spécifiques, telles que des températures modérées et des pressions relativement basses. Pour de nombreux cas pratiques, ces conditions sont rencontrées, ce qui rend le modèle applicable dans de nombreuses situations.
• Comparaison avec des gaz réels : bien que les gaz réels ne se comportent pas toujours de manière idéale, le modèle de gaz parfait sert souvent de référence pour comparer le comportement des gaz réels. Les écarts entre les comportements réels et idéaux peuvent être étudiés pour mieux comprendre les propriétés spécifiques des gaz réels.

C'est quoi un gaz parfait ?

Un gaz est parfait lorsque ses molécules n'interagissent pas entre elles, en dehors des chocs survenant lorsqu'elles se rencontrent. Par ailleurs, la taille des moléculesmolécules doit également être considérée comme négligeable par rapport à la distance intermoléculaire moyenne.

Tous les gaz réels, quelle que soit leur nature chimique, peuvent être parfaits à des pressions suffisamment basses. Par exemple, le modèle des gaz parfaits s'applique au dioxygène et à l'azote dans des conditions normalesconditions normales, notamment à 0 °C et à pression ambiante.

 La loi des gaz parfaits a été énoncée par Amedeo Avogadro en 1811. © C. Sentier, Wikimedia Commons, DP

Les lois des gaz parfaits

Ces gaz vérifient simultanément la loi de Boyle-Mariotteloi de Boyle-Mariotte, la loi d'AvogadroAvogadro, la loi de Charles, la loi de Gay-Lussacloi de Gay-Lussac, et enfin la loi de Daltonloi de Dalton. Ces lois décrivent les relations entre la pression, le volumevolume et la température d'un gaz parfait, en supposant des conditions idéalisées. Elles s'écrivent sous la forme PV = nRT, où P est la pression d'un gaz (en pascals), V le volume occupé par le gaz (en m³), n la quantité de matièrematière (en molesmoles), R la constante universelle des gaz parfaits (8,3144621 J/K/mol), et TT est la température (en kelvinskelvins).

La loi de Boyle stipule que, à température constante, la pression d'un gaz est inversement proportionnelle à son volume. Cette loi énonce que, à température constante, le produit de la pression et du volume d'un gaz est constant. Mathématiquement, cela s'exprime par : PV=constante. Ainsi, si la pression augmente, le volume diminue, et vice versa.

• La loi de Charles énonce que, à pression constante, le volume d'un gaz est directement proportionnel à sa température en kelvins. À pression constante, la loi de Charles stipule que le volume d'un gaz est directement proportionnel à sa température en kelvins. Mathématiquement, cela se formule comme : V/T=constante. Si la température augmente, le volume augmente proportionnellement, et inversement.
• Enfin, la loi d'Avogadro stipule que des volumes égaux de gaz, à une température et une pression données, contiennent le même nombre de molécules. Cette loi énonce que des volumes égaux de gaz, à une température et une pression données, contiennent le même nombre de molécules. Mathématiquement, cela se représente par : V/n=constante, où n est la quantité de substance en moles. Ainsi, à conditions équivalentes, des gaz différents occupent des volumes égaux.
• Le gaz parfait de Laplace, une extension des lois précédentes, intègre le concept de chaleurchaleur spécifique constante, liantliant les variations de température et de pression d'un gaz parfait. Cette approche enrichit la modélisation du comportement des gaz sous différentes conditions.
• loi de Gay-Lussac : à volume constant, la pression est proportionnelle à la température,
• loi de Dalton : la pression totale exercée par un mélange de gaz est égale à la somme des pressions que chaque gaz exercerait s'il était seul, c'est-à-dire des pressions partielles.

Des exemples de gaz parfaits 

Certains exemples de gaz qui, dans certaines conditions, peuvent être considérés comme se rapprochant du comportement idéal incluent l'hydrogène, l'hélium et les gaz nobles. Cependant, aucun gaz réel ne satisfait parfaitement toutes les hypothèses du modèle de gaz parfait dans toutes les conditions.

L'air est-il un gaz parfait ? 

La question de savoir si l'air peut être considéré comme un gaz parfait est un sujet complexe dans la thermodynamique des gaz. Bien que l'airair, composé principalement d'azoteazote, d'oxygène et de traces d'autres gaz, se comporte de manière similaire à un gaz parfait dans de nombreuses conditions, des divergences apparaissent à des températures extrêmes ou à des pressions élevées. Les molécules d'air ne sont pas toutes identiques, et les forces intermoléculaires deviennent significatives dans certaines situations, entraînant des écarts par rapport au modèle de gaz parfait. Ainsi, bien que l'air puisse être approximé comme un gaz parfait dans de nombreuses applicationsapplications, des nuances importantes doivent être prises en compte pour des analyses précises.