A. Guillerand – BCPST 1 A Correction des exercices Lycée Hoche – Versailles – 2014/2015 Correction du TD P7 – Thermodynamique – Description des différents états de la matière 2. Distance intermoléculaire Exercices d’applications 1. = 1 , ainsi : 1=% Distances intermoléculaires – Interprétation des forces d’interactions 1 ∗ Dans un modèle cubique ∗ ,!/ 1GP = 3,4.10 $ m = 3,4nm ∗ 1ℓ = 3,1.10 Calcul pour l’air : !7 m = 0,31nm 3. Comparaison avec la dimension d’une molécule En considérant le modèle des gaz parfaits : = La distance entre deux molécules en phase liquide est du même ordre de grandeur que la taille des molécules. Le volume d’une mole vaut donc : La distance entre deux molécules en phase gaz est 10 fois supérieure que celle entre deux molécules en phase liquide. = Ainsi les forces intermoléculaires (à courte portée) sont Pour calculer le volume moléculaire ∗ il faut diviser le beaucoup plus intenses dans l’état liquide que dans l’état volume molaire par le nombre d’Avogadro : gazeux. ∗ = 2 Application numérique : ∗ = 8,31 × 273,15 1.10 × 6,02.10 ∗ = 3,77.10 = 3,8.10 m m Volume molaire d’un gaz parfait Rappel : système international d’unités : pressions en pascals, volume en mètres cubes, température en kelvins, quantités de matière en moles. Dans ces conditions, la constante des gaz parfaits est R = 8,314 J.K–1.mol–1. 1. Conditions normales m Calcul pour l’eau liquide : Le volume massique de l’eau dans les conditions normales vaut : (1 litre correspond à 1 kg) = 1.10 m . kg m ! = ×" m 2. Pour calculer le volume moléculaire ∗ il faut diviser le volume molaire par le nombre d’Avogadro : ∗ = = " 1.10 × 18.10 = 6,02.10 m ∗ = 3,0.10 ∗ %liquide, ≈ = 2,99.10 $ m $ m ! 8,314 × %273,15 + 20, = 2,4060. 10 m 1,013. 10 = 24,1L. mol ! Autre condition (T = 373 K, p = 1,00 bar) Application numérique : ∗ = 22,4L. mol m Conditions usuelles m 3. = 8,314 × 273,15 = 2,2418. 10 1,013. 10 Par analyse dimensionnelle le volume molaire vaut : = = m = 8,314 × 373 = 3,1011. 10 1,00. 10 m = 31,0L. mol m ! ∗ %gaz,/10 Correction du TD P7 : Thermodynamique – Description des différents états de la matière 1 A. Guillerand – BCPST 1 A 3 Correction des exercices Lycée Hoche – Versailles – 2014/2015 Application numérique : Refroidissement d’un gaz supposé parfait K= On considère de l’hélium contenu dans un récipient à la pression atmosphérique 1035hPa. 1.10 × 5.10 × 29.10 8,31 × 273,15 K = 6,4mg 1. Baisse de température : influence sur < En diminuant la température de manière à se rapprocher du zéro absolu, à volume et quantité de matière constante, dans le modèle des gaz parfait, la pression va diminuer car : = 5 Pression partielle D’après la loi des gaz parfaits appliquée à chaque gaz du mélange : × 2. Baise de température : influence sur < D’après l’équation d’état des gaz parfait on a : = avec la température absolue. Quand = = −273,15°C, la température absolue vaut = 0K, donc tend vers 0. 3. Interprétation Mathématiquement ≠ 0. = 0 si = 0 et ≠ 0 ou = 0 et = He NL = NL He + NL = tot Ainsi : NL Au niveau microscopique à = 0K l’agitation thermique est nulle : c’est-à-dire que les molécules sont immobiles. Ainsi il n’y a pas de choc entre les molécules et les parois délimitant le système, donc la pression est nulle. Remarque : évidemment avant d’atteindre 0K l’hélium se liquéfiera ( fus %He, = −272,2K. He NL 21 1 78 "%N , + "%O , + "%Ar, 100 100 100 "%air, = 29g. mol ! = 0°C, En utilisant le modèle des gaz parfait : = = − NL He = 0,12 × 8,31 × %273 + 25, = 1,49.10 Pa 2.10 He = 2.10 − 1,49.10 = 0,51.10 Pa He = 0,51.10 × 2.10 = 0,042mol 8,31 × %273 + 25, 6 = 1bar Autre modélisation d’un gaz réel Le dihydrogène gazeux peut être modélisé en gaz de Joule d’équation d’état % − N, = , avec N constante positive égale à 2,7.10 en unités SI. 1. O K = " Par analyse dimensionnelle dim% N, = dim% ,, N est donc homogène à un volume molaire, en m . mol !. Ainsi : K= tot ! 2. Masse d’air On appelle conditions normales : = NL Application numérique : 1. Masse molaire de l’air "%air, = 28,959g. mol = He Masse d’air "%air, = He De plus, d’après la loi de Dalton : Physiquement ne peut pas être égal à zéro : cela signifierait qu’il n’y aurait pas de matière. On a donc = 0. 4 = 6,388.10 g " Quand la pression tend vers +∞ le terme − N tend vers zéro. Ainsi tend vers N. Or si la pression tend vers l’infini le volume doit tendre vers le volume qu’occuperait les molécules si elles étaient toute en contact. étant le Correction du TD P7 : Thermodynamique – Description des différents états de la matière 2 A. Guillerand – BCPST 1 A Correction des exercices Lycée Hoche – Versailles – 2014/2015 nombre de moles, N correspond au volume d’une mole de 4. Limite du modèle molécules au contact. Ce modèle ne tient pas compte d’interaction entre molécules. A 20 bar la pression est tellement importante 2. Isotherme en coordonnées d’Amagat que les interactions ne sont plus négligeables. Exprimons en fonction de : = + N Exercices d’entraînement On a donc une équation de droite de coefficient directeur N > 0 et d’ordonnée à l’origine . 7 Pression des pneus Quelque soit la pression et la température, tant qu’on n’ouvre pas la valve des pneus, la quantité de matière des pneus est constante. Leur volume V ne varie que peu, sauf si la pression dans le pneu est égale à la pression atmosphérique. On a donc, en notant ′ la pression des pneus revenus à température ambiante : Le produit du gaz réel est supérieur à celui que l’on aurait si le gaz était parfait ( , à pression et température égales. Ainsi le volume du gaz est plus grand que celui du gaz parfait à pression et température égales : il est moins compressible. 3. Volume molaire Isolons = / % − N, = = + = + N ′ = Cste = N = m m On a donc : ′= m m Application numérique : = +N S Application numérique : = 8,31 × 300 + 2,7.10 10 = 24,96.10 m . mol ! = 25L. mol Par analyse dimensionnelle : = 273 + 20 = 1,909bar 273 + 80 < 2,0 bar donc l’automobiliste doit regonfler ses pneus. S ! 8 = 2,7 × Pression des pneus Un pneu de voiture est gonflé à la température de 20,0°C sous la pression de 2,10 bar. Son volume intérieur, supposé constant est de 30L. 1. Quantité d’air En modélisant le gaz par un gaz parfait : "%H , = 12,5L. g = ! = Application numérique : = 2,10.10 × 30.10 = 2,586mol 8,31 × %273,15 + 20,0, Correction du TD P7 : Thermodynamique – Description des différents états de la matière 3 A. Guillerand – BCPST 1 A Correction des exercices Lycée Hoche – Versailles – 2014/2015 Application numérique : = 2,6mol W! = 192 2. Après avoir roulé Si la pression augmente cela peut s’expliquer par une 2. Pression après k coups augmentation de ou de ou une diminution du volume. Après k coups seulement : La quantité de matière ne peut pas augmenter et nous UX V = U7 V + WU7 7 pouvons supposer que le volume du pneu reste constant. Donc : La pression a donc augmentée car la température à augmenter. 7 UX = U7 Y1 + W Z Calculons la nouvelle température : V = = 3. Masse d’air à l’état final 2,3.10 × 30.10 8,31 × 2,586 = 321K = 48°C 9 La masse m1 se déduit de l’équation d’état : K! U! V = 7 " Sachant que l’on donne la masse volumique dans les conditions 7 , U7 : [7 = Gonflage d’une roue On assimile l’air à un gaz parfait. Soit n0 est la quantité d’air initiale dans la chambre, n1 la quantité finale et na la quantité prélevée à l’atmosphère à chaque coup de pompe. 1. Nombre total de coups "U7 K! = [7 7 U! U7 V Application numérique : Schéma de la situation : K! = 39g 10 Un peu de chimie : coefficient de dissociation 1. Calcul de V1 En appliquant la loi des gaz parfaits, ! Par conservation de la matière : n 1 = n 0 + k 1n a ! soit, en injectant la loi des gaz parfaits appliqué à chaque système : U! V 7 = U7 V 7 + W! U7 7 7 On en déduit le nombre de coups de pompe nécessaire : W! = %U! − U7 , U7 7 V = = ! K ! 2"%Br, Application numérique : ! = 1,00 × 8,314 × %600 + 273,15, = 4,5371. 10 ] m 2 × 80,0 × 1,00. 10 ! = 0,454L Correction du TD P7 : Thermodynamique – Description des différents états de la matière 4 A. Guillerand – BCPST 1 A Correction des exercices Lycée Hoche – Versailles – 2014/2015 2. Calcul de V2 1,00 × 8,314 × %1600 + 273,15, = 2 × 80,0 × 1,00. 10 = 9,7334. 10 ] m = 0,973L A l’équilibre, les quantités de matière en dibrome et en brome sont respectivement %Br , = 7 − ^éq et %Br, = 2^éq (avec 7 = K/2"%Br, = / ,. La quantité totale de matière gazeuse est donc = 7 + ^éq . En appliquant la loi des gaz parfaits : 7 + ^éq = ,`ab = 7 7 !7 Application numérique : 1×7 = 3,5L 2 La pression a été multiplié par 2, ainsi le volume est divisé par 2. !7 3. Coefficient de dissociation = !7 = 2. Plongée bouteille Ce même plongeur, plonge à 10 m à l’aide d’une bouteille contenant de l’air comprimé. L’air que le plongeur respire sort de la bouteille avec une pression égale à la pression du milieu environnant. 2.1. Crise de panique Analyse qualitative : D’où : ^éq = c ,`ab − d Application numérique : ^éq = 1,00. 10 8,314 × %1600 + 273,15, × %1,195. 10 − 0,97334. 10 , ^éq = 1,42mmol Le plongeur en profondeur respire un volume !7 d’air à la pression !7 . En modélisant l’air par un gaz parfait, en supposant la température constante, on a = cste. En remontant la pression diminue et par compensation le volume va augmenter. Analyse quantitative : A 10m de profondeur, l’air respiré est à la pression de 2 bar (car l’air sort de la bouteille avec une pression égale à celle du milieu environnant). En supposant les poumons remplis à 10 m, le volume d’air est de 7L. D’autre part, l’avancement maximal est ^max = En remontant ce volume d’air sera multiplié par 2, soit K/2"%Br, = 6,250 mmol. Le coefficient de dissociation 14L. du dibrome est donc : Conclusion : ^éq ^éq − 1,4234 ,`ab On comprend vite que si le plongeur n’expire pas l’air au f= = = = = 0,22774 ^max 6,2500 7 fur et à mesure de sa remontée ses poumons, n’étant pas extensibles, risqueraient de se déchirer, ce qui entraînerait α = 0,228 soit 22,8 % une hémorragie pulmonaire. 2.2. Donner de l’air à un apnéiste Un apnéiste a pris un volume d’air en surface, ce volume se contracte lors de la descente et se dilate pour reprendre sa taille originale (en négligeant la quantité de dioxygène 1. Apnée consommé). Ainsi lors de la remontée l’apnéiste ne risque En modélisant l’air comme un gaz parfait, on a l’équation pas d’hémorragie pulmonaire, il n’a donc pas à expirer l’air au fur et à mesure de la remontée. suivante : Si un plongeur bouteille donne de l’air à un apnéiste en = profondeur, le volume d’air donné en remontant va En supposant la température constante au cours de la augmenter et dans ce cas l’apnéiste qui n’a pas l’habitude plongée, on aura : = cste. En notant 7 et 7 la pression d’expirer en remontant risquera une hémorragie et le volume des poumons à la surface et !7 et !7 ces pulmonaire. mêmes grandeurs à 10m, on a : 11 Plongée sous-marine 7 7 = !7 !7 Correction du TD P7 : Thermodynamique – Description des différents états de la matière 5 A. Guillerand – BCPST 1 A 12 Correction des exercices Lycée Hoche – Versailles – 2014/2015 On peut donc déterminer Autonomie en plongée sous-marine consommé consommé = i,j i : − i,k i ]7m Analyser : décomposer le problème en des problèmes plus Par définition peut écrire : simples consommé Pour calculer h on doit connaître la durée que va mettre le 1= h plongeur pour consommer l’air de la bouteille de manière à l’amener de = 210bar à la pression f = 70bar Le débit d’air, étant constant, est égal au volume d’air ! 1. On connait la consommation en air, en L. min , du consommé divisé par la durée de la consommation. plongeur, consommation qui à priori ne dépend pas de Ainsi : la pression à laquelle il respire l’air. Pour déterminer h on doit donc déterminer quel volume en litre le i,j i − i,k i h= plongeur va consommer pour amener la bouteille de ]7m × 1 210 à 70 bar, sachant qu’il respire l’air à la profondeur de 40m, c’est-à-dire à la pression de 5 bar. Application numérique : 2. Connaissant la pression et le volume dans la bouteille à 210 × 15 − 70 × 15 h= = 16,8min l’état initial et à l’état final on va pouvoir en déduire le 5 × 25 volume d’air consommé par le plongeur à la pression de 5 bar. Pour cela on aura besoin d’utiliser le principe h = 16,8min de conservation de la matière et d’une équation d’état du gaz : on prendra le modèle du gaz parfait. Valider : S’approprier : faire un schéma modèle, identifier les Vérifions que la valeur obtenue est cohérente : grandeurs pertinentes, leur attribuer un symbole Comparons la durée qu’il faudrait mettre pour consommer Analyser : formuler une hypothèse la même quantité d’air mais à la surface : hS = − i,k atm × 1 i,j i i = 84min La pression étant 5 fois plus importante en profondeur, à volume égal (et température égale) la quantité de matière est consommé est 5 fois plus importante ( = / ), il faut donc 5 fois moins de temps pour consommer la même quantité d’air. N’oublions pas de préciser quelles hypothèses nous avons On étudiera les gaz dans le modèle des gaz parfaits, et faîtes : on négligera les variations de température ( = cste = Le raisonnement est valable si la température reste constante : si la pression initiale de 210bar a été vérifiée 7) une fois arrivé à 40 m et non avant la descente, l’hypothèse Réaliser : semble correcte. Le plongeur reste à 40 m et nous pouvons supposer que la température reste la même. Par conservation de la matière : = + De plus la température de l’air consommé par le plongeur doit sûrement s’égaliser à celle du corps humain mais D’après l’équation d’état des gaz parfaits appliqué à l’équilibre thermique est généralement lent à se mettre en chaque système : place, donc quand l’air entre dans les poumons du plongeur il a bien la température 7 , l’évolution de la température par = i,j i initial la suite dans les poumons n’a que peu d’importance. i,k i = restant Enfin, l’hypothèse des gaz parfaits est peut-être celle qui est ]7m consommé = consommée le plus discutable pour des pressions aussi importantes (70bar et 210bar). Ainsi : initial i,j i 7 = restant i,k i 7 + consommée ]7m consommé 7 Correction du TD P7 : Thermodynamique – Description des différents états de la matière 6
© Copyright 2024