Physique · Thermodynamique

Gaz parfaits et gaz réels

Une seule équation, P·V = n·R·T, décrit l'air d'une pièce, un pneu et un ballon. Comment l'a-t-on trouvée, jusqu'où peut-on lui faire confiance, et que faut-il ajouter quand elle ne suffit plus ?

Un gaz parfait est un modèle : des molécules de taille négligeable, qui ne s'attirent pas et ne font que rebondir. Un gaz réel est fait de vraies molécules, qui occupent de la place et s'attirent un peu. La page suit le chemin historique : deux lois mesurées, une équation qui les réunit, puis les écarts qui ont conduit Van der Waals à la corriger en 1873.

Plus le gaz est comprimé, plus les molécules se voient entre elles : leur taille et leurs attractions ne sont plus négligeables. Les liens orange signalent les molécules assez proches pour s'attirer.
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Que devient la pression si l'on comprime un gaz ?

Loi de Boyle-Mariotte : à température et quantité de matière fixées, la pression varie à l'inverse du volume. Si le volume est divisé par deux, la pression double. Autrement dit, le produit P·V reste constant.

Le manomètre de la simulation additionne vraiment la quantité de mouvement reçue par les parois. Les parois sont à la température choisie et renvoient chaque molécule avec une vitesse tirée au hasard.
En haut : P selon V, une hyperbole difficile à reconnaître à l'œil. En bas : P selon 1/V, une droite passant par l'origine. Point rouge : l'état actuel.
Pression mesurée par les chocs
Pression prévue N·k·T/V
P·V (doit rester constant à T fixée)
Mesure / prévision, et incertitude
Pourquoi 1/V ? Dans un volume deux fois plus petit, chaque molécule revient deux fois plus souvent sur une paroi, et la force moyenne double. Rien d'autre n'intervient, car la vitesse des molécules ne dépend que de la température. Pour reconnaître une loi en 1/V, il vaut mieux tracer P selon 1/V : une droite se juge bien mieux qu'une hyperbole.

En 1662, Robert Boyle enferme de l'air dans la petite branche fermée d'un tube en J et ajoute du mercure dans la grande branche. Il note la hauteur d'air, qui mesure le volume, et la hauteur totale de mercure, qui mesure la pression. Voici ses 25 mesures. Edme Mariotte publie la même loi en 1676, indépendamment.

Points bleus : Boyle, 1662. Courbe verte : hyperbole P·V = moyenne de ses produits. Déplacez le curseur pour lire une ligne.
Les mêmes points en échelle log-log. Une loi P ∝ V^p devient une droite de pente p.
Hauteur d'air / pression (pouces de mercure)
Produit P·V de cette ligne
Moyenne des 25 produits
Écart maximal à la moyenne
Pente log-log ajustée (loi exacte : −1)
Une précision remarquable pour 1662. Avec un tube de verre et une règle, Boyle voit la pression quadrupler sans que le produit P·V s'écarte beaucoup de sa moyenne. La pente mesurée sur ses chiffres confirme la loi : il n'avait aucun moyen de faire ce calcul, mais il avait comparé ses mesures à la valeur que donne l'hypothèse de proportion inverse.

Sous l'eau, la pression augmente d'environ 1 bar tous les 10 mètres. L'air d'un ballon souple, ou celui des poumons d'un plongeur qui retient sa respiration, suit la loi de Boyle-Mariotte.

Le ballon contient toujours la même quantité d'air, à température supposée constante. Eau de mer : 1 030 kg/m³.
Pression absolue
Volume du ballon à cette profondeur
Dilatation en remontant : de 10 m à la surface / de 10 m plus bas jusqu'à cette profondeur
Les 10 derniers mètres sont les plus dangereux. Entre 10 m et la surface, le volume double. Entre 30 m et 20 m, il n'augmente que d'environ un tiers. C'est pourquoi un plongeur en bouteille ne doit jamais bloquer sa respiration en remontant : l'air comprimé de ses poumons se dilate, et cette dilatation est la plus forte près de la surface.
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Que devient le volume si l'on chauffe un gaz ?

Loi de Charles : à pression et quantité de matière fixées, le volume est proportionnel à la température absolue. Passer de 300 K à 600 K double le volume. En degrés Celsius, cela s'écrit V = V₀·(1 + t/273,15).

À gauche, un piston libre : la pression reste celle de l'atmosphère. À droite, un ballon de même volume. L'agitation des points suit √T.
Trait plein : le gaz existe. Pointillés : prolongement jusqu'à V = 0, jamais atteint en réalité. L'azote se liquéfie à −196 °C sous 1 atm.
Température
Volume, pour 1 L à 20 °C
V/T (doit rester constant)
Rayon du ballon par rapport à 20 °C
Faux calcul : V proportionnel à t en °C
Le piège des degrés Celsius. Le volume varie en ligne droite avec t, mais il n'est proportionnel qu'à T en kelvins. Chauffer de 10 °C à 20 °C ne double pas le volume : il augmente de 3,5 %. Un ballon sorti de l'azote liquide regonfle, parce que son air se réchauffe : son volume est multiplié par près de quatre entre −196 °C et 20 °C.

Jacques Charles observe cette dilatation vers 1787 sans la publier, et Joseph Louis Gay-Lussac la mesure et la publie en 1802. Le coefficient α dit de combien le volume augmente, par degré, relativement au volume à 0 °C. Pour un gaz parfait, α = 1/273,15 = 0,003661 par degré. Voici ce que donnent de vrais gaz sous 1 atm entre 0 °C et 100 °C, calculés avec les équations d'état de référence.

Écart de chaque gaz à la valeur du gaz parfait. Le gaz le plus facile à liquéfier s'en écarte le plus.
La loi de Charles est très bonne, mais pas parfaite. Gay-Lussac trouvait 1/266,66, et Regnault corrigera cette valeur vers 1/273 dans les années 1840. Regnault a aussi découvert que les gaz n'ont pas exactement le même coefficient, ce qui annonce la suite : l'écart du dioxyde de carbone, déjà visible à la pression ordinaire, vient de ses molécules qui s'attirent davantage.
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Comment deux lois donnent-elles une seule équation ?

Boyle-Mariotte dit que P·V ne dépend pas de V à T fixée. Charles dit que V/T ne dépend pas de T à P fixée. Ensemble, elles imposent que P·V/T soit constant. Avogadro ajoute que cette constante est proportionnelle à la quantité de matière. D'où l'équation d'état des gaz parfaits.

P V = n R T   avec R = 8,314 462 618… J·mol⁻¹·K⁻¹ (valeur exacte depuis 2019 : R = NA·k)

Tous les états possibles d'une mole de gaz parfait forment une surface. Une isotherme, une isobare et une isochore en sont trois coupes. Faites tourner la figure en la faisant glisser.

Bleu : isotherme (Boyle). Orange : isobare (Charles). Violet : isochore (Gay-Lussac). Point rouge : l'état.
Pression P = nRT/V
Contrôle : P·V/(n·T)
Contrôle : k·NA (valeurs exactes)
Volume molaire à 0 °C et 1 atm (table : 22,414 L/mol)
Molécules dans ce volume
Faux calcul avec t en °C au lieu de T
Les unités qui marchent ensemble. P en pascals, V en m³, T en kelvins, n en moles. Une astuce utile : avec P en kilopascals, on peut laisser V en litres, car 1 kPa·L = 1 J. L'équation vaut pour n'importe quel gaz dilué : R ne dépend pas de la nature du gaz. C'est le fait le plus surprenant de cette équation.

On va de l'état A à l'état B en deux temps : une compression à température constante, puis un chauffage à pression constante. À chaque étape, on utilise une seule loi. La quantité P·V/T n'a jamais besoin d'être supposée constante : on constate qu'elle l'est.

Bleu : étape Boyle-Mariotte. Orange : étape Charles. Vert : état final.
La logique de la démonstration. Boyle-Mariotte multiplie P par a et divise V par a : le produit PV ne bouge pas, ni T. Charles multiplie V et T par b : le rapport V/T ne bouge pas, ni P. Dans les deux cas, P·V/T ne change pas. Comme on peut joindre n'importe quels états par ces deux étapes, P·V/T est le même partout.

L'équation donne aussi la masse volumique d'un gaz : ρ = P·M/(R·T), où M est la masse molaire. L'air chaud est moins dense, donc il flotte. C'est tout le principe de la montgolfière, et c'est la loi de Charles appliquée à masse variable.

ρ de l'air extérieur / intérieur
Contrôle : ρ de l'air à 20 °C et 1 atm (référence : 1,2046 kg/m³)
Air chassé de l'enveloppe
Charge utile disponible
Température minimale pour décoller à vide
Une force née de l'air manquant. L'enveloppe est ouverte en bas : la pression intérieure reste celle de l'atmosphère, et c'est de l'air qui s'échappe quand on chauffe. La force ascendante vient de cette masse d'air en moins. Le calcul néglige la petite différence de pression entre le haut et le bas de l'enveloppe.
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Jusqu'où peut-on faire confiance au gaz parfait ?

Pour le savoir, on mesure le facteur de compressibilité Z = P·V/(n·R·T). Pour un gaz parfait, Z vaut exactement 1. Un Z inférieur à 1 signale que les attractions dominent ; un Z supérieur à 1, que la taille des molécules domine. Les valeurs ci-dessous viennent des équations d'état de référence, qui résument les meilleures mesures disponibles.

Bleu : valeur de référence du gaz choisi, sur une pression en échelle logarithmique. Bande verte : erreur du gaz parfait inférieure à 1 %. Point rouge : la pression choisie. Une chute brutale signale la liquéfaction.
Z de référence
Erreur du gaz parfait sur le volume
Erreur dépassant 1 %, puis 5 %, à partir de
Distance entre molécules / diamètre
Part du volume occupée par les molécules
T critique et T de Boyle
Le diazote a de la chance à 300 K. Son erreur reste sous 1 % jusque vers 110 bar. Ce n'est pas que ses molécules soient parfaites : attractions et taille se compensent presque. Cette compensation exacte, à faible pression, a lieu à la température de Boyle, 326 K pour le diazote. Le dioxyde de carbone, à la même température, dépasse 1 % dès 2 bar environ. Il n'y a donc pas une pression limite universelle.

Voici la même information pour tous les états du tableau. Cliquez sur la carte pour lire une case. Plus l'état se situe à droite (chaud) et en bas (peu comprimé), plus le modèle est juste.

Vert : moins de 1 %. Jaune : moins de 5 %. Orange : moins de 20 %. Rouge : plus de 20 %. Violet : liquide. Gris : solide ou hors du tableau. Croix noire : point critique.
Case choisie
Z et erreur dans cette case
Part du tableau où l'erreur reste sous 1 %
La règle pratique. Le gaz parfait convient lorsque la pression est faible devant la pression critique, ou que la température est grande devant la température critique, et plus encore si les deux sont vraies. Il échoue près de la liquéfaction. La vie ordinaire se passe presque entièrement dans la zone verte de l'air : c'est pour cela que cette équation si simple rend tant de services.
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Que faut-il ajouter pour décrire un gaz réel ?

En 1873, Johannes Diderik van der Waals corrige l'équation avec deux idées physiques et deux nombres. b est le volume propre d'une mole de molécules : la place libre n'est plus V, mais V − n·b. a mesure les attractions : une molécule près d'une paroi est retenue par les autres, ce qui réduit la pression de a·n²/V².

( P + a n²/V² ) ( V − n b ) = n R T

Activez chaque correction séparément, et comparez au gaz réel. Les constantes viennent seulement de Tc et Pc : a = 27R²Tc²/(64Pc), b = RTc/(8Pc).

Gris : gaz parfait. Orange : Van der Waals avec les corrections cochées. Bleu : référence. Trait vertical : la pression choisie.
a et b de ce gaz
Z : parfait / Van der Waals / référence
Erreur sur Z : parfait / Van der Waals
Contrôle : (P + a/V²)(V − b)/(RT) pour le volume calculé
Second coefficient du viriel à 300 K : b − a/RT / référence
T de Boyle : a/(Rb) / référence
Ce que chaque terme explique. La seule taille donne Z > 1 ; les seules attractions donnent Z < 1 ; les deux ensemble donnent la courbe en creux, puis la remontée. Le modèle saisit les tendances et l'ordre de grandeur, mais il n'a que deux paramètres : à forte compression, il s'écarte nettement des mesures, et son second coefficient du viriel peut se tromper de plusieurs fois. Il arrive même que le gaz parfait fasse mieux : à 300 K et 100 bar, le diazote a 0,6 % d'erreur avec le gaz parfait et 4,2 % avec Van der Waals, grâce à la compensation vue à la planche 4. À 100 bar, le CO₂ montre l'inverse : 350 % contre 44 %. C'est une excellente idée, mais pas un instrument de précision.

Sous la température critique, l'équation dessine une boucle impossible : la pression y monterait quand on dilate le gaz. La nature fait autrement : le gaz se liquéfie à pression constante, et ce palier se place de façon que les deux aires coupées dans la boucle soient égales (construction de Maxwell). Thomas Andrews avait découvert ce comportement sur le dioxyde de carbone en 1869.

Variables réduites : P/Pc, V/Vc en échelle logarithmique, T/Tc. Pointillés : la boucle de l'équation. Trait rouge : l'isotherme réelle. Bleu et orange : les aires égales. Courbe grise : frontière liquide-gaz.
Le cylindre suit l'état marqué par le point rouge. Le trait du bas sépare le liquide, très dense, du gaz.
État
Pression réduite
Palier de liquéfaction Ps/Pc : modèle / CO₂ réel
Différence des deux aires, par Simpson
Part de matière encore gazeuse
Point critique cherché numériquement : V/Vc, T/Tc, P/Pc
Z critique : modèle (3/8) / CO₂ réel
Le grand succès de Van der Waals. Son équation, pensée pour le gaz, prévoit aussi le liquide, la liquéfaction et le point critique, au-delà duquel on passe de l'un à l'autre sans palier. Elle rend aussi tous les fluides semblables une fois exprimés en P/Pc, V/Vc et T/Tc : c'est la loi des états correspondants. Les valeurs chiffrées restent approximatives, comme le montrent le palier et le Z critique.

Abandonnons les formules : simulons de vraies molécules, qui se repoussent de près et s'attirent de loin (potentiel de Lennard-Jones). Seules leurs forces sont programmées, et la pression est calculée à partir des positions et des forces. En unités réduites et à deux dimensions, tout ce qui précède doit réapparaître de soi-même.

Les liens orange joignent les molécules assez proches pour s'attirer fortement. La boîte se referme sur elle-même : ce qui sort d'un côté rentre de l'autre.
Z instantané (violet). Rouge : moyenne depuis le dernier réglage. Pointillés verts : prévision 1 + B₂·ρ, valable pour un gaz dilué.
Température mesurée
Z moyen, et erreur d'échantillonnage
Prévision 1 + B₂·ρ (intégrale exacte de B₂)
Molécules ayant au moins 3 voisines proches
Durée de la moyenne
Le gaz parfait comme limite. Dilué et chaud, Z reste proche de 1. Dense et chaud, la répulsion domine et Z devient très supérieur à 1, car les molécules n'ont plus de place. Tiède, l'attraction domine et Z passe sous 1. Froid, les molécules forment d'elles-mêmes des gouttes au milieu du vide : personne ne leur a demandé de se condenser. Les deux termes de Van der Waals sont donc bien inscrits dans la forme de la force.

Quelques repères

Le modèle

P·V = n·R·T réunit Boyle-Mariotte, Charles et Avogadro. La constante R est la même pour tous les gaz dilués.

Sa limite

Z = PV/(nRT) mesure l'écart. Il faut rester loin de la liquéfaction : pression faible ou température élevée devant les valeurs critiques.

La correction

Van der Waals ajoute une taille b et une attraction a. Le modèle reste simple, mais il prévoit la liquéfaction et le point critique.

Pour aller plus loin

D'où viennent les valeurs de référence ? Les valeurs de Z, les températures de Boyle et les points critiques ont été calculés avec la bibliothèque CoolProp 8.0.0, qui reprend les équations d'état de référence (Span et Wagner pour le CO₂, par exemple). Elles sont inscrites dans la page sous forme de tableau et n'y sont pas recalculées : 30 pressions de 0,1 à 1 000 bar et 20 températures de 150 à 625 K. Les mesures de Boyle viennent de son ouvrage de 1662, tel que reproduit par C. Giunta (Le Moyne College).

Le développement du viriel. Une façon plus générale d'écrire l'écart au gaz parfait est Z = 1 + B(T)/Vm + C(T)/Vm² + … Le coefficient B(T) décrit les rencontres de deux molécules, C(T) celles de trois. Chaque ordre se calcule à partir de la force entre molécules : c'est ce que fait le dernier onglet avec B₂.

Pourquoi a/V² ? Le nombre de molécules qui frappent une paroi est proportionnel à la densité n/V, et chacune est retenue par un nombre de voisines lui aussi proportionnel à n/V. D'où le produit en n²/V².

Ce que les données ne recouvrent pas. L'hydrogène et l'hélium très froids demandent une correction quantique. Le tableau ne contient que cinq gaz purs ; l'air y est représenté par le diazote, qui en constitue environ les quatre cinquièmes.

La simulation moléculaire. Elle comprend 196 molécules, avec un potentiel coupé à 2,5 diamètres et un thermostat doux, et se place à deux dimensions pour rester rapide. Ses valeurs ne s'appliquent donc pas directement à un gaz réel à trois dimensions, et B₂ y est calculé en deux dimensions. Sa moyenne a besoin de temps pour se stabiliser, et l'erreur affichée n'est qu'une estimation. À T = 3, la quantité (Z−1)/ρ mesurée vaut 0,83, 0,86, 0,92 et 1,09 pour ρ = 0,02, 0,05, 0,1 et 0,2 : elle tend bien vers B₂ = 0,79 quand ρ diminue. L'écart entre Z et 1 + B₂·ρ vient des rencontres à trois molécules et plus.

Dans la même série, la page Température et principe zéro relie T à l'agitation, et la page Thermodynamique étudie les transformations du gaz parfait et le changement d'état de l'eau.