📈 Les transformations d'un gaz parfait (diagramme P, V)
Comprime, détends, chauffe, bloque le piston, isole le cylindre : ton gaz parfait obéit au doigt et à l'œil. À chaque transformation, le point d'état trace son chemin dans le diagramme de Clapeyron, et l'aire sous la courbe te donne le travail échangé. Enchaîne les étapes pour revenir au départ : tu viens de construire un moteur… ou un réfrigérateur !
🧪 Mode d'emploi : règle les curseurs (à droite, ou sous l'animation sur téléphone), lance avec ▶, observe les mesures et relève les 🎯 défis. Le bouton ⛶ agrandit l'animation, idéal sur téléphone à l'horizontale.
Ce que tu vois
- L'aire sous la courbe représente le travail : elle est bleue quand le gaz est comprimé (il reçoit du travail, W > 0) et orange quand il se détend (il en fournit, W < 0).
- Sur une isochore, le point monte ou descend à la verticale : le volume ne change pas, donc W = 0, et toute la chaleur reçue sert à changer l'énergie interne (Q = ΔU).
- Sur une isotherme, la température reste celle du thermostat : ΔU = 0, donc la chaleur reçue compense exactement le travail (Q = −W).
- L'adiabatique (bleue en pointillés) est plus raide que l'isotherme (orange) : sans échange de chaleur, la pression varie plus vite car la température change aussi.
- Quand le gaz revient en A, ΔU = 0 sur le cycle : le travail total est l'aire du cycle, négatif (moteur) si le cycle est parcouru dans le sens des aiguilles d'une montre.
Expériences à faire
- Détends le gaz de 10 L à 20 L de façon isotherme, puis de façon adiabatique : laquelle fournit le plus de travail ? Où va la chaleur ?
- Comprime le gaz à pression constante : reçoit-il ou cède-t-il de la chaleur ? Sa température monte-t-elle ?
- Fais une compression adiabatique jusqu'à 1 L : quelle température atteint le gaz ? C'est le principe du moteur Diesel !
- Parcours le même cycle dans un sens puis dans l'autre : que devient le signe du travail ?
- Passe de l'air à l'argon : l'adiabatique devient-elle plus ou moins raide ? Pourquoi ? Avec « ✏️ Mon gaz », approche γ de 1 : que devient l'adiabatique ?
La physique derrière l'animation
- Travail reçu par le gaz lors d'une transformation quasi statique : W = −∫ P dV, c'est-à-dire l'aire sous la courbe dans le diagramme (P, V), comptée positivement en compression.
- Gaz parfait : P V = n R T et ΔU = n Cv ΔT avec Cv = R/(γ − 1) ; premier principe : ΔU = W + Q.
- Isotherme : W = −n R T ln(Vf/Vi), ΔU = 0 et Q = −W. Isobare : W = −P (Vf − Vi) et Q = n Cp ΔT. Isochore : W = 0 et Q = ΔU.
- Adiabatique réversible (loi de Laplace) : P Vγ = constante, Q = 0 et W = ΔU = (Pf Vf − Pi Vi)/(γ − 1), avec γ = 1,4 pour l'air et 5/3 pour un gaz monoatomique.
- Sur un cycle, ΔU = 0 donc Wcycle = −Qcycle = ± aire du cycle. Modèle : n = 0,401 mol de gaz parfait (1 bar, 10 L, 300 K au départ ; n et γ réglables avec « ✏️ Mon gaz »), transformations quasi statiques, pas de frottements.
D'autres animations
De la glace à la vapeur : les changements d'état
Chauffe un bloc de glace jusqu'à la vapeur : paliers à 0 °C et 100 °C, énergie reçue et molécules qui se libèrent, en direct.
Manipuler →L'énergie d'un changement d'état : Q = m·L
Fais fondre, bouillir ou geler eau, fer, plomb ou carboglace : Q = m × L se calcule en direct et la droite Q(m) compare les espèces.
Manipuler →La centrale nucléaire : de la fission à l'électricité
Suis l'énergie dans une centrale nucléaire : cœur, générateur de vapeur, turbine, alternateur, condenseur et tour. Rendement η = P_e / P_th ≈ 33 %.
Manipuler →Et maintenant, on passe aux choses sérieuses ? 😉
ExpoSinus est un site d'éducation : les jeux et les articles sont là pour donner envie, les cours et les exercices pour progresser vraiment.