pourquoi un gaz qui se détend est froid ?

[invite9d27da39]

Bonjour je me posais cette question:
pourquoi un gaz qui se détent est froid ?
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[GillesH38a]

essentiellement parce qu'il se détend contre une pression extérieure : il effectue donc un travail, donc perd de l'énergie et se refroidit. Un gaz se détendant dans le vide ne se refroidit pas, ou plus exactement il se refroidit quand il acquiert de la vitesse (en transformant son énergie thermique en énergie cinétique), mais en s'arrêtant il retrouvera sa température initiale.

[invite0dd4f252]

essentiellement parce qu'il se détend contre une pression extérieure : il effectue donc un travail, donc perd de l'énergie et se refroidit. Un gaz se détendant dans le vide ne se refroidit pas, ou plus exactement il se refroidit quand il acquiert de la vitesse (en transformant son énergie thermique en énergie cinétique), mais en s'arrêtant il retrouvera sa température initiale.

salut

Ce que tu dis est valable pour le gaz parfait.

Pour les gaz réels, caractérisés par leur coefficient de Joule-Thomson, la détente isenthalpique se fait avec variation de température.
(on sait bien que du gaz qui se détend au travers d'une vanne se refroidit et il apparait du givre qui peut d'ailleurs coincer la vanne)
Variation qui peut se faire dans les 2 sens suivant la température initiale.
Ainsi l'H2 se réchauffe par détente au-dessus de 202°K.

La détente de Joule-Thomson est utilisée industriellement pour la liquéfaction de l'H2 et de l'He, entr'autres.

[Amethyste]

"en transformant son énergie thermique en énergie cinétique"

je ne comprends pas cette phrase. énergie thrmique et énergie cinétique ce n'est pas la même chose?

[A voir en vidéo sur Futura]

[mach3]

je ne comprends pas cette phrase. énergie thrmique et énergie cinétique ce n'est pas la même chose?

ça dépend de l'énergie de quoi on parle. l'énergie thermique représente l'énergie cinétique des particules constituant le système, à ne pas confondre avec l'énergie cinétique du système lui même si il est en mouvement.

m@ch3

[deep_turtle]

Salut,

On peut aussi voir les choses d'une autre manière : dans un gaz réel, les molécules s'attirent entre elles quand elles sont loin (cas 1), et se repoussent quand elles sont proches (cas 2) (on parle de potentiel d'interaction en termes plus techniques, mais peu importe). Quand on détent un gaz dans le vide (on fait un trou dans une enceinte contenant un gaz et on laisse le gaz s'échapper pour occuper une enceinte plus grande), les molécules deviennent plus écartées les unes des autres dans le cas 1, si bien qu'elle perdent un peu de vitesse à cause de leur attraction.

Cette perte de vitesse moyenne, ben c'est justement une diminution de la température !

ça permet ausse de comprendre pourquoi la détente d'un gaz parfait dans les mêmes conditions ne conduit à aucun changement de température (c'est la première loi de Joule) ! En effet, pour un gaz parfait les molécules ne s'attirent pas et ne se repoussent pas non plus. Quand elles se retrouvent dans la partie vide de l'enceinte, et ben rien ne change pour elle, elles gardent la même vitesse !

[b1a2s3a4l5t6e7]

Salut.J'ai une facon un peu différente pour comprendre ce qui se passe.Dabord pour la loi des gaz il faut etre au-dessus de la température critique;au-dessus de cette température,peu importe la pression qu'on exerce sur le gaz,il est impossible de liquifier ce gaz,aussi il faut que le gaz soit constituer d'une seule sorte de molécule,exemple l'air ne satisfait pas a cette condition,
mais l'oxygene et l'azote satisfait a cette condition,ces conditions pour moi satisfait la loi des gaz:
P1V1/T1 = P2V2/T2
Maintenant,supposons que nous avons un gaz
dans un cylindre qui a un piston a une de ces extrémitée,
l'idée c'est que les molécules entre en contact avec la paroi du cylindre avec la meme vitesse en moyenne et si
le piston bouge de facon a procurer une détente au gaz,alors c'est lors du mouvement du piston que les molécules frapant la paroi du piston (en mouvement) que
ces molécules perdent de la vitesse;
ce qui se passe est ceci, si je tire une balle de caoutchouc sur une porte fermer, sa vitesse de retour
sera différente a sa vitesse de retour si quelqu'un ouvre la porte et que la balle touche la porte qui bouge, ici je considere la direction de la vitesse de la balle perpendiculaire au plan de la porte et je néglige la déviation de la balle.
Comme la température dépend de l'énergie cinétique
des molécules,donc aussi de la vitesse de ces molécules,
alors si la vitesse de ces molécules diminuent, la température diminu aussi comme l'indique la loi des gaz que j'ai écrite vers le début de mon message.

[invite9d27da39]

En clair et simplement quel est la bonne réponse?

[invité576543]

Proposition de résumé:

Cas 1) Gaz parfait se détendant contre une pression extérieure: le gaz est à une pression P1>Pe la pression extérieure, et descend à Pe

Le gaz se refroidit parce qu'une partie de son énergie thermique est utilisée pour "pousser l'extérieur"

Cas 2) Gaz parfait se détendant dans le vide, mais avec volume final limité: température comme celle initiale une fois le nouveau volume occupé (entre temps les vitesses ne sont pas aléatoires, et parler de température est plus difficile)

Cas 3) Gaz non parfait se détendant le vide: la température peut diminuer, une partie de l'énergie thermique étant transformée en énergie potentielle liée à la distance entre molécules (qui augmente en moyenne avec la détente)

Cas 4) Gaz non parfait se détendant contre une pression: en gros comme 1), sauf exceptions

Cordialement,

[b1a2s3a4l5t6e7]

Cas 4) Gaz non parfait se détendant contre une pression: en gros comme 1), sauf exceptions
Cordialement,

Salut.Dans mon cas il a une différence importante avec le cas 1), celui de Gilles 38;
quand les molécules du gaz retrouve leurs vitesse initiales,leurs vitesses n'a pas diminuer et dans mon cas,
la vitesse des molécules n'ont jamais augmenter et elle
a diminuer.
J'ai vérifié ma version,au départ il peut semblé que la vitesse des molécules diminuent peu quand on considere que la vitesse du déplacement du piston est faible par rapport a celui des molécules,mais plus ces molécules vont vite et plus il y a d'aller retour et de collision avec la paroi du piston quand il se déplace.

[invite9d27da39]

Merci pour vos réponse mais je voudrais aussi savoir: quand une matière est froide cela veut dire que les électrons sont rapproché du noyau donc quand on comprense un gaz pourquoi se réchauffe t'il vue que les électrons doivent avoir tendance à se raproché du noyau?

[philou21]

Merci pour vos réponse mais je voudrais aussi savoir: quand une matière est froide cela veut dire que les électrons sont rapproché du noyau donc quand on comprense un gaz pourquoi se réchauffe t'il vue que les électrons doivent avoir tendance à se raproché du noyau?

Non,non, les électrons n'ont rien a voir avec la température (du moins avec les températures ordinaires). Ce sont les atomes dans leur ensemble qui bougent plus moins vite avec la température.

[invité576543]

Bonsoir,

Merci pour vos réponse mais je voudrais aussi savoir: quand une matière est froide cela veut dire que les électrons sont rapproché du noyau

Pas vraiment! Prenons un gaz c'est plus simple: en gros la température est liée à la vitesse moyenne (quadratique) des molécules. Plus c'est froid moins elles vont vite.

Quand on compresse un gaz il se chauffe simplement parce que le piston se déplaçant accélère les molécules (si le piston va à v, celles qui arrivent sur le piston perpendiculairement arrivent avec la vitesse -V par rapport à l'enceinte donc à -V-v par rapport au piston, et repartent à V + v par rapport au piston, soit a V + 2v par rapport à l'enceinte: il y a accélération; attention, le signe de la vitesse indique sa direction...).

Cordialement,

[rotocycle]

Ce jour d'août 2022, google me propose de chercher dans cette vielle discussion une réponse à la question "se représenter ce qui se passe lors de la détente d'un gaz".

Je trouve que l'explication du phénomène par b1a2s3a4l5t6e7 est simple.

Pour la phase de compression, j'admettais l'explication que donne Invité576543.

Accélération/Décélération des molécules quand le piston est en mouvement.

Avant de continuer, je vérifie que personne ne récuse l'idée que c'est l'interaction avec le piston la cause du phénomène.

Maintenant, quand on perce un récipient métallique contenant du gaz sous pression (récipient de camping-gaz par exemple) il n'y a pas de piston. Le gaz qui sort est froid et la paroi aussi. J'imagine que la paroi se refroidit parce que les chocs avec le gaz intérieur diminuent et qu'elle communique ce refroidissement aux molécules de gaz.

[gts2]

Avant de continuer, je vérifie que personne ne récuse l'idée que c'est l'interaction avec le piston la cause du phénomène.

Sauf que dans votre exemple, il n'y a pas de piston.

Maintenant, quand on perce un récipient métallique contenant du gaz sous pression (récipient de camping-gaz par exemple) il n'y a pas de piston. Le gaz qui sort est froid et la paroi aussi. J'imagine que la paroi se refroidit parce que les chocs avec le gaz intérieur diminuent et qu'elle communique ce refroidissement aux molécules de gaz.

L'ordre n'est pas le bon, c'est le gaz intérieur qui voit sa température baisser et qui refroidit le récipient.

[trebor]

Bonjour à tous,
Est-ce suffisant de retenir que c'est liée à la distance entre les molécules du gaz qui augmente avec la détente ?
Donc en comprimant un gaz il s'échauffe car les molécules se rapprochent (compression de l'air dans un moteur Diesel) et inversement le gaz se refroidit ?
Exemple : Dégonfler un pneu, givre l'extrémité de la valve.

[rotocycle]

J'ai écrit mon message précédent sans trop espérer une réponse, le sujet étant ancien (et moi nouveau sur le forum, je n'en connais pas les pratiques).
Merci pour la réponse.

Vu mon âge, vous vous doutez que ce n'est pas pour réussir un examen que je rejoins la discussion. Ce n'est pas non plus pour participer à l'éducation de mes petits-enfants (ou d'autres étudiants), ils sont trop jeunes. Disons que c'est pour réparer une lacune courante : je ne suis pas satisfait de savoir anticiper quantitativement, grâce aux formules connues, les échanges thermodynamiques. J'aimerais me les représenter qualitativement avant de passer aux calculs, quitte à simplifier. C'est peut-être aussi qu'à l'insu de mon plein gré ces canicules à répétition m'interrogent.

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Dans le cas du récipient sous pression qu'on perce, vous me dites que c'est le gaz qui refroidit le récipient. Soit. Mais encore ? Je sais bien que dans tous les modèles de gaz (parfait ou non) quand la concentration baisse la température baisse. Perso, c'est évident que l'énergie interne du gaz contenu dans le récipient baisse. Mais pour moi, la température est liée à la vitesse des molécules...

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Revenons au piston. Le phénomène proposé par les intervenants précédents, c'est que les molécules qui rebondissent sur le piston repartent avec une vitesse supérieure quand le piston vient à leur rencontre, inférieure quand il s'éloigne. D'où échauffement quand le piston avance, refroidissement quand il recule.
Est-ce bien ce phénomène le principal responsable du changement de température pour un gaz réel ?

[rotocycle]

Vous (trebor) avez répondu pendant que je rédigeais laborieusement mon commentaire. J'ai un peu la même question que vous : la température est-elle plus liée à la fréquence des chocs entre molécules qu'à leur vitesse ?

[Sethy]

Vous (trebor) avez répondu pendant que je rédigeais laborieusement mon commentaire. J'ai un peu la même question que vous : la température est-elle plus liée à la fréquence des chocs entre molécules qu'à leur vitesse ?

Je vous suggère de lire la première section de cet article. Il traite des régimes moléculaires et visqueux : https://www.universalis.fr/encyclope...drodynamiques/

[gts2]

Je sais bien que dans tous les modèles de gaz (parfait ou non) quand la concentration baisse la température baisse.

... sous conditions, on peut très bien faire baisser la concentration en maintenant la température constante (voire en l'augmentant) : on a trois variables liées pression, température et concentration, il est donc nécessaire d'avoir un deuxième renseignement.

Dans le cas du récipient sous pression qu'on perce, vous me dites que c'est le gaz qui refroidit le récipient. Soit. Mais encore ? Perso, c'est évident que l'énergie interne du gaz contenu dans le récipient baisse.

Si vous désirez une justification microscopique, je ne sais pas trop. D'un point de vue thermo donc macroscopique, c'est simple, l'air qui sort repousse est pousser par l'air intérieur qui effectue donc un travail, donc son énergie diminue, mais ce n'est pas ce que vous cherchez.
Si il est évident pour vous que l'énergie diminue, comme l'énergie est directement reliée à la température, il doit être aussi évident que la température diminue.

Mais pour moi, la température est liée à la vitesse des molécules...

C'est bien cela.

[penthode]

Exemple : Dégonfler un pneu, givre l'extrémité de la valve.

et le givrage des carbus en avion....

qui a fait pas mal de morts avant que ce soit identifié !

[FC05]

Maintenant, quand on perce un récipient métallique contenant du gaz sous pression (récipient de camping-gaz par exemple) il n'y a pas de piston. Le gaz qui sort est froid et la paroi aussi. J'imagine que la paroi se refroidit parce que les chocs avec le gaz intérieur diminuent et qu'elle communique ce refroidissement aux molécules de gaz.

Là c'est une autre histoire.
Dans les bouteilles de camping gaz il a du butane* qui est liquide. Le refroidissement de la bouteille est dû au changement d'état liquide -> gaz. Le liquide prend de la chaleur pour pouvoir passer à l'état gazeux.

C'est un phénomène que l'on observe bien vers la fin de la bouteille, il n'y a plus assez de masse et de surface de contact pour absorber le refroidissement et le fond de la bouteille se couvre de givre.

* ou un mélange propane/butane pour les bouteilles "basse température" ...

[coussin]

[...] Mais pour moi, la température est liée à la vitesse des molécules [...]

Juste une précision qui n'a pas d'incidence sur cette discussion
La température est plutôt liée à la dispersion des vitesses car, pour une distribution de vitesses donnée, on peut toujours se placer dans le référentiel de la valeur moyenne de la distribution.
Un exemple typique est un jet supersonique atomique. Dans ce type de jets, tous les atomes ont des vitesses supersoniques mais la dispersion est faible (tous les atomes ont à peu près la même vitesse) et ce type de jet est considéré comme une source froide.

[rotocycle]

Si vous désirez une justification microscopique, je ne sais pas trop.

Vous avez capté ce que je recherche, c'est l'essentiel. Je trouve nécessaire de sortir de ma zone de confort ; qui serait dans mon cas comme pour mes copains de jeunesse celle des formules.

Je vous réponds avant d'avoir intégré le document de Sethi. Je vais encore simplifier la première question. Le piston est en matière isolante. Le gaz est parfait (collisions élastiques, trajectoires rectilignes). Je prends le cas de la compression. Les molécules de gaz repartent accélérées d'un choc avec le piston. Je suppose que par le calcul intégral on trouve que la quantité de mouvement fournie par le piston se retrouve dans la quantité de mouvement de l'ensemble des molécules, donc une augmentation de la vitesse moyenne de celles-là.

Les questions qui restent (supposant que je 'naie pas dit de bêtise) : à quelle vitesse s'établit l'équilibre dans le gaz ? La vitesse théorique du modèle est-elle proche de la vitesse constatée sur un gaz réel ?

-------------------------
J'ai contextualisé sommairement, plus haut, mes questions. Je peux ajouter, même si ce n'est pas l'essentiel : que répondre à mon fils qui me demande pourquoi on en passe par un moteur électrique pour rafraîchir l'air ?

[rotocycle]

Là c'est une autre histoire

D'accord, avec un gaz liquéfié la situation n'est pas la même. Ma question de départ reste cependant : où se produit la chute de température, que j'assimile (à tort ?) à une baisse de l'agitation des molécules (de la paroi, du liquide, du gaz) ?

Comme le signale Trebor, il y a aussi refroisissement quand le gaz s'échappe à l'air libre.

[Geo77b]

D'accord, avec un gaz liquéfié la situation n'est pas la même. Ma question de départ reste cependant : où se produit la chute de température, que j'assimile (à tort ?) à une baisse de l'agitation des molécules (de la paroi, du liquide, du gaz) ?

Comme le signale Trebor, il y a aussi refroisissement quand le gaz s'échappe à l'air libre.

Dans le modèle de la théorie cinétique des gaz, on peut montrer que l'énergie cinétique moyenne E des molécules d'un gaz (monoatomique) sont reliés à sa température absolue T par la relation
E=3/2 kT (disons E=kT pour faire court) avec k la constante de Bolzmann.
https://www.forum-rpcirkus.com/t2623...ation-atomique

L'énergie cinétique étant directement liée à la vitesse.

On pourrait aussi penser que les molécules rapides (chaudes) s'échappent plus facilement (en raison de leur vitesse), emportant avec elles leur énergie et laissant "sur place" les molécules lentes (froides).

On pourrait aussi parler du tube de Ranque-Hilsch, qui, sans pièce en mouvement, permet de transformer/séparer de l'air comprimé à 5 bars, en un flux d'air chaud (90 °C) d'un côté du tube, et un flux d'air froid (-20 °C) de l'autre côté.
https://www.novacom-vide.com/news/le...fonctionnement
https://en.wikipedia.org/wiki/Vortex_tube

[rotocycle]

[Geo77b : On pourrait aussi penser que les molécules rapides (chaudes) s'échappent plus facilement (en raison de leur vitesse), emportant avec elles leur énergie et laissant "sur place" les molécules lentes (froides).

C'est ce que j'ai pensé à haute voix devant un copain que je n'arrivais pas à intéresser à ma question : il a ri comme si l'idée qu'un tri s'effectue à la sortie du récipient était farfelue. Je pense que vous êtes sérieux.

D'autre part il se peut que cette idée soit développée dans l'explication que Jeliazko G. Polihronov et Anthony G. Straatman donnent du fonctionnement du tube de Ranque. Malheureusement le document est réservé aux inscrits.

Perso, je n'ai pas d'autre piste que celles explorées dans ce fil de discussion.

Je remercie ceux qui ont fait avec moi ce petit bout de chemin spéculatif. Je leur conseille, s'ils ne connaissent pas, les travaux de F.Roddier sur le sujet.

PS : si quelqu'un pouvait me dire comment obtenir simplement les en-têtes des balises "quote", à savoir : "Envoyé par xxx"

[trebor]

L'énergie cinétique étant directement liée à la vitesse.

On pourrait aussi penser que les molécules rapides (chaudes) s'échappent plus facilement (en raison de leur vitesse), emportant avec elles leur énergie et laissant "sur place" les molécules lentes (froides).

On pourrait aussi parler du tube de Ranque-Hilsch, qui, sans pièce en mouvement, permet de transformer/séparer de l'air comprimé à 5 bars, en un flux d'air chaud (90 °C) d'un côté du tube, et un flux d'air froid (-20 °C) de l'autre côté.
https://www.novacom-vide.com/news/le...fonctionnement
https://en.wikipedia.org/wiki/Vortex_tube

Bonjour à tous,
Suivant ce lien de Geo77b :
https://www.novacom-vide.com/news/le...fonctionnement
Suivant ce qui est dit sur le tube vortex, dans le cas d'une valve d'un pneu qui libère l'air sous pression, l'air qui s'échappe ne frotte pas (ou peu) sur l'extrémité métallique de la valve, étant donné qu'elle givre ?

[mach3]

PS : si quelqu'un pouvait me dire comment obtenir simplement les en-têtes des balises "quote", à savoir : "Envoyé par xxx"

Ici : https://forums.futura-sciences.com/n...ml#post6473350

m@ch3

[rotocycle]

La commande "répondre avec citation" présente uniquement sur le skin FS/desktop génère automatiquement "=Flyingbike;6362610". A défaut, il faut l'ajouter à la main.

Merci. Je n'ai pas trouvé comment modifier mon profil pour passer en mode Desktop. Donc pas de boton "Citer".

Remarque : avant de poser la question à laquelle tu réponds, j'ai fouillé à la recherche d'une rubrique d'aide que je n'ai pas trouvée.