Travail d'une force de pression contre le vide (détente de Joule et énergie potentielle)

[invite61b0a50f]

Bonjour,

Je publie ce post car je n'arrive pas à comprendre de manière intuitive pourquoi le travail d'une force contre le vide est nul.

Si j'imagine un système isolé cylindrique composé de 2 compartiments séparés par un piston (l'un des compartiments est vide, l'autre est rempli d'un gaz parfait). Lorsqu'on libère le piston, le gaz va spontanément repousser le piston de manière à occuper tout le volume disponible.

Si cela est correct, et étant donné que le piston est mis en mouvement par le gaz, j'ai du mal à comprendre pourquoi l'on considère qu'il n'y a aucun travail en jeu. J'aurais tendance à penser que la force due à la pression qu'exerce le gaz sur le piston travaille pendant le déplacement du piston (et je serais tenté par la même occasion d'associer au système initial une énergie potentielle due à la différence de pression) et je n'arrive pas à voir où est l'erreur.

Toute remarque ou explication serait la bienvenue !

Cordialement

PS : Plus être plus précis, je me pose cette question dans le cadre de la détente de Joule-Gay-Lussac (détente adiabatique irréversible d'un gaz parfait dans le vide). Ma question est ainsi sensiblement la même que celle de cette discussion mais la réponse ne m'a pas vraiment éclairée et je préfère ne pas déterrer un sujet aussi ancien...
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[phys4]

Si cela est correct, et étant donné que le piston est mis en mouvement par le gaz, j'ai du mal à comprendre pourquoi l'on considère qu'il n'y a aucun travail en jeu.

Bonjour,
Le travail de poussée dépend du piston dépendra de sa masse et de la résistance qui sera opposée à son déplacement.
Si le piston est fictif, qu'il n'a pas de masse et n'offre aucune résistance alors aucun travail n'est fourni à 'extérieur. Le travail de la pression ne sert qu'à accélérer le gaz, et donc ce travail est récupéré par le gaz lui-même.

Toute l'énergie disponible reste donc dans le gaz. Pour un gaz parfait cela implique une température constante, au moment de la détente il peut y avoir un refroidissement rapide du gaz, mais lorsque la vitesse acquise a dissipé son énergie cinétique, le gaz au repos retrouve sa température initiale.

[1max2]

Bonjour, je ne répondrais pas comme phys 4, car le piston peut fournir de l'énergie à l'extérieur , si l'on veut, non ?
L'énergie fournie , si le système est bien isolé (pas de perte de chaleur) , pas de frottement , est celle donnée au système pour faire le vide , il me semble !

[invite6dffde4c]

Bonjour

Bonjour, je ne répondrais pas comme phys 4,

Dans ce cas, en général, vous avez de très forces chances d’être dans le faux.

car le piston peut fournir de l'énergie à l'extérieur , si l'on veut, non ?

Dans ce cas ce n’est pas une expansion de Joule.
Au revoir

[A voir en vidéo sur Futura]

[1max2]

Bonsoir, ok, au temps pour moi ...

[invite61b0a50f]

Bonsoir,
Merci énormément pour vos réponses ! C'est beaucoup plus clair ! Effectivement je vois mieux maintenant que le travail de la pression ne peut pas être transmis au milieu extérieur dans cette expérience, et que du coup le gaz conserve cette énergie.
Juste pour être sûr de l'idée (et du vocabulaire par la même occasion), peut-on dire que, dans ce cas de l'expansion de Joule, une partie de l'énergie cinétique d'agitation microscopique des atomes est convertie en énergie cinétique macroscopique lors de la détente, puis à nouveau en énergie cinétique microscopique lors du retour au repos ?


Si c'est bien le cas, je me permets de poser une dernière question, un tout petit peu plus éloignée du titre initial, mais qu'il me semble quand même logique de poser à la suite...
En partant du même système de départ : si on remplit le compartiment vide précédent par un 2° gaz différent du gaz de gauche, les 2 compartiments étant à la même pression cette fois-ci. Peut-on aussi dire que, lorsqu'on libère le piston et que les gaz diffusent, de l'énergie cinétique microscopique est convertie en énergie cinétique macroscopique, puis à nouveau en énergie cinétique microscopique lorsque l'équilibre est atteint ? En supposant comme avant que les 2 gaz et que le mélange des 2 gaz se comportent tous comme un gaz parfait, peut-on en conclure que le système se refroidit temporairement pendant que la diffusion s'effectue ?

Merci d'avance.

[invite6dffde4c]

Bonjour.
Non. Pendant la diffusion la vitesse des molécules ne change pas (en moyenne !) et la température reste constante. Les chocs que chaque molécule reçoit proviennent de toutes les directions.
Le refroidissement temporaire expliqué par Phys4 provient du fait que, pendant l’expansion, les molécules près de la « frontière » gaz-vide, reçoivent plus de chocs du côté gaz que du côte vide.
Au revoir

[1max2]

Bonjour, je pense avoir à peu près compris ce qu'il se passait dans cette direction ....(Piston vers vide) , le volume augmente, la pression diminue , si le piston ne résiste pas et n'a pas de masse , la température reste constante...(PV/T = Cte )
Mais admettons que l'on veuille retourner en arrière ..
Ce coup ci le système n'est plus isolé car je tire sur le piston , ou je le pousse de l'extérieur pour le remettre au milieu.
En ce cas la température ainsi que la pression va augmenter , c'est ça !

Bien, je décide de laisser retourner le piston, "adiabatiquement" , j'ai au final récupéré de la chaleur dans l'enceinte ! Tout va bien donc ?

[invite61b0a50f]

Bonjour,

Merci beaucoup pour votre réponse LPFR. Ok je comprends que pendant la diffusion la vitesse des molécules ne change pas en moyenne.
Cependant le fait que chacun des gaz diffuse dans une direction précise (à notre échelle) me tracasse... Si l'on remplace le piston par une membrane semi-perméable (par exemple, seul le gaz de gauche peut traverser la membrane), va-t-on assister à la naissance d'une différence de pression entre les 2 compartiments (dans ce cas-ci une surpression à droite) ?

Bien, je décide de laisser retourner le piston, "adiabatiquement" , j'ai au final récupéré de la chaleur dans l'enceinte ! Tout va bien donc ?

Pour rebondir sur le post de 1max2 : si j'ai bien compris, le fait de pousser le piston pour le remettre au milieu constitue un travail qui est transmis de l'opérateur au gaz, ce qui va en fin de compte augmenter la vitesse moyenne des molécules du gaz et donc la température ?

Merci d'avance ! (et désolé pour les questions à rallonge)

[invite6dffde4c]

Bonjour.
Le gaz ne choisit pas la direction dans laquelle il va diffuser. Il diffuse dans toutes les directions. C’est le hasard de chocs qui détermine, en moyenne, la direction de diffusion. Quand la concentration n’est pas uniforme, ce « hasard de chocs » n’est pas symétrique et la diffusion se fait majoritairement en direction opposée au gradient de concentration.
Si vous avez une membrane semi-perméable, vous aurez éventuellement une différence de pression. Pour les liquides cela s’appelle « pression osmotique », mais je ne sais pas si pour les gaz c’est la même dénomination.
Déjà, je ne connais que deux exemples de « membranes semi-perméables » pour les gaz.
Au revoir.

[invite61b0a50f]

Bonjour,
Merci beaucoup, c'est beaucoup plus clair maintenant.
Au revoir.