Problème compréhension de la température

[JulesDelahaie]

Bonjour, je suis passionné de météorologie et j'ai du mal à saisir un concept et j'apprécierais que quelqu'un m'aide à le comprendre et je pense que cela vient d'un problème de compréhension de ce qu'est la température.

Je ne comprends pas pourquoi une baisse de pression fait baisser la température ?

Je comprend que pour un volume de gaz donné avec une énergie donnée (température); si le gaz occupe plus d'espace alors la pression diminue.

Cela veut dire qu'il y a donc toujours le même nombre de molécules de gaz et quantité d'énergie, mais cette fois dans un espace plus grand.

Car lorsque l'air se dilate, la même quantité d'énergie est maintenant répartie sur un plus grand espace avec toujours le même nombre de molécules ; donc si on regarde pour le même volume de gaz avant et après expansion alors après expansion dans ce volume donnée il y aura moins de molécule et moins d'énergie ; donc la température baisse.

C'est là qu'arrive mon problème :

La température étant une mesure d'agitation moléculaire ; je ne comprends pas pourquoi les molécules ralentissent quand le gaz s'expand : il y a toujours la même quantité d'énergie, mais un volume qui est devenue plus grand, cela veut donc dire que dans ce volume devenu plus grand il y a toujours le même nombre de molécules, ça veut dire qu'il y à toujours la même quantité d'énergie pour le même nombre de molécule (même si elles occupent plus d'espace). Alors je ne comprends pas pourquoi les molécules ralentissent ?

Je pense que j'ai donc peut-être un problème sur la compréhension de ce qu'est la température ; qu'est-ce qu'on entend réellement par agitation moléculaire ? S'agit-il de la quantité de mouvement de molécule dans un volume donnée (ce qui expliquerait pourquoi la température baisse car il y a donc moins de molécules dans ce volume même si il elles ont toujours la même vitesse ) ? Ou alors s'agit-il de la vitesse moyenne des molécules présente dans ce volume ?(et dans ce cas-là, je ne comprends pas pourquoi la température baisse car je ne comprend pas pourquoi la température baisserait car il y à toujours la même quantité d'énergie pour le même nombre de molécule) ?

Merci de votre aide.
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[gts2]

Bonjour,

Votre compréhension de la température est tout à fait correcte.
Le seul problème réside dans la relation entre expansion et
système donné : "il y a toujours la même quantité d'énergie"
volume donné : "il y aura moins de molécule et moins d'énergie ; donc la température baisse."

Système donné : lorsqu'il y a expansion, le volume augmente et la pression extérieure s'oppose à cette expansion, le système voit donc son énergie, et donc sa température, diminuer (imaginer le gaz enfermé dans un cylindre).
Volume donné : il faut faire attention donc si E et N diminue, le comportement de T n'est pas forcément évident.

[Gilgamesh]

Il y a deux aspects à considérer :

1) Gaz parfait versus gaz réel.
Dans un gaz parfait les interactions moléculaires sont nulles. C'est le cas si le gaz est suffisemment dilué. Dans un gaz réel il existe des forces intermoléculaires (notamment les forces de van der Waals), qui peuvent être attractives ou répulsives, selon la distance intermoléculaire (les molécule s'attirent à courte distance mais finissent par se repousser fortement à très courte distance, voir courbe ci-dessous).

2) Détente dans le vide ou contre une pression extérieure.


Cas le plus simple (détente de Joule) : un gaz parfait dans une enceinte est détendu dans le vide. La détente est adiabatique (pas de variation d'énergie interne), la température ne change pas.

Cas simple également : un gaz (parfait ou non) est détendu dans un piston ou dans un milieu dense (atmosphère). Dans ce cas, lors de la détente le gaz communique de l'énergie au milieu extérieur et se refroidit.

Cas plus complexe : un gaz réel c-à-d pour lequel les forces intramoléculaires ne peuvent être négligées (ce qui implique un gaz assez dense) subit une détente adiabatique. Dans ce cas, il faut voir ce qui l'emporte dans l'énergie potentielle des forces intramoléculaire, et dans les deux cas il s'agit de l'effet Joule-Thomson.

Si l'effet global est d'éloigner des molécules qui subissaient globalement une force d'attraction, la détente rompt des liaisons, l'énergie potentielle augmente et l'énergie cinétique diminue d'autant, ce qui refroidit le gaz.

Si l'effet global est de diminuer les collisions pendant lesquelles l'énergie potentielle augmentait du fait des forces de répulsion, la détente entraîne une diminution de l'énergie potentielle, donc une augmentation de l'énergie cinétique, ce qui réchauffe le gaz.

[coussin]

@Gilgamesh Où as-tu trouvé cette image ? Un Lennard-Jones 13-7 est très inhabituel, c'est plutôt 12-6 normalement...

[A voir en vidéo sur Futura]

[gts2]

Bonjour,

Dans le dessin il y a un gros méli-mélo force/énergie : l'axe vertical est "energy", le mini est "lowest energy", par contre les courbes sont indexées "force"

[coussin]

Bonjour,

Dans le dessin il y a un gros méli-mélo force/énergie : l'axe vertical est "energy", le mini est "lowest energy", par contre les courbes sont indexées "force"

Ah oui OK, c'est pour ça qu'il y a un décalage de 1 sur les lois de puissance

[Gilgamesh]

Oups ? J'ai trouvé la courbe ici : http://brussels-scientific.com/?p=3975
J'ai trouvé ça sympa qu'il y soit inscrit les lois de puissance.

Je l'ai remplacé par celle ci, il me semble que c'est mieux, non ?
https://www.cambridgemedchemconsulti...eractions.html

[coussin]

Oups ?

Non non pas oops, c'est moi qui n'avait pas vu que les lois de puissance faisaient référence à la force, pas l'énergie

[Gilgamesh]

Ok merci, mais je laisse la nouvelle illustration qui est plus cohérente, et c'est souvent plus robuste de raisonner avec l'énergie qu'avec les forces en Physique.