Dans le contexte de la physique des gaz, la loi de Gay-Lussac, également connue sous le nom de loi de Charles et Gay-Lussac ou loi des volumes, joue un rôle essentiel. Cette loi, formulée par le scientifique français Joseph Louis Gay-Lussac au début du XIXe siècle, établit une relation fondamentale entre la pression et la température d'un gaz à volume constant.
La loi de Gay-Lussac est l'une des lois des gaz qui relie la pression d'un gaz à la température à volume constant. Dans son énoncé, cette loi établit que le volume d'une quantité de gaz augmente ou diminue proportionnellement à sa température si le volume reste constant (processus isochore).
Formule de la loi Gay-Lussac
La formule de la loi de Gay-Lussac qui relie la pression et la température d'un gaz est :
P1 / T1 = P2 / T2
Où
- P1 est la pression initiale.
- P2 est la pression finale.
- T1 est la température initiale absolue.
- T2 est la température finale absolue.
Cette formule établit que la relation entre la pression et la température d'un gaz, à volume constant, est une relation directement proportionnelle. Autrement dit, si la température d’un gaz augmente, sa pression augmente également, et si la température diminue, la pression du gaz diminue, tant que le volume du gaz reste constant.
Importance en thermodynamique des gaz
La loi de Gay-Lussac est d'une grande importance en thermodynamique des gaz pour plusieurs raisons :
- Loi des gaz parfaits : La loi de Gay-Lussac est l'une des équations qui font partie de l'équation générale des gaz parfaits, qui relie la pression, le volume, la quantité de substance et la température d'un gaz. L'équation des gaz parfaits est PV=nRT, où P est la pression, V est le volume, n est la quantité de substance, R est la constante du gaz et T est la température en kelvin.
- Processus de compression et de détente : La loi de Charles et Gay-Lussac est fondamentale pour comprendre le comportement des gaz lors des processus de compression et de détente, tels que ceux qui se produisent dans les moteurs à combustion interne et les systèmes de réfrigération.
- Sécurité dans l'industrie : Dans les applications industrielles, il est crucial d'assurer la sécurité des systèmes qui manipulent des gaz à différentes températures et pressions.
- Recherche et développement technologique : Les scientifiques et ingénieurs utilisent cette loi dans la recherche et le développement de technologies impliquant les gaz. De la conception de réacteurs nucléaires à la construction de systèmes de propulsion.
Histoire et contexte
Joseph Louis Gay-Lussac, éminent chimiste et physicien français, a formulé sa loi en 1802 dans le cadre de ses recherches sur le comportement des gaz.
À cette époque, les scientifiques étaient profondément intéressés par la compréhension du comportement des gaz à différentes températures et pressions, car ces informations avaient des applications significatives dans des domaines tels que la chimie, l'ingénierie et l'industrie.
Avant la formulation de la loi de Gay-Lussac, d'autres lois importantes régissant le comportement des gaz, telles que la loi de Boyle-Mariotte et la loi de Charles, avaient déjà été établies.
D’une part, la loi de Boyle-Mariotte établit qu’à température constante, la pression d’un gaz est inversement proportionnelle à son volume. D'autre part, la loi de Charles stipule qu'à pression constante, le volume d'un gaz est directement proportionnel à sa température en degrés Celsius (°C).
La contribution de Gay-Lussac réside dans son observation selon laquelle la pression et la température d'un gaz étaient étroitement liées et que cette relation resterait constante dans un large éventail de conditions.
Découvreur et nom de la loi
Avant la formulation de cette loi, elle a été découverte par Guillaume Amontons et Jacques Charles. Le physicien italien Alessandro Volta mena également des recherches similaires en 1791 sur la dilatation des gaz.
La loi tire son nom du physicien-chimiste français Joseph Louis Gay-Lussac car c'est lui qui l'a formulée et annoncée en 1802.
Parfois, le nom Gay-Lussac est également utilisé pour désigner la loi de Charles qui relie le volume et la température d'un gaz à pression constante. En effet, Louis Joseph Gay-Lussac annonçait la loi de Charles en 1802, alors que Jacques Charles l'avait découverte 15 ans plus tôt, en 1787.
La loi de Charles stipule que le volume d'un gaz est directement proportionnel à sa température absolue si la pression reste constante.
Explication physique de la loi
Cette relation s'explique par le fait qu'à mesure que la température du gaz augmente, ses molécules se déplacent plus rapidement, ce qui implique une augmentation de l'énergie cinétique.
En augmentant la vitesse de ces particules, le nombre de collisions avec les parois du conteneur augmente. À mesure que la température baisse, les molécules ralentissent et réduisent les collisions avec les parois.
Pour tester cette relation, Gay-Lussac a mis du gaz dans un récipient fermé. Il a ensuite placé une source de chaleur sous le conteneur, a chauffé le gaz et a observé la pression contre les parois du conteneur augmenter.
Lorsque la source de chaleur était retirée, la pression exercée par le gaz sur les parois du récipient commençait à diminuer jusqu'à atteindre son état initial.