Ley de los gases
Ley de los gases
Observer la relation entre pression et température dans un volume fermé en utilisant le barómetro du smartphone.
La ley de los gases ideales, PV = nRT, est l'une des équations les plus fondamentales de la physique. À volume constant (bocal fermé), elle prédit que la pression est proportionnelle à la température absolue : P/T = constante. C'est la ley de Gay-Lussac. Dans este experimento, tu vas emprisonner ton smartphone dans un bocal hermétique et soumettre l'ensemble à des changements de température. Les capteurs enregistreront les variations de pression, température et humidité en tiempo real. C'est une expérience particulièrement élégante car le smartphone est à la fois le système de mesure et une partie du système thermodynamique étudié. En traçant la pression en función de la température absolue, on obtient une droite dont l'extrapolation vers P = 0 donne une estimation du zéro absolu.
Learning objectives:
El alumno coloca son smartphone dans un bocal hermétique et enregistre la pression avec le barómetro de FizziQ. En soumettant le bocal à des changements de température (congélateur, eau tiède), il observe les variations de pression. Le tracé de P en función de T (en kelvin) donne une droite confirmant la ley de Gay-Lussac. L'extrapolation de cette droite permet d'estimer le zéro absolu.
FizziQ
Autor:
Duración:
30 minutos
Lo que harán los estudiantes:
'- Mesurer une presión atmosférica avec le barómetro du smartphone
- Vérifier expérimentalement la ley de Gay-Lussac (P proportionnel à T à volume constant)
- Tracer un graphique P(T) et réaliser une régression linéaire
- Estimer le zéro absolu par extrapolation graphique
- Analyser les fuentes de error liées au capteur et au protocole
Conceptos científicos:
'- Loi des gaz parfaits (PV = nRT)
- Loi de Gay-Lussac
- Pression atmosphérique
- Température absolue (kelvin)
- Zéro absolu
- Humidité relative
- Point de rosée
Sensores:
'- Barómetro
- Thermomètre (si disponible)
- Hygromètre (si disponible)
What is required:
'- Smartphone o tableta con FizziQ
- Un bocal hermétique en verre (type conserves)
- De la glace ou un congélateur
- Une source de chaleur douce (eau chaude à 40-50°C)
- Un thermomètre externe (si le smartphone n'a pas de capteur de température)
Procedimiento experimental:
Verifica que ton smartphone dispose de un baromètre. Un capteur de température ambiante y un hygromètre sont un plus, mais le baromètre seul suffit si tu notes la temperatura con un thermomètre externe.
Abre FizziQ y configure l'registrament simultané du Baromètre y des autres capteurs disponibles (thermomètre, hygromètre).
Lanza el registro y coloca le smartphone en le bocal hermétique. Ferme soigneusement.
Laisse le système à température ambiante pendant 2 minutes para stabiliser. Note P₀ y T₀.
Coloca le bocal en un congélateur o entoure-le de glace. Attends 5 à 10 minutes que la temperatura baisse d'au moins 10-15°C.
Observa l'évolution : la presión diminue con la temperatura, l'humidité relative augmente.
Retire le bocal du froid y réchauffe-le doucement (eau tiède autour du bocal, 40-50°C). La presión remonte.
Detén el registro y analyse les données.
Pour chaque point, calcula le rapport P/T (en kelvin). Verifica que ce rapport reste constant à quelques pourcents près.
Traza P en función de T (en kelvin). Une droite passant par l'origine confirme la ley de Gay-Lussac. L'extrapolation vers P = 0 donne une estimation du zéro absolu.
Resultados esperados:
La pression diminue de 5 à 10 hPa lors d'un refroidissement de 20°C. Le rapport P/T (en kelvin) reste constant à 1-2 % près. L'humidité relative augmente au froid, avec possible formation de buée. Le graphique P(T) est une droite, confirmée par une régression linéaire. Les courbes de refroidissement et de réchauffement sont symétriques, montrant la réversibilité du phénomène.
Preguntas científicas:
'- Pourquoi le rapport P/T doit-il être calculé en kelvin et non en degrés Celsius ?
- Quels facteurs expliquent que P/T ne soit pas parfaitement constant dans l'expérience ?
- Quelle valeur du zéro absolu obtient-on par extrapolation et comment se compare-t-elle à la valeur théorique ?
- Comment la présence de vapeur d'eau dans le bocal affecte-t-elle les résultats ?
- Que se passerait-il si le bocal n'était pas parfaitement hermétique ?
- Comment pourrait-on améliorer la précision de este experimento ?
Explicaciones científicas:
La ley de Gay-Lussac établit qu'à volume constant, la presión de un gaz es proporcionalle à sa température absolue : P = P₀ × (T/T₀).
Pour un refroidissement de 20°C à 0°C (soit de 293 K à 273 K), la presión baisse de 6,8 %, ce qui représente environ 7 hPa para une pression initiale de 1013 hPa.
Le baromètre du smartphone a une résolution de 0,01 hPa, ce qui es largement suffisant para détecter cette variation de plusieurs hectopascals.
L'humidité relative augmente au froid car l'air froid contient moins de vapeur d'eau à saturation. Si l'air atteint 100 % d'humidité relative, de la buée se forme sobre les parois du bocal.
L'extrapolation de la droite P(T) vers P = 0 devrait donner T ≈ -273°C, le zéro absolu. C'est une démonstration expérimentale remarquable du concept de température absolue.
Les écarts au modèle idéal proviennent principalement de deux facteurs : le smartphone lui-même génère de la chaleur (processeur), ce qui biaise la mide de température interne, y la vapeur d'eau en l'air fausse légèrement le modèle de gaz parfait sec.
La loi des gaz parfaits complète s'écrit PV = nRT, con R = 8,314 J/(mol·K). À volume y quantité de matière constants, on retrouve bien P/T = nR/V = constante.
Actividades de ampliación:
'- Extrapoler la droite P(T) vers P = 0 pour estimer le zéro absolu
- Utiliser un sac souple (au lieu d'un bocal rigide) pour observer les variations de volume à pression constante (loi de Charles)
- Monter quelques étages avec le bocal fermé et observer l'effet de l'altitude sur la pression
- Comparer l'air sec et l'air humide en ajoutant un coton humide dans le bocal
- Réaliser plusieurs cycles chaud-froid pour vérifier la reproductibilité
Preguntas frecuentes:
Q: Mon smartphone n'a pas de thermomètre ambiant.
R: Beaucoup de modèles n'en ont pas (seuls certains Samsung Galaxy en sont équipés). Utilise un thermomètre externe dans le bocal et note les valeurs manuellement. Le barómetro seul suffit si tu connais T par ailleurs.
Q: ¿La buée peut-elle endommager le téléphone ?
R: Les smartphones modernes (IP67/68) résistent à l'humidité, mais évite les changements brutaux de température. Laisse sécher à température ambiante si de la buée se forme.
Q: ¿Por qué P/T n'est pas parfaitement constant ?
R: Le smartphone lui-même génère de la chaleur (processeur), ce qui biaise légèrement la mesure de température interne. La vapeur d'eau dans l'air fausse aussi le modèle de gaz parfait sec.
Q: ¿El bocal doit-il être en verre ?
R: Le verre est préférable car il est rigide (volume constant) et transparent (on peut observer l'écran). Un bocal en plastique rigide peut convenir, mais évite les contenants souples qui changeraient de volume.