4.3.4 Dilatation thermique des gaz
Si nous chauffons à 100 K une barre de fer, de l’eau et de l’air d’une section de 1 cm2 et d’une longueur de 10 cm chacun et comparons la dilatation thermique des 3 matières, nous obtenons les résultats de la fig. 4-16.
Fig. 4-16 Dilatation thermique du fer, de l’eau et de l’air
Nous savons pourquoi la différence est si grande : dans le fer, les atomes sont étroitement liés, dans l’eau, leur disposition est plus lâche et dans les gaz, les forces d’attraction entre les atomes sont extrêmement faibles. Plus la force mutuelle d’attraction est basse, plus l’excitation thermique est forte (l’augmentation de l’oscillation des atomes et des molécules a besoin de plus d’espace).
Alors que les matières solides et liquides se dilatent différemment selon le type de matière, les gaz se comportent pratiquement tous de la même façon : Ce comportement est souvent exprimé en termes de gaz idéal, c’est-à-dire un gaz qui obéit aux lois suivantes :
Loi Boyle-Mariotte
Loi découverte par R. Boyle et E. Mariotte : dans une quantité donnée de gaz idéal, le produit de la pression p et du volume V à température constante est une constante.
Pression : p1 * V1 = p2 * V2
Densité : r1 * V1 = r2 * V2
La densité se comporte comme la pression correspondante.
Loi Gay-Lussac
La loi Gay-Lussac dit que le volume V d’un gaz à pression constante p augmente de façon linéaire avec la pression absolue T :
V1 = V0 (1 + a*T1 ) = V0 + a*T1 (T en K)
Le coefficient de dilatation (en isobares) pour tous les gaz idéaux a la valeur a = 1/273 K.(V0 = volume à 0ºC). Par conséquent, à pression constante, le volume de gaz en question est proportionnel à la température absolue du gaz, ou,
V1 / V2 = T1 / T2
Pour une élévation de température d’1 K, les gaz et mélanges de gaz, tels que l’air, se dilatent à 1/273 de leur volume à 0°C. (a = 0.00366 K-1)
Autrement dit, pour chaque augmentation de température d’1K, 1 m3 (= 1000 dm3) d’air se dilate toujours d’approximativement 3.66 dm3. Qu’il soit chauffé de 0°C à 1°C ou de 20°C à 21°C n’a pas d’importance pour nos calculs.
Plus l’air se dilate, plus il devient léger (moins dense). (Densité de l’air à 0°C et 1013 bar = 1293 kg/m3 ). L’air n’est pas aussi léger qu’il n’y paraît :
1 m3 d’air à 0 °C = 1293 kg
20 °C = 1205 kg
50 °C = 1093 kg
Nous remarquons qu’1 m3 d’air, passant le long d’un radiateur et chauffant ainsi de 20°C à peut-être 50°C connaît une poussée d’environ 1N.
Force, physique : Cause d’accélération et de déformation d’un corps. La force F est définie comme le produit de la masse m d’un corps et l’accélération a subie par le corps, ou F = m * a
Selon leur origine physique, on distingue la force gravitationnelle, la force électromagnétique, la force d’interaction forte (dont l’énergie nucléaire) ainsi que la force d’interaction faible (qui entraîne la désintégration des particules atomiques). Le Newton (N) est l’unité SI de la force.
La poussée de force 1 N est considérable pour de l’air « léger ». Ainsi, l’air chauffé s’élève rapidement, longe le plafond où il lui transmet sa chaleur ainsi qu’à l’air environnant. En refroidissant, l’air augmente en densité (redevient « lourd »), descend le long du mur et finalement atteint de nouveau le radiateur, « aspiré » par le mouvement d’air chaud se déplaçant vers le haut (fig. 4-17).
Fig. 4-17 Circulation de l’air dans une pièce comportant un radiateur
Nous sommes en présence ici du même mouvement de gravitation que pour un chauffage à eau chaude par gravitation.
Comme les molécules d’air peuvent se déplacer librement, elles se mélangent beaucoup plus facilement que les molécules des liquides. La stratification de la température est donc beaucoup moins bien définie dans les gaz.
Les différences de température dues au mouvement de gravitation à l’intérieur d’une pièce sont représentées dans la fig. 4-18.
Fig. 4-18 Température ambiante en fonction de la hauteur de la pièce
Nous n’avons fait qu’effleurer le sujet de « la dilatation thermique des matières gazeuses ». Une connaissance approfondie des autres lois des gaz est cependant prépondérante dans la technique de la ventilation et de la climatisation.
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