Activité n°1 (Chap.1) : Qu'est-ce que la pression ?

Complément :

Rappel : La thermodynamique est la science de tous les phénomènes qui dépendent de la température et de ses changements.

👨‍🎓 De la force pressante à la pression - Approche qualitative (§A.)⚓

Définition : Force pressante

Un gaz ou un liquide contenu dans un récipient exerce une force sur les parois de celui-ci.

Cette force $\vec{F}$, appelée force pressante, est toujours perpendiculaire aux parois.

Rappel : Représentation d'une force

La force est la grandeur physique associée à l'action mécanique.

Elle se caractérise par :

une direction (une ligne) ;
un sens (sens de parcours de la ligne) ;
une valeur (ou intensité) en newton (N) ;
un point d'application.

Une force localisée est modélisée par un vecteur-force $\vec{F}$ avec pour point d'application le point de contact.

Une force répartie dans tout le volume (ou en surface) est modélisée par un vecteur-force appliqué au centre d'inertie $G$ du corps.

Représentation de la force pressante

Question⚓

Q1. (APP) Représenter la force pressante dans ces différentes situations,

de l'air interne sur la

paroi du ballon.

de l'eau sur les parois

du verre.

du personnage sur le sol.

Complément : Document n°1 : Lien entre force pressante et pression

Vidéo sur support numérique.

Attention : Appel professeur

Faites vérifier vos réponses. Expliquer votre choix.

Définition : Unités de la pression

L'unité de la pression dans le système international est le pascal (Pa).

Il existe plusieurs unités de mesures pour la pression. Les trois unités couramment utilisées sont le millimètre de mercure (mmHg), le bar (bar) et le pascal (Pa).

$1\,\mathrm{bar} = 10^5\,\mathrm{Pa}$

$1\,\mathrm{mmHg} = 133\,\mathrm{Pa}$

La pression atmosphérique, notée $p_\mathrm{atm}$, correspond à la pression de l'air qui nous entoure. Sa valeur est $p_\mathrm{atm} \simeq 1,013\,\mathrm{bar} =1013\,\mathrm{kPa} = 101\,300\,\mathrm{Pa}$.

Question⚓

Q3. (APP/RÉA) Effectuer les conversions suivantes :

Convertir en $Pa$ :

a. $2\, bar$

b. $3\, mbar$

c. $4\, Mbar$

Convertir en $bar$ :

d. $2\,000\, 000\, Pa$

e. $2\cdot 10^5\, Pa$

f. $3\, kPa$

Solution ⚓

A-Q3.

Convertir en $Pa$ :

a. $2\, bar=2\times 10^5 \, Pa$

b. $3\, mbar=3\times 10^{-3} \times 10^5 \, Pa$

$=3\times 10^{2}\, Pa=300 Pa$

c. $4\, Mbar= 4\times 10^{6} \times 10^5 \, Pa$

$=4\times 10^{11}\, Pa=400 \ GPa$

Convertir en $bar$ :

d. $2\,000\, 000\, Pa=\dfrac{2\,000\, 000}{10^5}\, bar=20\, bar$

e. $2\cdot 10^5\, Pa=\dfrac{2\cdot 10^5}{10^5}\, bar=2\, bar$

f. $3\, kPa=\dfrac{3\cdot 10^3}{10^5}\, bar=3\cdot 10^{-2}\, bar=30\, mbar$

Définition : Force et pression

Q4. (APP) Indiquer ci-dessous la relation entre la force, la pression et la surface pressée avec les unités associées.

🏆 Quiz (§B.)⚓

→ Faire le quiz en cliquant sur le lien suivant : B. Quiz 🏆.

🏋️ S'entraîner (§C.)⚓

1/ S'échauffer ⚓

Exercice n°1 : Pression d'un gaz dans un récipient ⚓

Un gaz exerce une force pressante $F =0,6\,\mathrm{N}$ sur une surface d'aire $S = 10\,\mathrm{cm^2}$ du récipient qui le contient.

Question⚓

Q5. (RÉA) Quelle est la pression $p$ du gaz dans ce récipient ?

Question⚓

Q6. (ANA) Que devient la pression du gaz si la surface est doublée, la force pressante conservant la même valeur ? Justifier.

Exercice n°2 : Pression et poids ⚓

Rappel : Le poids d'un corps

Le poids $\large{\vec{P}}$ d'un corps est la force exercée par la Terre sur cet objet. La valeur de cette force se calcule avec la formule suivante :

\[\fbox{$ {\Large {P = m\times g } } $}\]

Avec :

$\mathrm{P}$ : valeur du poids en $\mathrm{N}$
$\mathrm{m}$ : masse du corps en $\mathrm{kg}$
$\mathrm{g}$ : intensité de la pesanteur en $\mathrm{N.kg^{-1}}$

Complément : Données

$g = 9,8 \,\mathrm{N.kg^{-1}}$

La masse volumique moyenne de l'air est $\rho_\mathrm{air} = 1,18\; \mathrm{kg.m^{-3}}$.

Question⚓

Q7. (RÉA) Calculer le poids d'une colonne d'air de $10\,\mathrm{km}$ de hauteur et de $1,0\,\mathrm{m^2}$ de surface au sol.

Question⚓

Q8. (ANA/RÉA) Quelle est la pression exercée par l'air au niveau du sol ?

2/ Pour s'entraîner ⚓

Exercice n°3 : Bouteille en plastique ⚓

Une bouteille en plastique ne contient initialement que de l'air. Elle est reliée à une pompe qui évacue cet air. La bouteille commence à s'effondrer sur elle-même dès que la pression à l'intérieur $p_{int}$ vaut $10,0\, \%$ de moins que la pression extérieure $p_{ext}$, égale à $1,013\cdot 10^5\,\mathrm{Pa}$.

Complément : Données :

$g = 9,8 \,\mathrm{N\,kg^{-1}}$

Question⚓

Q9. (RÉA) Calculer la pression $p_\mathrm{int}$ à l'intérieur de la bouteille quand commence l'effondrement.

Question⚓

Q10. (ANA/RÉA) Dans ces conditions, quelle force pressante s'exerce sur l'aire $s = 1,00\,\mathrm{cm^2}$ de la bouteille due à $p_\mathrm{ext}$ ? et due à $p_\mathrm{int}$ ?

Précisez pour chacune de ces forces comment elles s'exercent sur la paroi de la bouteille (direction et sens).

Question⚓

Q11. (ANA/RÉA) Quelle est la force pressante totale s'exerçant sur $1,00\,\mathrm{cm^2}$ ? Bien justifier. (On pourra s'aider d'un schéma).

Préciser dans quelle direction et dans quel sens cette force pressante totale va s'appliquer.

Question⚓

Q12. (RÉA) Quelle masse $m$ posée sur $1,00\,\mathrm{cm^2}$ exercerait la même force ?

Question⚓

Q13. (APP/RÉA) L'aire totale de la bouteille est $S_\mathrm{totale} = 855 \,\mathrm{cm^2}$. À quelle masse $M$ correspond la force $F_0$ résultant de la différence de pression exercée sur la totalité de la surface de la bouteille ?

Exercice n°4 : Dans la poudreuse ⚓

La masse d'un randonneur, sac à dos compris est $m = 80\,\mathrm{kg}$

Rappel : Données

$g = 9,8 \,\mathrm{N.kg^{-1}}$

Question⚓

Q14. (RÉA) Calculer le poids du randonneur.

Question⚓

Q15. (RÉA) Représenter la force pressante du randonneur sur la neige.

Question⚓

Q16. (APP/RÉA) Calculer la pression exercée par le randonneur sur la neige :

en chaussures de marche dont chaque semelle a une surface de $300\,\mathrm{cm^2}$ ;
équipé en raquettes, dont chacune a une surface de $700\,\mathrm{cm^2}$. (On négligera la masse apportée par les raquettes).

Question⚓

Q17. (ANA) Comparer ces deux pressions. Quel avantage cet équipement présente-t-il ?

👨‍🎓 Interprétation simple (§D.)⚓

Complément : Document n°2 : Le mouvement désordonné d'un fluide

Les particules d'un système, quel que soit son état physique, sont en mouvement désordonné. Ce mouvement, appelé agitation thermique, est mesuré à l'échelle macroscopique par la température.

Dans l'exemple ci-contre, le volume constant et le nombre de particules identique. Le gaz du caisson de gauche a une température supérieure à celui de droite. La pression à gauche est donc plus élevée qu'à droite (loi des gaz parfaits).

Le nombre de chocs élastiques entre les particules et une paroi est d'autant plus important que la pression est grande.

Il est possible d'utiliser la simulation suivante pour se rendre compte du mouvement des particules et des chocs.

→ Ouvrir la simulation, puis observer en utilisant ces réglages :

Onglet Intro ;
50 particules légères
Affichage des collisions murales
Température élevée (vers $600\, K=326 \,\mathrm{^\circ C}$

→ Faire descendre ensuite la température et observer.

Lien de la simulation : https://phet.colorado.edu/sims/html/gases-intro/latest/gases-intro_fr.html

Questions ⚓

Question⚓

Q18. (ANA) À quelle grandeur macroscopique est liée l'énergie d'agitation des particules ? (On appelle cette énergie, l'énergie cinétique microscopique.)

Question⚓

Q19. (VAL/COM) Comment expliquer que du gaz (ici l'air) exerce une pression sur la paroi de la bouteille ? (Aide : Que font les particules d'un système au niveau de la paroi d'un récipient ? Qu'est-ce que cela engendre ?)