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Physique · 4 affiches · formule n° 81

La loi des gaz parfaits

La loi des gaz parfaits relie la pression, le volume, la quantité de matière et la température d’un gaz. Elle décrit très bien les gaz réels tant qu’ils restent assez dilués.

Voir les 4 affiches 14 contrôles par le calcul

Pour un gaz assez dilué : PP en pascals, VV en m3\mathrm{m^3}, nn en moles, TT en kelvins ; RR est exacte depuis 2019. Dessin : les isothermes d’une mole de gaz, de 200200 à 600600 K ; sur celle de 273,15273{,}15 K, le point à 11 atm donne le volume molaire, 22,422{,}4 L.

Quatre styles

Les affiches

La même formule, le même dessin calculé, en Papier, Nuit, Bauhaus ou Tableau noir. En affiche, toile, plexiglas ou aluminium.

Ce que dit la formule

Pour un gaz parfait, c’est-à-dire un gaz dont les molécules sont assimilées à des points qui n’interagissent qu’en se heurtant, la pression, le volume, la quantité de matière et la température sont liés par

PV=nRTPV = nRT
  • PP : la pression du gaz, en pascals (Pa). C’est la pression absolue, pas la surpression lue sur un manomètre de pneu.
  • VV : le volume occupé par le gaz, en mètres cubes (m³). Un litre vaut 10−310^{-3} m³.
  • nn : la quantité de matière, en moles (mol). Une mole contient exactement 6,02214076×10236{,}022\,140\,76 \times 10^{23} entités (la constante d’Avogadro NAN_A).
  • TT : la température absolue, en kelvins (K). On l’obtient en ajoutant 273,15273{,}15 à la température en degrés Celsius.
  • RR : la constante des gaz parfaits, R=NAkB=8,31446261815324R = N_A\, k_B = 8{,}314\,462\,618\,153\,24 J·mol⁻¹·K⁻¹, où kB=1,380649×10−23k_B = 1{,}380\,649 \times 10^{-23} J/K est la constante de Boltzmann.

Une constante exacte. Depuis la révision du Système international entrée en vigueur le 20 mai 2019, NAN_A et kBk_B ont des valeurs fixées exactement. Leur produit RR est donc exact lui aussi : les décimales ci-dessus ne sont pas arrondies.

Une autre écriture. En comptant les molécules plutôt que les moles, avec N=nNAN = n N_A molécules, la loi s’écrit PV=NkBTPV = N k_B T.

Le domaine de validité. Aucun gaz réel n’est parfait, mais la loi est une très bonne approximation quand le gaz est dilué : basse pression, température assez éloignée de celle où il se liquéfie. Elle est la plus fidèle pour les gaz monoatomiques (hélium, argon) à haute température et basse pression. Quand le gaz est fortement comprimé, la taille des molécules et leurs attractions mutuelles ne sont plus négligeables et il faut une équation plus complète, comme celle de van der Waals.

Un exemple

Le volume molaire. À 00 °C (T=273,15T = 273{,}15 K) et sous une atmosphère (P=101325P = 101\,325 Pa), une mole de gaz parfait occupe

V=nRTP=1×8,314462618…×273,15101325≈0,022413969 m3,V = \frac{nRT}{P} = \frac{1 \times 8{,}314\,462\,618\ldots \times 273{,}15}{101\,325} \approx 0{,}022\,413\,969\ \mathrm{m^3},

soit environ 22,41 litres : c’est le fameux « 22,4 L par mole ». À 20 °C, sous la même pression, on trouve environ 24,05 L. Sous 100 kPa et à 0 °C, la valeur de référence publiée par le NIST est d’environ 22,71 L.

L’air d’une pièce. Une pièce de 50 m³ à 20 °C et sous une atmosphère contient n=PV/(RT)=101325×50/(8,31446×293,15)n = PV/(RT) = 101\,325 \times 50 / (8{,}314\,46 \times 293{,}15), soit environ 2 078 moles de gaz, environ 1,25×10271{,}25 \times 10^{27} molécules. Avec une masse molaire de l’air d’environ 28,97 g/mol, cela représente environ 60 kg d’air.

Un récipient chauffé. Un récipient rigide et fermé contient un gaz à 2 bar (pression absolue) à 20 °C. On le chauffe à 50 °C : nn et VV ne changent pas, donc P/TP/T reste constant, et la pression devient 2×323,15/293,152 \times 323{,}15 / 293{,}15, soit environ 2,20 bar. Il faut faire le calcul en kelvins : en degrés Celsius, on trouverait à tort 5 bar.

Quand la loi ne suffit plus. Pour le dioxyde de carbone à 300 K, l’équation de van der Waals (avec les constantes tabulées a=3,6a = 3{,}6 L²·bar/mol² et b=0,04267b = 0{,}042\,67 L/mol) donne un rapport PV/(nRT)PV/(nRT) d’environ 0,995 quand une mole occupe 24,6 L, mais d’environ 0,54 quand elle est comprimée dans 0,2 L. Dans le premier cas, la loi des gaz parfaits se trompe de moins de 1 % ; dans le second, de près de moitié.

Pourquoi c’est vrai

L’idée de la démonstration, par la théorie cinétique. Imaginons NN molécules de masse mm dans une boîte cubique d’arête LL, qui rebondissent sur les parois sans perdre d’énergie. Une molécule dont la vitesse a la composante vxv_x vers la paroi de droite lui cède, à chaque choc, la quantité de mouvement 2mvx2 m v_x. Elle revient frapper cette paroi tous les 2L/vx2L / v_x, ce qui fait une force moyenne mvx2/Lm v_x^2 / L. En additionnant sur toutes les molécules et en divisant par l’aire L2L^2 de la paroi :

P=Nm⟨vx2⟩V.P = \frac{N m \langle v_x^2 \rangle}{V}.

Les directions étant toutes équivalentes, ⟨vx2⟩\langle v_x^2 \rangle vaut le tiers de ⟨v2⟩\langle v^2 \rangle, d’où PV=23N⟨Ec⟩PV = \frac{2}{3} N \langle E_c \rangle, où ⟨Ec⟩\langle E_c \rangle est l’énergie cinétique moyenne d’une molécule. La physique statistique établit que, pour ce mouvement de translation, ⟨Ec⟩=32kBT\langle E_c \rangle = \frac{3}{2} k_B T. On obtient PV=NkBT=nRTPV = N k_B T = nRT.

Ce raisonnement suppose précisément ce qui définit le gaz parfait : des molécules sans volume propre et sans attraction entre elles. C’est pourquoi la loi devient fausse pour un gaz comprimé.

Les lois anciennes en découlent. À nn et TT fixés, PVPV est constant (loi de Boyle-Mariotte) ; à nn et PP fixés, VV est proportionnel à TT (loi de Charles) ; à nn et VV fixés, PP est proportionnel à TT ; à PP et TT fixés, des volumes égaux contiennent le même nombre de molécules (loi d’Avogadro).

Un peu d’histoire

La loi des gaz parfaits est la synthèse de plusieurs lois expérimentales. En 1662, Robert Boyle publie que, à température fixée, le volume d’un gaz varie en raison inverse de sa pression ; Edme Mariotte arrive au même résultat en 1676. En 1802, Joseph Louis Gay-Lussac publie des mesures de la dilatation des gaz chauffés, en signalant que Jacques Charles avait observé la même propriété des années plus tôt, sans la publier. En 1811, Amedeo Avogadro propose que des volumes égaux de gaz, dans les mêmes conditions, contiennent le même nombre de molécules.

En 1834, Émile Clapeyron, reprenant les travaux de Sadi Carnot, combine ces lois en une seule équation, écrite pour une masse de gaz donnée et avec la température en degrés Celsius augmentée d’une constante expérimentale (267). Rudolf Clausius, à partir des mesures de Victor Regnault, la récrit avec 273 en 1850. En 1856 et 1857, August Krönig et Rudolf Clausius retrouvent la loi par la théorie cinétique, en partant du mouvement des molécules. L’écriture avec la quantité de matière, où la constante RR devient la même pour tous les gaz, apparaît dans les années 1870.

Enfin, la révision du Système international entrée en vigueur en 2019 a fixé les valeurs de NAN_A et de kBk_B : depuis, RR est une constante exacte.

Ce que montre l’affiche

Le dessin trace les isothermes d’une mole de gaz parfait, c’est-à-dire les courbes P=nRT/VP = nRT/V obtenues à température fixée, de 200 K à 600 K par pas de 50 K : chacune est une branche d’hyperbole, et plus le gaz est chaud, plus la courbe est haute. L’isotherme de 273,15 K (0 °C) est mise en valeur : le point où elle croise la pression d’une atmosphère se trouve à environ 22,4 L, le volume molaire, et les pointillés le reportent sur les axes. Le dessin est calculé par des programmes écrits pour l’atelier, à partir de la formule elle-même ; l’affiche existe en quatre styles : Papier, Nuit, Bauhaus et Tableau noir.

Pour aller plus loin

Sources : Loi des gaz parfaits (Wikipédia) (nouvel onglet), Ideal gas law (Wikipedia) (nouvel onglet), constante molaire des gaz R (NIST) (nouvel onglet), volume molaire du gaz parfait (NIST) (nouvel onglet), constantes de van der Waals (Wikipedia) (nouvel onglet), Charles’s law (Wikipedia) (nouvel onglet), brochure du SI (BIPM) (nouvel onglet).

Vérifiée par le calcul

Les contrôles de cette formule

Avant d'imprimer l'affiche, un programme met la formule à l'épreuve. Voici ce qu'il a calculé (dernier passage le 11 octobre 2026) ; si un seul de ces contrôles échouait, l'affiche ne serait pas produite. Notre méthode

  • dimensions : P × V = énergie (pascal × m³ = joule)[2,1,-2,0,0] contre [2,1,-2,0,0] (m, kg, s, A, K)
  • dimensions : (n R) × T = énergie (R en J·mol⁻¹·K⁻¹)[2,1,-2,0,0] contre [2,1,-2,0,0] (m, kg, s, A, K)
  • R = N_A k_B = 8,314 462 618 153 24 J·mol⁻¹·K⁻¹ (produit exact)602 214 076 × 1 380 649 = 831446261815324
  • … et en flottantsobtenu 8.31446261815324, attendu 8.31446261815324, écart 0.00e+0 (tolérance 1e-15)
  • volume molaire à 273,15 K et 101,325 kPa : 22,413 969 54… L (NIST)obtenu 22.413969545014137, attendu 22.41396954, écart 2.24e-10 (tolérance 1e-9)
  • volume molaire à 273,15 K et 100 kPa : 22,710 954 64… L (NIST)obtenu 22.71095464148557, attendu 22.71095464, écart 6.54e-11 (tolérance 1e-9)
  • théorie cinétique : 200 000 atomes d’argon à 300 K, pression des chocs sur la paroi = N k_B T / Vobtenu 825.9148372651069, attendu 828.3894000000001, écart 2.99e-3 (tolérance 0.01)
  • … et avec la température tirée de l’énergie cinétique moyenne (3/2 k_B T)obtenu 825.9148372651069, attendu 829.1787049113289, écart 3.94e-3 (tolérance 0.01)
  • Boyle-Mariotte (PV constant à T fixée) et Charles (V ∝ T à P fixée), 5 000 tiragesécart relatif maximal 4.44e-16
  • contre-exemple : CO₂ (van der Waals) à 300 K, PV/nRT ≈ 1 dilué (24,6 L/mol), loin de 1 comprimé (0,2 L/mol)PV/nRT = 0.9959 à 24,6 L et 0.550 à 0,2 L
  • a de van der Waals converti : 3,6 L²·bar/mol² = 0,36 Pa·m⁶/mol²obtenu 0.36, attendu 0.36, écart 0.00e+0 (tolérance 1e-12)
  • dessin : point (22,41 L ; 101,325 kPa) sur l’isotherme de 273,15 Kobtenu 101325, attendu 101325, écart 0.00e+0 (tolérance 1e-13)
  • dessin et légende : étiquettes « 273,15 K » et « 22,4 L » (volume tronqué au dixième)273{,}15 ; 22{,}4
  • dessin : chaque isotherme sort du cadre par le haut, à V = RT/P_max < V_max

Sources

À lire aussi

Questions fréquentes

Que signifie PV = nRT ?

C’est la loi des gaz parfaits : la pression P multipliée par le volume V est égale à la quantité de matière n (en moles), multipliée par la constante R et par la température absolue T (en kelvins).

Quelle est la valeur de R ?

R = 8,314 462 618 153 24 J·mol⁻¹·K⁻¹. Depuis 2019, cette valeur est exacte, car elle est le produit de la constante d’Avogadro et de la constante de Boltzmann, toutes deux fixées par définition.

Quelles unités utiliser dans PV = nRT ?

Avec R en J·mol⁻¹·K⁻¹, il faut la pression en pascals, le volume en mètres cubes, la quantité de matière en moles et la température en kelvins. Oublier de convertir les degrés Celsius en kelvins est l’erreur la plus fréquente.

Pourquoi une mole de gaz occupe-t-elle 22,4 litres ?

C’est le volume que donne PV = nRT pour une mole à 0 °C et sous une atmosphère : environ 22,41 L. La valeur change avec les conditions : environ 24,05 L à 20 °C.

Un gaz réel suit-il la loi des gaz parfaits ?

Approximativement, tant qu’il est dilué : à basse pression et loin de sa liquéfaction, l’écart est souvent inférieur à 1 %. Fortement comprimé, il s’en écarte nettement, et l’on utilise des équations plus complètes comme celle de van der Waals.