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Comprendre la physico-chimie par la plongée sous-marine.
Comprendre la plongée sous-marine par la physico-chimie
À 40 mètres, cette autonomie
se réduit à 24 minutes.
3
La loi des gaz
parfaits :
son intérêt et ses limites
pour la plongée
3.1. En grande profondeur :
tout change !
Cette loi des gaz parfaits est
simple, facile à utiliser, mais
on peut se demander si elle
est bien applicable dans les
situations rencontrées. Pour
répondre à cette question,
on peut se placer dans un
autre contexte de l’exploration sous-marine : celui des
plongées en grandes profondeurs. Rappelons que l’océanographe suisse Jacques
Piccard (Figure 13A) à bord de
son sous-marin Trieste lors
de son exploration de la fosse
des Mariannes (Figure 13B) en
1960 a atteint la profondeur
de 11 000 mètres. La pression au fond était d’environ
1 100 bars. Empruntons le
bathyscaphe du Professeur
Piccard pour réaliser une
expérience très simple : attachons aux superstructures
du bathyscaphe, en surface,
un ballon déformable contenant 1 litre d’air. À la pression
de 1 bar, le ballon contient
environ 1,3 grammes de gaz.
Descendons à 10 000 mètres
de profondeur. Dans cette
opération, on est passé de
1 bar à environ 1 000 bars. Si
on applique la loi des gaz
parfaits, en supposant que
la température est la même
qu’en surface, P 1 V 1 = P 2 V 2 , soit
1 × 1 = 1 100 × V 2 , on calcule
que le volume du ballon,
initialement de 1 000 cm
3
,
est réduit à 1 cm
3 . Comme
la masse de l’air empriFigure 13
A) Jacques Piccard (de face) et
Don Walsh (en bas) à bord du
bathyscaphe Trieste en 1960.
B) Le Trieste, au-dessus de la
fosse des Mariannes, le 23 janvier
1960. La fosse des Mariannes est
la fosse océanique la plus profonde
actuellement connue et l’endroit le
plus profond de la croûte terrestre.
Elle est située dans la partie nordouest de l’Océan Pacifi que.
sonné n’a pas changé (égale
à 1,3 g), on en déduit que la
masse volumique de l’air à
cette profondeur est égale à
1,3 g/cm
3 . Cette valeur est
très supérieure à celle de
l’eau (la masse volumique de
l’eau est environ de 1 g/cm
3
)
(Figure 14). La logique du
calcul voudrait donc que l’air
coule dans l’eau ! La conséquence serait que si on lâchait
une bulle d’air du sous-marin,
on devrait la voir couler vers le
fond et non pas remonter vers
la surface !
Ce résultat inattendu est intuitivement dérangeant. Sur ce
point, il est intéressant de s’interroger : phénomène réel ?
Calcul faux ? Raisonnement
biaisé ? En fait, le raisonnement présenté n’est pas juste
car il utilise une relation (la loi
des gaz parfaits) en dehors de
son domaine d’application. La
loi des gaz parfaits est une loi
limite caractéristique des gaz
lorsque la pression tend vers
zéro, ce qui n’est pas le cas ici.
Il faut donc se rassurer, l’air ne
coule pas ! On peut le constater
sur la Figure 15, où la courbe du
bas donne les variations expérimentales de la masse volumique de l’air en fonction de
la pression (valeurs d’Amagat).
On constate que la masse
Comprendre la physico-chimie par la plongée sous-marine.
Comprendre la plongée sous-marine par la physico-chimie
À 40 mètres, cette autonomie
se réduit à 24 minutes.
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La loi des gaz
parfaits :
son intérêt et ses limites
pour la plongée
3.1. En grande profondeur :
tout change !
Cette loi des gaz parfaits est
simple, facile à utiliser, mais
on peut se demander si elle
est bien applicable dans les
situations rencontrées. Pour
répondre à cette question,
on peut se placer dans un
autre contexte de l’exploration sous-marine : celui des
plongées en grandes profondeurs. Rappelons que l’océanographe suisse Jacques
Piccard (Figure 13A) à bord de
son sous-marin Trieste lors
de son exploration de la fosse
des Mariannes (Figure 13B) en
1960 a atteint la profondeur
de 11 000 mètres. La pression au fond était d’environ
1 100 bars. Empruntons le
bathyscaphe du Professeur
Piccard pour réaliser une
expérience très simple : attachons aux superstructures
du bathyscaphe, en surface,
un ballon déformable contenant 1 litre d’air. À la pression
de 1 bar, le ballon contient
environ 1,3 grammes de gaz.
Descendons à 10 000 mètres
de profondeur. Dans cette
opération, on est passé de
1 bar à environ 1 000 bars. Si
on applique la loi des gaz
parfaits, en supposant que
la température est la même
qu’en surface, P 1 V 1 = P 2 V 2 , soit
1 × 1 = 1 100 × V 2 , on calcule
que le volume du ballon,
initialement de 1 000 cm
3
,
est réduit à 1 cm
3 . Comme
la masse de l’air empriFigure 13
A) Jacques Piccard (de face) et
Don Walsh (en bas) à bord du
bathyscaphe Trieste en 1960.
B) Le Trieste, au-dessus de la
fosse des Mariannes, le 23 janvier
1960. La fosse des Mariannes est
la fosse océanique la plus profonde
actuellement connue et l’endroit le
plus profond de la croûte terrestre.
Elle est située dans la partie nordouest de l’Océan Pacifi que.
sonné n’a pas changé (égale
à 1,3 g), on en déduit que la
masse volumique de l’air à
cette profondeur est égale à
1,3 g/cm
3 . Cette valeur est
très supérieure à celle de
l’eau (la masse volumique de
l’eau est environ de 1 g/cm
3
)
(Figure 14). La logique du
calcul voudrait donc que l’air
coule dans l’eau ! La conséquence serait que si on lâchait
une bulle d’air du sous-marin,
on devrait la voir couler vers le
fond et non pas remonter vers
la surface !
Ce résultat inattendu est intuitivement dérangeant. Sur ce
point, il est intéressant de s’interroger : phénomène réel ?
Calcul faux ? Raisonnement
biaisé ? En fait, le raisonnement présenté n’est pas juste
car il utilise une relation (la loi
des gaz parfaits) en dehors de
son domaine d’application. La
loi des gaz parfaits est une loi
limite caractéristique des gaz
lorsque la pression tend vers
zéro, ce qui n’est pas le cas ici.
Il faut donc se rassurer, l’air ne
coule pas ! On peut le constater
sur la Figure 15, où la courbe du
bas donne les variations expérimentales de la masse volumique de l’air en fonction de
la pression (valeurs d’Amagat).
On constate que la masse