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Accueil du site > 02 - Livre Deux : SCIENCES > Atome : lois de la Physique ou rétroaction de la matière/lumière et du vide (...) > Qu’est-ce que la pression (en Physique) ?

Qu’est-ce que la pression (en Physique) ?

samedi 29 septembre 2018, par Robert Paris

Les premières expériences sur la pression Selon la théorie cinétique, les chocs des molécules contre une surface exercent sur elle une force de pression

Qu’est-ce que la pression (en Physique) ?

La matière exerce une pression. La lumière exerce une pression. Le vide lui-même exerce une pression. Mais c’est, cette fois, une pression négative ! Nous allons exposer d’abord la pression du vide, puis la pression du rayonnement, puis enfin la pression de la matière, en somme dans l’ordre hiérarchique de leur formation.

Pression du vide

Michel Cassé dans « Dictionnaire de l’ignorance » : « Le vide, à la différence de la matière et du rayonnement, est insensible à la dilatation car sa pression est négative. Ceci provient de la relation : pression = opposé de la densité d’énergie qui lui confère son invariance relativiste. La pression négative engendre une répulsion gravitationnelle. De fait, si la gravitation freine l’expansion de l’univers, l’antigravitation ne peut que l’accélérer. »

Michel Cassé dans « Du vide et de la création » :

« En physique, le vide est un concept qui recèle des propriétés tout à fait surprenantes et néanmoins fondamentales. Ce n’est pas le néant (l’absence de tout). La physique moderne nous indique d’ailleurs qu’il est tout à fait pertinent de discuter de l’énergie du vide. Ce n’est pas non plus un éther, un milieu matériel au sens de la matière à notre échelle ni des particules comme l’électron, suivant les époques, mouvant ou fixe et indépendant de tout référentiel, imaginé, par exemple, comme support des ondes électromagnétiques. Il a été prouvé que ce dernier n’existe pas (par Michelson et Morley), on en a donc abandonné l’idée. On peut dans une première approche dire que le vide est un espace dans lequel les molécules sont fortement raréfiées. Ainsi, pour « faire le vide », on prend une enceinte étanche et on pompe l’air avec une pompe à vide ; on définit la qualité du vide par la pression d’air résiduelle, exprimée en pascal (Pa, unité du système international), ou plus souvent dans le milieu industriel en millibar (mbar) ou torr (mm de mercure). On ne peut atteindre ainsi qu’un vide partiel, quelle que soit la température. Un vide considéré comme très poussé, « ultravide », correspond à une pression de l’ordre de 10-8 Pa ; on y dénombre encore 2 millions de molécules par centimètre cube. Par comparaison, la densité au sein des gaz interstellaire est de l’ordre de 1 atome par centimètre cube. Mais qui dit absence de matière ne dit pas absence d’événement. Ainsi, les ondes électromagnétiques traversent le vide, et c’est le milieu qui s’oppose le moins à leur avancement (la vitesse de la lumière dont on parle usuellement, limite à toute transmission d’information, est celle dans le vide) ; il y a dans le vide des variations du champ électrique et du champ magnétique, mais ces champs ne nécessitent aucun support matériel. Le vide total nécessite donc l’absence à la fois de matière mais aussi de rayonnement… Une des propriétés les plus curieuses du vide quantique est mise en évidence par l’effet Casimir : lorsque le vide est réalisé entre deux plaques conductrices, et en l’absence de toute contrainte mécanique externe, une pression est exercée sur les plaques dont la valeur dépend de la géométrie particulière du système. Cet effet est expliqué dans le cadre de la théorie quantique des champs qui affirme que la notion de vide dépend de la géométrie. Ainsi le vide enfermé entre les deux plaques conductrices possède une densité d’énergie différente du vide extérieur à l’enceinte. Cette différence de densité d’énergie a pour conséquence directe l’apparition d’une force mécanique exercée sur l’interface séparant les deux milieux. Propriétés physiques du vide Perméabilité magnétique du vide μ0 ≡ 4π×10-7 kg•m/A²s² (ou H/m) Conductance du vide = 1/119,916 983 2•π S ≈ 2,654 418 729 438 07×10-3 A²s³/kg•m² ≡ 1/μ0c permittivité du vide ε0 = 1/35 950 207 149•π F/m ≈ 8,854 187 817 620 39×10-12 A²s⁴/kg•m³ ≡ 1/μ0c² Impédance caractéristique du vide Z0 = 119,916 983 2•π Ω ≈ 376,730 313 461 770 68 kg•m²/A²s³ ≡ μ0c »

Attention, comme on l’a déjà dit, le vide de la physique n’est pas un lieu sans agitation et sans rien. La meilleure preuve de cette agitation (du type agitation thermodynamique des molécules) c’est la pression qu’elle exerce sur la matière. Ainsi, en rapprochant deux grandes plaques métalliques, on remarque que celles-ci sont collées par une pression extérieure … du vide. C’est l’effet Casimir ou la pression du vide.

Voir ici l’effet Casimir

Qu’est-ce que le vide

Pression du rayonnement

Paul Davies écrit dans « Les forces de la nature » :

« Dans une onde électromagnétique, l’énergie du champ est transportée dans l’espace via les oscillations de l’onde... Une onde électromagnétique transporte aussi de l’impulsion. La pression de radiation se voit facilement si on laisse arriver sur une très mince feuille métallique… Le fait que le champ électromagnétique puisse posséder de la quantité de mouvement et de l’énergie rend ce champ très réel, et ainsi pour une meilleure, l’idée initiale qu’il n’y a que des forces entre les particules a dû être transformée en l’idée qu’une particule crée un champ, et un champ agit sur une autre particule et que le champ lui-même a des propriétés aussi familières qu’un contenu d’énergie et une quantité de mouvement, tout à fait comme les particules. Reprenons un autre exemple : un champ électromagnétique possède des ondes que nous appelons la lumière ; il apparaît que la lumière transporte également de la quantité de mouvement avec elle de telle sorte que lorsque la lumière frappe un objet elle apporte une certaine quantité de mouvement par seconde ; ceci est équivalent à une force car si l’objet éclairé acquiert une certaine quantité de mouvement par seconde, sa quantité de mouvement est modifiée et la situation est exactement la même que si une force agissait sur lui. La lumière peut exercer une pression en bombardant un objet ; cette pression est très petite, mais avec un appareil suffisamment sensible elle est mesurable.  »

Un exemple de la pression de rayonnement est l’étoile. Une étoile est une boule gazeuse. Si elle reste ainsi, elle s’effondre sur elle-même par effet gravitationnel. Mais, si son fonctionnement d’étoile s’est enclenché dans son noyau, la pression du rayonnement entraine une compétition avec la gravitation qui va permettre à l’étoile de ne pas s’effondrer sur elle-même. Dans le cas de l’étoile, par exemple, la compétition se déroule entre la force gravitationnelle, attractive, et la pression radiative du plasma subissant des réactions thermonucléaires et des couches périphériques de l’étoile.

Le cours de Physique de Richard Feynman (tome Mécanique 2) :

« Nous considérons un grand nombre de photons dans une boîte dans laquelle la température est très élevée… Or, un photon possède une certaine quantité de mouvement… Pour des photons, il y a une loi de compressibilité du rayonnement :

« Pression de rayonnement fois Volume puissance 4/3 égale constante »

Pression de la lumière

Quelques expériences sur la pression de la lumière

Pression de rayonnement

Pression des fluides

Qu’est-ce que l’agitation moléculaire, à l’origine de la pression et manifestée dans le mouvement brownien

Un exemple de pression dans les gaz : la pression atmosphérique

La pression n’est pas une notion évidente et son existence permanente autour de nous, avec la pression atmosphérique, la pression des gaz, est une découverte relativement récente.

Il a fallu le développement de la connaissance et de l’expérimentation du vide pour qu’apparaisse, par opposition, la pression de la matière.

C’est le refus par Aristote de l’existence physique du vide qui a amené les scientifiques à retarder leur découverte de la pression : « La nature a horreur du vide »

Cependant, l’un des premiers énoncés de Physique que l’on connaisse concernant la pression est celui du « théorème d’Archimède » concernant la pression d’un liquide s’exerçant sur un solide que l’on peut énoncer ainsi :

« L’ensemble des forces de pression exercées par le fluide agissant sur un corps immergé, immobile, est égal et opposé à la pesanteur exercée par ce corps sur le fluide déplacé, appelée poussée d’Archimède. »

C’est donc une espèce de loi de l’action et de la réaction indiquant l’égalité et le sens opposé des deux.

C’est sur cette base que repose l’équilibre des corps flottant dans un liquide, mais aussi l’équilibre d’un corps léger agité de toutes parts par la pression du mouvement moléculaire dit brownien.

Dans le cas du théorème d’Archimède, la pression du fluide sur un corps répond en l’occurrence à la force de gravitation du corps solide. Ce n’est là qu’une réaction à une force.

Nous connaissons par expérience de nombreuses situations dans lesquelles la notion de « pression » est indispensable.

Cependant, ce paramètre physique a mis beaucoup de temps pour être reconnu.

En 1630, Jean-Baptiste Baliani suggère le rôle du poids de l’air pour équilibrer celui de l’eau dans une lettre à Galilée. Celui-ci remet en cause l’inexistence du vide en 1638, mais l’âge arrête ses réflexions sur le sujet. Evangelista Torricelli, reprenant le problème des fontainiers de Florence lié à la limitation des pompes aspirantes initialement confié à Galilée, confirme l’hypothèse du « poids de l’atmosphère » et invente le baromètre en 1643. Gilles Personne de Roberval précise le concept en étudiant en 1647 l’expansion des gaz, puis Blaise Pascal publie son fameux traité sur la pression atmosphérique en 1648. Robert Boyle établit la relation entre pression et volume en 1660 et Edmé Mariotte en 1676 (la loi de Boyle-Mariotte). On a à cette époque une description assez complète mais empirique de la pression des gaz. La théorie cinétique des gaz, avec la conception moderne de la pression, commence avec Daniel Bernoulli en 1738. Ludwig Boltzmann la mène à un degré de précision proche de l’état actuel en 1872 et 1877. Satyendranath Bose étend le domaine au rayonnement en 1924.

Comment se fait-il que l’on ait omis pendant de longues années l’existence de la pression ? La logique pousse à dire que, si une pression s’exerçait sur la matière, elle se mettrait en mouvement et elle ne le fait pas. Eh bien, la raison est simple : la pression, étant le produit d’une agitation élémentaire désordonnée, s’exerce également dans toutes les directions et en tout point. De sorte, qu’une surface donnée au sein d’un gaz reçoit à la fois une pression dans un sens et une en sens inverse, de sorte que l’effet global est nul. Pour mettre en valeur l’existence d’une pression, il faut une paroi qui ne contient pas le même fluide des deux côtés et, en particulier, cela est plus évident s’il y a un fluide d’un côté et le vide de l’autre…

Il n’est pas nécessaire qu’une force particulière, la gravitation par exemple, agisse sur un fluide pour que celui-ci exerce une pression.

En fait, tout fluide exerce une pression sur toute surface qui le côtoie.

Quiconque a vu une paroi de piscine vide se fissurer comprend que, lorsque la piscine était pleine, l’eau de la piscine exerçait une pression sur la terre autour, pression qui compensait la pression de la gravitation de la terre.

C’est relativement récemment que la notion de pression atmosphérique a été mise en évidence. La pression des gaz n’est pas une évidence parce que cette pression s’exerce également en tous sens et est donc compensée dans chaque direction.

Pour mettre en évidence la pression de l’air, le mieux est de faire le vide dans un volume donné, mais cela a mis longtemps pour être réalisable expérimentalement.

L’expérience la plus fameuse est celle des hémisphères de Magdebourg.

voir ici

Les deux hémisphères forment un volume sphérique. Si on les juxtapose, les deux hémisphères peuvent se disjoindre aisément. Si on fait, artificiellement, du vide dans la sphère construite entre les deux hémisphères, il n’est plus possible de disjoindre les deux hémisphères et l’étonnement des découvreurs a été grand de constater la grande valeur de cette pression en remarquant que des chevaux n’avaient pas assez de force pour disjoindre par leur traction ces deux hémisphères !!!

Dans le cas du corps flottant ou des hémisphères de Magdebourg, on examine une situation globalement statique, ce qui ne permet pas de comprendre que la pression est fondamentalement dynamique, c’est-à-dire se fonde sur une agitation, sur des chocs.

Depuis l’étude de la physique des atomes et des molécules et l’étude thermodynamique des fluides nous savons quelle est la nature de la pression. Les molécules connaissent une agitation permanente appelée « mouvement brownien », agitation en tous sens, sans direction privilégiée, et sans source matérielle ou lumineuse, dont l’énergie provient exclusivement de l’agitation du vide quantique. Le vide quantique étant un mouvement perpétuel, il entraîne un véritable ballet aléatoire de toutes les particules qui provoque également une agitation permanente des molécules pour peu que celles-ci ne soient pas dans un état trop lié. Aucune source d’énergie extérieure n’est donc nécessaire pour maintenir cette agitation moléculaire permanente qui est la source de toute pression.

Cette agitation moléculaire des fluides frappe toute surface. Le poids des fluides exerce une pression mais un fluide peut exercer une pression dans une autre direction que celle de la verticale de la gravitation.

Un gaz enfermé dans un récipient fermé exerce une pression sur toute la surface du récipient. Cette pression dépend de la quantité des molécules contenues dans le récipient, du volume de celui-ci et de l’énergie des chocs entre les molécules et la surface du récipient. La gravitation, cette fois et contrairement à la pression d’Archimède (qui s’oppose à la gravitation d’un corps) ou à la pression atmosphérique en un point (qui est le poids de la colonne d’air atmosphérique située au-dessus de ce point), n’a presque aucun rôle, la pression étant la même dans toutes les directions.

Leroux et Bauduin exposent ainsi dans leur ouvrage « Mécanique des fluides » :

« Alors que dans un liquide les molécules sont liées entre elles étroitement, dans un gaz raréfié les molécules, en perpétuel mouvement, sont totalement indépendantes, leur trajectoire rectiligne n’étant modifiée que par les chocs mutuels et sur les parois… Les chocs que peuvent subir les molécules sont de deux natures différentes :

- Lorsque deux molécules se choquent entre elles, la collision est presque élastique, ce qui signifie que l’énergie cinétique et la quantité de mouvement du système formé par ces deux molécules se conservent.

- Lorsqu’une molécule frappe la paroi, le problème est différent. En effet, nous savons que si aucune influence extérieure n’intervient, c’est-à-dire à l’équilibre thermodynamique, le gaz contenu dans une enceinte ne dégage et n’absorbe aucune énergie.

Il faut donc admettre qu’en moyenne, mais pas individuellement, lors des chocs sur les parois, la somme des énergies cinétiques et la somme des quantités de mouvement des molécules qui arrivent sur la paroi sont égales à la somme des énergies cinétiques et la somme des quantités de mouvement qui en partent, ceci dans un intervalle de temps donné.

Cela ne précise pas la nature du choc et, pour chaque molécule prise individuellement, atteignant la paroi, on peut envisager un processus différent du choc élastique : la molécule se « condense » sur la paroi pendant un temps suffisamment petit devant l’intervalle de temps ci-dessus considéré, puis ensuite se « réévapore » dans une toute autre direction avec une énergie de mouvement très différente.

C’est à des chocs sur la paroi qu’il faut attribuer la notion de pression exercée par le gaz. Cette pression est pratiquement la même en tout point du vase et égale au module de la force moyenne exercée sur l’unité d’aire de la paroi. »

Le cours de Physique de Richard Feynman (tome Mécanique 2) :

« Nous savons qu’un gaz exerce une pression et nous devons clairement comprendre à quoi cela est dû.

Si nos oreilles étaient plus sensibles, nous entendrions perpétuellement du bruit. L’évolution n’a pas développé l’oreille jusqu’à ce point. Cela serait d’une grande utilité car, si elle était aussi sensible, nous entendrions un perpétuel tintamarre. La raison en est que le tympan est en contact avec l’air, et que l’air est constitué d’un grand nombre de molécules en mouvement perpétuel et que celles-ci cognent le tympan. En cognant le tympan, elles produisent un tam-tam irrégulier – boum, boum, boum – que nous n’entendons pas parce que les atomes sont très petits et que la sensibilité de l’oreille n’est pas suffisante pour le remarquer. Le résultat de ce bombardement perpétuel est de repousser le tympan, mais bien sûr il y a un bombardement perpétuel équivalent des atomes de l’autre côté du tympan, de telle sorte que la résultante sur lui est nulle.

Si nous éliminions l’air d’un côté ou que nous changions les quantités relatives d’air entre les deux côtés, le tympan serait alors poussé d’un côté ou de l’autre.

Nous ressentons quelquefois cet effet peu confortable lorsque nous montons trop rapidement dans un ascenseur ou dans un avion, particulièrement si nous avons un mauvais rhume. Lorsque nous avons un rhume, l’inflammation ferme le tube qui relie l’air à l’intérieur du tympan à l’air extérieur par l’intermédiaire de la gorge, de telle sorte que les deux pressions ne peuvent immédiatement s’égaliser…

Jusqu’à présent, nous n’avons pas encore utilisé la température : nous avons à dessein évité d’en parler. Lorsque nous comprimons un gaz, nous savons que l’énergie des molécules augmente et nous sommes habitués à dire que le gaz devient de plus en plus chaud ; nous voudrions comprendre ce que ceci a à voir avec la température…

Considérons ce qui se passe si nous avons deux gaz, dans des récipients séparés par un piston mobile… Dans le récipient 1, les atomes ont une masse M1, une vitesse V1 et il y en a N1 par unité de volume et dans l’autre récipient, les atomes ont une masse M2, une vitesse V2 et il y en a N2 par unité de volume. Quelles sont les conditions de l’équilibre ?

Manifestement, le bombardement du côté gauche doit être tel qu’il déplace le piston vers la droite et comprime l’autre gaz jusqu’à ce que sa pression soit suffisante, le piston va alors revenir puisse déplacer de ci de là et, graduellement, atteindre le repos en un endroit où les pressions seront égales des deux côtés… »

Les lois de la Physique concernant la pression sont les suivantes :

Loi de Pascal : « Dans un fluide, les accroissements de pressions se propagent et se transmettent. »

Loi des forces de pression exercées par un fluide sur une paroi :

« La résultante des forces de pression exercées par un fluide à l’équilibre sur une pression de paroi du récipient est normale à la paroi et la même en tout point, ne dépendant que du volume du récipient, de la température et du nombre de molécules du fluide. »

Pour un gaz dit parfait, la loi s’écrit :

« La pression multipliée par volume est proportionnelle au nombre de molécules multiplié par la température. »

L’équilibre dynamique dans un fluide en mouvement (écoulement) est exprimé par cette loi :

« La quantité de mouvement qui entre dans une surface au sein du fluide est égale à la quantité de mouvement qui en sort. »

En mécanique :

« La force égale la pression multipliée par la surface. »

Pour un gaz, nous pouvons écrire l’équation :

« Pression P fois Volume V égale Energie totale U fois le coefficient « gamma moins un ».

Pour un gaz monoatomique, gamma égale 5/3 et donc gamma moins un vaut 2/3, du coup

PxV = 2/3 U

Lorsqu’on comprime un gaz :

« Le travail effectué pour la compression est égale à pression fois variation de volume. »

Dans un milieu unidimensionnel où un ensemble de particules se déplace avec la vitesse v :

« La pression est égale à la moitié du produit de la masse volumique par le carré du module de la vitesse des particules. »

La pression sur une paroi par le choc des molécules :

« La pression vaut un tiers du produit de la densité volumique des particules, de leur masse et du carré de leur vitesse microscopique. »

Pour un gaz à l’équilibre thermodynamique :

« La pression est le produit de la densité volumique des particules par la constante de Boltzmann et de la température thermodynamique. »

Pour finir :

L’équation à la base de l’univers est celle qui égalise la pression du vide et la densité d’énergie.

2 Messages de forum

  • Qu’est-ce que la pression (en Physique) ? 22 novembre 2018 15:43, par jfp

    Bonjour ;
    Dans la phrase ::
    "Considérons ce qui se passe si nous avons deux gaz, dans des récipients séparés par un piston mobile… Dans le récipient 1, les atomes ont une masse M1, une vitesse V1 et il y en a N1 par unité de volume et dans l’autre récipient, les atomes ont une masse M2, une vitesse V2 et il y en a N2 par unité de volume. Quelles sont les conditions de l’équilore ?"
    vous utilisez le mot "équilore" que je ne trouve pas comme nom commun !!!
    Quel est le vrai mot à être utilisé ??

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