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Loi des gaz parfaits : PV = nRT

La loi des gaz parfaits relie pression, volume, quantité de matière et température par l’équation PV = nRT. Elle constitue un modèle central pour décrire de nombreux gaz à pression modérée.

Modèle et domaine de validité

La loi des gaz parfaits relie pression, volume, quantité de matière et température

L’équation pV = nRT constitue le modèle de base des gaz parfaits. Elle relie la pression p, le volume V, la quantité de matière n, la température absolue T et la constante des gaz R. La température doit être exprimée en kelvins lorsqu’on utilise cette forme de l’équation.

p augmente

À n et T constants, V doit diminuer : c’est l’idée de la loi de Boyle.

T augmente

À p constant, V augmente : le gaz occupe davantage de volume.

n augmente

À p et T constants, le volume requis augmente.

R

La valeur numérique dépend du système d’unités choisi.

ExemplePour 1,00 mol de gaz à 298 K sous 1,00 atm, V ≈ nRT/p ≈ 24,5 L avec R = 0,082057 L·atm·mol⁻¹·K⁻¹.

Pourquoi le modèle est seulement « idéal »

Le modèle suppose que le volume propre des particules et leurs interactions mutuelles sont négligeables. Cette approximation fonctionne bien pour de nombreux gaz à pression modérée et température assez élevée. Elle devient moins bonne à forte pression ou près d’une condensation, lorsque les interactions entre molécules ne sont plus négligeables.

  1. Convertissez la température en kelvins.
  2. Choisissez une valeur de R compatible avec vos unités.
  3. Isolez la grandeur inconnue.
  4. Contrôlez l’ordre de grandeur et les unités.
Erreur fréquenteInsérer 25 à la place de 298,15 dans pV = nRT pour une température de 25 °C fausse complètement le calcul : l’équation exige une température absolue.
Référence vérifiée : NIST Chemistry WebBook et relations thermodynamiques standard du gaz idéal.
Tester les limites du modèle
Faible pression

Les particules sont très éloignées les unes des autres : le comportement se rapproche souvent du gaz idéal.

Haute pression

Le volume propre des molécules et leurs interactions deviennent plus importants.

Comparer deux états sans recalculer R

Pour une même quantité de gaz, on peut combiner les deux états sous la forme p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂. Cette écriture est pratique lorsque n reste constant. Elle montre directement comment pression, volume et température doivent évoluer ensemble.

Exemple comparatifSi un gaz est chauffé de 300 K à 450 K à pression constante, son volume idéal est multiplié par 450/300 = 1,5.

Ordre de grandeur à connaître

Une mole de gaz idéal occupe environ 22,4 L à 0 °C sous 1 atm et environ 24,5 L à 25 °C sous 1 atm. Ces valeurs donnent un contrôle rapide : obtenir quelques millilitres pour une mole dans ces conditions signalerait une erreur d’unités ou de calcul.

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Les grandeurs

SymboleGrandeurUnité SI
PpressionPa
Vvolumem³
nquantité de matièremol
Ttempérature absolueK

Avec les unités SI, la constante des gaz parfaits vaut environ R = 8,314 J·mol⁻¹·K⁻¹.

Température

Il faut utiliser la température absolue en kelvins dans PV = nRT. Remplacer directement T par une température en degrés Celsius donne un résultat faux.

Que suppose le modèle ?

Le gaz parfait idéalise les particules comme ponctuelles et néglige leurs interactions sauf lors des collisions élastiques. Les gaz réels s’écartent davantage de ce modèle à forte pression ou près d’une transition de phase.

Pourquoi le modèle reste-t-il utile ?

À faible densité, de nombreux gaz réels sont suffisamment proches du comportement idéal pour que l’équation donne une excellente première approximation.

Avant de calculer : vérifiez toujours la cohérence des unités et la température en kelvins.