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Équation de van der Waals : pression d'un gaz réel

Calculez la pression d'un gaz réel avec l'équation de van der Waals, comparez-la à la loi des gaz parfaits, et obtenez le facteur de compressibilité et le point critique.

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Résultats

Pression de van der Waals

22,254

Estimation pour un gaz réel
Pression d'un gaz parfait (PV = nRT)
24,790
Écart par rapport au gaz parfait
-10,23 %
Facteur de compressibilité Z = PV/nRT
0,8977
Inférieur à 1 : les attractions dominent, le gaz se comprime plus facilement
Température critique (8a ÷ 27Rb)
304,0 K
Pression critique (a ÷ 27b²)
74,0

Quand la loi des gaz parfaits ne suffit plus

La loi des gaz parfaits, PV = nRT, considère les molécules comme des points qui n’interagissent jamais. Elle fonctionne bien pour l’air dans les conditions ordinaires, mais elle échoue quand on comprime fortement un gaz ou qu’on le refroidit vers sa liquéfaction. En 1873, le physicien néerlandais Johannes Diderik van der Waals a ajouté deux corrections simples, et son équation est devenue le premier modèle réussi des gaz réels et du passage à l’état liquide. Elle est au programme de thermodynamique en classes préparatoires et en licence.

L’équation

(P + a × n² ÷ V²) × (V − n × b) = n × R × T

  • a traduit l’attraction entre molécules, qui les retient vers l’intérieur et diminue la pression sur les parois.
  • b est le volume occupé par une mole de molécules elles-mêmes, inaccessible au mouvement.
  • R = 0,083145 L·bar/(mol·K), T est la température absolue en kelvins.

Résolue en pression : P = nRT ÷ (V − nb) − a n² ÷ V².

Constantes des gaz courants

Gaz a (L²·bar/mol²) b (L/mol)
Hélium 0,0346 0,0238
Dihydrogène 0,2476 0,02661
Diazote 1,370 0,0387
Dioxygène 1,382 0,03186
Méthane 2,283 0,04278
Dioxyde de carbone 3,640 0,04267
Ammoniac 4,225 0,0371
Vapeur d’eau 5,536 0,03049

Les gaz dont les molécules s’attirent fortement, comme l’eau ou l’ammoniac, ont un coefficient a élevé.

Exemple

1 mol de dioxyde de carbone dans un récipient de 1 L à 25 °C (298,15 K) :

  • Pression du gaz parfait : 0,083145 × 298,15 ÷ 1 = 24,79 bar.
  • Pression de van der Waals : 24,79 ÷ (1 − 0,04267) − 3,640 = 22,25 bar, environ 10 % de moins.
  • Facteur de compressibilité : Z = 22,25 × 1 ÷ 24,79 = 0,898 : les attractions dominent.
  • Point critique prédit : Tc = 8a ÷ 27Rb = 304 K (31 °C) et Pc = a ÷ 27b² = 74 bar, très proches des valeurs mesurées pour le CO₂.

Le point critique

Au-dessus de sa température critique, un gaz ne peut plus être liquéfié par simple compression. L’équation de van der Waals prédit un point critique pour chaque gaz à partir de a et b ; en dessous, elle donne les isothermes en S qui, avec la construction de Maxwell, décrivent la coexistence du liquide et de la vapeur. Au-delà de 31 °C et 74 bar, le CO₂ devient un fluide supercritique, utilisé par exemple pour décaféiner le café ou extraire des arômes.

Limites

L’équation de van der Waals rend compte des tendances mais reste peu précise près du point critique et à très haute pression. Les ingénieurs utilisent des équations plus élaborées, comme Redlich-Kwong ou Peng-Robinson, ou des tables de données, pour le dimensionnement. Comme outil pédagogique et estimation rapide, elle montre pourquoi les gaz réels s’écartent du gaz parfait, et dans quel sens.

Questions fréquentes

Qu'est-ce que l'équation de van der Waals ?

(P + a n² ÷ V²)(V − n b) = n R T. Johannes Diderik van der Waals l'a proposée en 1873 pour corriger la loi des gaz parfaits de deux effets : les molécules s'attirent, ce qui diminue la pression (terme a), et elles occupent un volume, ce qui réduit l'espace disponible (terme b). Il a reçu le prix Nobel de physique en 1910.

Quand un gaz réel s'écarte-t-il d'un gaz parfait ?

À haute pression, quand les molécules sont proches, et à basse température, près de la liquéfaction. À température ambiante et à pression atmosphérique, la plupart des gaz restent à moins de 1 % du comportement parfait. Dans l'exemple, 1 mol de CO₂ comprimée dans 1 L est environ 10 % sous la pression du gaz parfait.

Qu'est-ce que le facteur de compressibilité ?

Z = PV ÷ nRT. Il vaut 1 pour un gaz parfait. En dessous de 1, les attractions dominent et le gaz se comprime plus facilement ; au-dessus, c'est le volume propre des molécules qui l'emporte. Les ingénieurs utilisent des abaques de Z pour le gaz naturel et les fluides frigorigènes.

D'où viennent les constantes a et b ?

Elles sont ajustées sur le point critique de chaque gaz : a = 27R²Tc² ÷ 64Pc et b = RTc ÷ 8Pc. Le calculateur utilise les valeurs usuelles en L²·bar/mol² et L/mol. Pour le CO₂, elles donnent un point critique de 304 K et 74 bar, proche des valeurs mesurées de 304,1 K et 73,8 bar.

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Résultats indicatifs fournis à titre d'information. Ils ne remplacent pas l'avis d'un professionnel.