Le gaz parfait, exercices, correction, 2d09phc

Phys. N° 9

Le Gaz Parfait :

Exercices.

correction.

Cours

 


Programme 2010 :

Physique et Chimie

Programme 2020 :

Physique et Chimie

 

Exercices 2005-2006

Physique et Chimie  seconde 

Collection DURANDEAU  HaCHETTE

1)- Exercice 5 page 176.

2)- Exercice 6 page 176.

3)- Exercice 7 page 176.

1)- Exercice 12 page 177.

5)- Exercice 18 page 178.

6)- Exercice 23 page 179

Physique et Chimie  seconde 

Collection Microméga  Hatier

Ancienne édition

I - Loi de Mariotte

1)- Exercice 8 page 298

2)- exercice 15 page 299

3)- exercice 16 page 299

4)- exercice 21 page 299

5)- exercice 26 page 300.

 

I - Loi de Mariotte .

1)- Exercice 8 page 298

2)- exercice 15 page 299

3)- exercice 16 page 299

4)- exercice 21 page 299

5)- exercice 26 page 300.

 
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I - Exercice 5 page 176 : Déterminer l’évolution de la pression :

Énoncé :

1)- On suppose la température et la quantité de matière constantes.

-  Proposer une expérience permettant de déterminer l’évolution de la pression en fonction du volume.

2)- Parmi les propositions suivantes, lesquelles sont vraies ?

a)-  Pour une quantité donnée de gaz, le produit p . V, à température constante, est indépendant de la pression.

b)-  Pour une quantité donnée de gaz, le produit p . V, à température constante, est indépendant du volume.

c)-  Pour une quantité donnée de gaz et à température constante, la pression p est proportionnelle au volume V.

 

Correction :

1)- Expérience permettant de déterminer l’évolution de la pression en fonction du volume :

-  Seringue reliée à un manomètre :

 manomètre

-  Une quantité d’air est enfermé dans la seringue graduée en mL.

-   L’embouchure de la seringue est fermée par un capteur de pression.

-  Le capteur de pression est gradué en hPa.

-  Il donne la pression absolue.

-  On déplace lentement le piston de la seringue.

-  Pour différentes positions du piston, on relève les valeurs du volume V et de la pression p du gaz.

-  On fait une dizaine de mesures.

2)- Les propositions vraies :

-  Énoncé de la Loi de Boyle – Mariotte.

-  À température constante, pour une quantité donnée de gaz,

-  le produit de la pression p par le volume V occupé par le gaz est constant :

-  p.V = k.

-  En conséquence, propositions vraies sont les suivantes :

b)-  Pour une quantité donnée de gaz, le produit p . V, à température constante, est indépendant de la pression.

c)-  Pour une quantité donnée de gaz, le produit p . V, à température constante, est indépendant du volume.

 

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II - Exercice 6 page 176 : Appliquer la loi de Boyle – Mariotte

Énoncé :

À la température ambiante de 20 °C, on relie l’extrémité d’un seringue, contenant 50 mL d’air,

à un manomètre qui indique une pression de 1,0 bar.

1)-  Quelle est la pression de l’air enfermé si, en poussant le piston, on ramène son volume à une valeur de 30 mL ?

2)- Quel est le volume occupé par l’ait enfermé si on ramène la pression à une valeur de 0,90 bar ?

 

Correction :

1)- Valeur de la pression p2 de l’air enfermé pour un volume V2 = 30 mL ?

-  On considère que la température n’a pas changée au cours de l’expérience :

-  En conséquence, on peut utiliser la loi de Boyle – Mariotte :

-  p . V = k

-  État initial : p1 = 1,0 bar et V1 = 50 mL

-  État final : p2 = ? bar et V2 = 30 mL

-  Il n’est pas nécessaire de convertir puisque les volumes sont exprimés dans la même unité :

-  p2 = 1,7 bar 

2)- Valeur du volume occupé par l’ait enfermé si on ramène la pression à une valeur de 0,90 bar :

-  État initial : p1 = 1,0 bar et V1 = 50 mL

-  État final : p3 = 0,90 bar et V3 = ?

-   V3 = 57 mL

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III - Exercice 7 page 176 : Trouver la relation entre la pression et la température

Énoncé : 

On dispose d’un ballon, de bouchons à plusieurs trous, d’un chauffe-ballon et de tous les capteurs nécessaires.

1)- Schématiser le dispositif expérimental permettant d’étudier l’évolution de la pression avec la température,

à volume et quantité de matière constants

2)- À 20 °C, la pression mesurée est 1,00 bar et elle est de 1,12 bar à la température de 50 °C.

a)-  La pression est-elle proportionnelle à la température θ en °C.

b)-  La pression est-elle proportionnelle à (θ + 273) ?

c)-  Que représente la grandeur (θ + 273) ?

 

Correction :

1)- Schéma du dispositif expérimental permettant d’étudier l’évolution de la pression avec la température,

à volume et quantité de matière constants :

 dispositif expérimental

2)- Questions :

a)-  La pression est-elle proportionnelle à la température θ en °C.

-  La pression p n’est pas proportionnelle à la température θ en °C.

-  Le gaz parfait est un modèle.

-  Pour un gaz réel PV = n R T, si la pression est faible et si la température n’est pas trop basse.

-  Dans le cas présent, on travaille à volume V constant et à quantité de matière n constante :

-  On tire :

-  P / T = k 

-  La grandeur T représente la température absolue :

-  T = (θ + 273)

-  Ainsi :

-  relation 

-  Conclusion : La pression p n’est pas proportionnelle à la température θ.

b)-  La pression est-elle proportionnelle à (θ + 273) ?

-  La pression p proportionnelle à la température absolue T = (θ + 273)

-  relation 

c)-  Que représente la grandeur (θ + 273) ?

-  La grandeur (θ + 273) représente la température absolue T.

IV - Exercice 12 page 177 : Utiliser un volume molaire

Énoncé :

Une bouteille de gaz butane, utilisée dans une habitation, contient 13 kg de gaz liquéfié.

La masse molaire du butane est égale à 58 g / mol. 

1)- Calculer la quantité de matière de gaz contenue dans la bouteille.

2)- Calculer le volume molaire du butane, à 25 °V sous la pression de 1,0 bar.

3)- Quel volume de gaz, pris à 25 °C, et sous la pression de 1,0 bar, est disponible ?

-  Donnée : la constante des gaz parfaits :  R = 8,31 S.I.

 

Correction :

1)- Quantité de matière n, de gaz, contenue dans la bouteille.

-   n = 2,2 E2 mol

2)- Volume molaire Vm du butane, à 25 °V sous la pression de 1,0 bar.

-  1 bar = 105 Pa

-  Vm = 25 L  

3)- Volume de gaz V, pris à 25 °C, et sous la pression de 1,0 bar, disponible :

-  V = n . Vm

-  V ≈ 2,2 × 102 × 25

-  V ≈ 5,6 × 103 L

-  V ≈ 5,6 m3

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V - Exercice 18 page 178 : Un briquet pour déterminer la masse molaire du butane

Énoncé :

Les briquets à gaz contiennent du butane liquide.

La pesée d’un briquet a donné une masse m = 20,51 g.

Grâce à un tuyau souple, de faible section et adapté à l’orifice de sortie du gaz,

on recueille par déplacement d’eau un volume V = 1,5 L de butane dans une bouteille en matière plastique.

On pèse alors le briquet : sa masse m’ = 16,93 g.

1)- Faire un schéma de l’expérience.

2)- Au cours de l’expérience, la pression du gaz recueilli est égale à la pression atmosphérique :

p = 1020 hPa et sa température θ = 23,0 °C.

Calculer :

a)-  La quantité de matière de gaz qui s’est échappée du briquet.

b)-  La masse de butane correspondante.

3)- En déduire la masse molaire du butane. La comparer à celle déterminée à l’aide de sa formule brute C4H10.

Données :

-  R = 8,314 S.I : masses molaires atomiques C (12 g / mol) et H (1,0 g / mol)

 

Correction :

1)- Schéma de l’expérience.

-  Le remplissage de la bouteille :

expérience

2)-  Calcul :

a)-  Quantité de matière de gaz qui s’est échappée du briquet.

-  Dans le cas présent, il faut utiliser l’équation d’état des gaz parfaits :

-  n = 6,22 E-2 mol 

b)-  La masse de butane mbut correspondante.

-  Les pesées :

 pesée

-  mbut = m – m’ ≈ 20,51 – 16.93

-  mbut ≈ 3,58 g

3)- En déduire la masse molaire du butane.

La comparer à celle déterminée à l’aide de sa formule brute C4H10.

-  Masse molaire du butane à partir de l’expérience :

-  Mexp = 57,6 g / mol 

-  Masse molaire à partir des données :

-  M = 4 M (C) + 10 M (H) = 4 × 12 + 10 × 1,0

-  M ≈ 58 g / mol

-  Le résultat est cohérent avec les données de l’exercice.

-  On peut déterminer le « pourcentage d’erreur » avec la relation suivante :

-  incertitude relative : 0,70 %

-  La précision est très bonne !

VI - Exercice 23 page 179 : Boyle et Mariotte avaient-ils raison ?

Énoncé :

E. Mariotte (1620–  1684), physicien français, vérifie en 1679 la loi déjà énoncée par R. Toxneley,

physicien anglais en 1661 à partir de l’expérience de R. Boyle (1627 – 1691) :

À température constante, la pression d’un gaz est

inversement proportionnelle à son volume.

1)- Terminologie :

a)-  Comment peut-on qualifier ce gaz ?

b)-  Que signifie l’expression inversement proportionnel ?

c)-  Traduire cette phrase par une expression littérale.

2)- On enferme ce gaz dans une enceinte fermée, reliée à un manomètre et dont on peut faire varier le volume.

On réalise, à température constante, une série de mesures dont les résultats sont regroupés dans le tableau suivant :

Pression en bar

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

2,00

Volume en cm3

80

67

57

50

44

40

Pour exploiter les résultats, Sébastien choisit de représenter la pression p en fonction du volume V.

Malika préfère représenter p en fonction du quotient 1/V.

Choisir la méthode la mieux adaptée et réaliser la représentation graphique.

3)- À propose du graphique :

a)-  Le graphique tracé montre-t-il que le gaz suit la loi de Boyle – Mariotte ?

b)-  Déterminer, à partir du graphique, la valeur du produit p . V.

4)- Exploitation du graphique :

a)-  Déterminer la pression du gaz lorsque le volume est égal à 54 cm3.

b)-  Déterminer le volume du gaz sous la pression de 1,50 bar.

 

Correction :

1)- Terminologie :

a)-  Un qualificatif pour le gaz :

-  Le gaz étudié est considéré comme parfait.

b)-   Signification de l’expression inversement proportionnel :

-  Cela signifie que lorsque la pression p du gaz est multipliée par 2, alors le volume V du gaz est divisé par 2.

-  De façon plus générale, cela signifie que lorsque la pression p du gaz est multipliée par la grandeur k,

alors le volume V du gaz est divisé par la grandeur k.

-  En conséquence, le produit de p par v est égal à k.

c)-  Traduction cette phrase par une expression littérale :

-  Relation :

-  relation

2)- Graphique le mieux adapté :

-  La représentation p = f (V) donne une courbe qui n’est pas facile à exploiter.

Il est délicat de trouver la relation qui lie p et V.

-  Dans le cas de la représentation p = f (1/V),

la représentation donne une droite qui passe par l’origine si le gaz suit la loi de Boyle – Mariotte.

-  Ce graphe est nettement plus facile à exploiter et on peut en déduire la relation qui liée p et 1/V.

-  Il suffit de déterminer la valeur du coefficient directeur a de la droite moyenne tracée.

-  Visualisation des deux graphes :

-  Tableau de valeurs :

V cm3

p bar

1 / V cm-3

1 / V L-1

80

1,00

1,25E-02

12,50

67

1,20

1,49E-02

14,93

57

1,40

1,75E-02

17,54

50

1,60

2,00E-02

20,00

44

1,80

2,27E-02

22,73

40

2,00

2,50E-02

25,00

 graphe

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-  On obtient une courbe délicate à exploiter (exploitation avec Excel en -dessous).

 graphe

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3)- À propose du graphique :

a)-  Loi de Boyle – Mariotte :

-  Pour le graphe p = f (1/V), les points sont sensiblement alignés.

-  La droite moyenne passe par l’origine.

 graphe

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-  On en déduit que le gaz suit la loi de Boyle – Mariotte :

-  À température constante, la pression d’un gaz est inversement proportionnelle à son volume.

-  Relation :

-  relation

-  Le coefficient k est égal au coefficient directeur de la droite moyenne tracée.

 graphe

Cliquer sur l'image pour l'agrandir

-   k = a = 79 bar.cm3

-  En utilisant le fait que :

-  1 bar = 105 Pa et 1 cm3 = 10–6 m3

-  k = a ≈ 7,9 Pa . m3

-  Pour vérifier cette valeur, on peut faire une étude statistique avec Excel.

-  Sélectionner le graphique sur Excel, faire un clic droit

-  Sélectionner « Ajouter une courbe de tendance »

graphe

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-  Comme option, choisir « Linéaire », puis cocher :

-  Afficher l’équation sur le graphique

-  Afficher le coefficient de détermination (R2) sur le graphique.

 menu Excel

graphe

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-  Dans le cas présent : y ↔ p et x ↔ 1/V :

-  La relation physique : p ≈ 79,19 . (1/V)

-  Avec a ≈ 79 bar . m3

-  En utilisant le fait que :

-  1 bar = 105 Pa et 1 cm3 = 10–6 m3

-  k = a ≈ 7,9 Pa . m3

b)-  La valeur du produit p . V.

-  On tire de l’expression précédente : p . V ≈ 7,9 Pa . m3

4)- Exploitation du graphique :

a)-  Valeur de la pression du gaz lorsque le volume est égal à 54 cm3.

-  On peut utiliser la relation :  p . V ≈ 79 bar . cm3

-   p = 1,5 bar

b)-  Valeur du volume du gaz sous la pression de 1,50 bar.

-  On peut utiliser la relation :  p . V ≈ 79 bar . cm3

-  V = 53 cm3 

-  Remarque avec le graphique p = f (V), on peut faire une détermination graphique.

 graphe p = f (V)

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Loi de Mariotte :

 Tableau de valeurs : le volume initial d'air dans la seringue est : Vi = 30 mL à la pression atmosphérique : patm = 963 hPa.

V mL

p hPa

1 / V L-1

15

1785

66,67

20

1393

50,00

25

1139

40,00

30

963

33,33

35

826

28,57

40

727

25,00

45

644

22,22

50

576

20,00

55

521

18,18

60

475

16,67

 

p Pa

1 / V m–3

1,79E+05

6,67E+04

1,39E+05

5,00E+04

1,14E+05

4,00E+04

9,63E+04

3,33E+04

8,26E+04

2,86E+04

7,27E+04

2,50E+04

6,44E+04

2,22E+04

5,76E+04

2,00E+04

5,21E+04

1,82E+04

4,75E+04

1,67E+04

 

graphe p = f (V)

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Tracé 1 : Pression en fonction du volume : p = f (V)

  graphe : p = f (V)

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Tracé 2 : Pression en fonction de l'inverse du volume : p = f (1 / V)

graphe : p = f (1 / V)

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-  Relation  liant p et V :

-  relation

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1)- Exercice 8 page 298.

-  Une seringue contient 18 cm 3 d’air à la pression normale.

- On bouche l’extrémité de la seringue et on pousse le piston de façon à réduire le volume gazeux à 6,0 cm 3.

- On suppose que la température reste constante.

- Quelle est alors, en pascals, la pression du gaz dans la seringue ?

- Pression du gaz dans la seringue :

État 1

 

État 2

V1 = 18 cm3

Transformation à

température constante

V2 = 6,0 cm3

p1 = 1013 hPa

 

p2 = ?

- On utilise la Loi de Mariotte car la transformation se fait à température constante : p.V = cte

- En conséquence :

p1 . V1 = p2 . V2 

 

 

p2 =  

p1 . V1 


 

 

 V2  

 

     

 

1,013 × 105 × 18

p2 =  


 

6,0

 

p2 ≈ 

3,0 × 105 Pa

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2)- exercice 15 page 299.

Calculer le volume occupé à 20 °C et pour une pression de 1,0 × 105 Pa par une masse de 100 g de chacun des gaz suivants.

a)- L’argon (gaz monoatomique Ar).

- Volume occupé par l'argon à 20 °C : 

- On utilise la relation du gaz parfait :

p . V = n . R . T

{

p pression en pascal (Pa)

V volume en mètre cube (m3)

n quantité de matière en mole (mol)

T température absolue en kelvin (K)

 

 

Données

p  = 1,0 × 105 Pa

V volume en mètre cube (m3)

n ≈ 2,5 mol

T = (273,15 + 20) K

R ≈ 8,31 J . K– 1 . mol– 1

 

-  En conséquence : 

V = 

n . R . T  


 

 

 p  

 

     

 

2,5 × 8,31 × 293,15 

V = 


 

1,0 × 105

 

V ≈ 

6,1 × 10 – 2 m3

   

V ≈ 

61 L

 

b)- Le dioxygène (gaz diatomique O2).

-  Il faut calculer la masse molaire et la quantité de matière n

- Volume occupé par le dioxygène à 20 °C : 

V = 

n . R . T  

m


et n = 


 p  

 

M

     

 

m . R . T 

V = 


 

p . M

 

100 x 8,31 x 293,15

V = 


 

1,0 x 10 5 x 32

 

V ≈ 

7,6 x 10 – 2 m 3

   

V ≈ 

76 L

 

c)-  Le dioxyde de carbone (gaz triatomique CO2).

-  Volume occupé par le dioxyde de carbone à 20 °C : 

V = 

n . R . T  

m


et n = 


 p  

 

M

     

 

m . R . T 

V = 


 

p . M

 

100 x 8,31 x 293,15

V = 


 

1,0 x 10 5 x 44

 

V ≈ 

5,5 x 10 – 2 m 3

   

V ≈ 

55 L

d)-  L’hexafluorure de soufre SF6, gaz avec lequel sont gonflées les balles de tennis.

-  Volume occupé par l'hexafluorure de soufre à 20 °C : 

V = 

n . R . T  

m


et n = 


 p  

 

M

     

 

m . R . T 

V = 


 

p . M

 

100 x 8,31 x 293,15

V = 


 

1,0 x 10 5 x 146

 

V ≈ 

1,7 x 10 – 2 m 3

   

V ≈ 

17 L

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3)- exercice 16 page 299.

Une bouteille contient du gaz butane C4H10 comprimé surmontant du butane liquéfié.

La bouteille est munie d’un manomètre et d’un détendeur.

a)- Quels sont les rôles d’un manomètre et d’un détendeur ?

- Le manomètre permet de mesurer la pression d’un gaz et le détendeur permet de détendre le gaz.

-  Il abaisse la pression du gaz comprimé à la pression atmosphérique.

- Si le manomètre est placé avant le détendeur, il mesure la pression du gaz à l’intérieur de la bouteille.

- Si le manomètre est placé après le détendeur, il mesure la pression du gaz à la sortie de la bouteille.

b)- Le contenu de la bouteille a une masse de 12 kg. Quelle est la quantité de matière correspondante ?

- Quantité de matière de butane :

n = 

m  


 

(1)

 M  

 

 

     

 

12 × 1000

n = 


 

58

 

n ≈ 

 2,1 × 10 2 mol

 

c)-  En admettant que la totalité du contenu de la bouteille puisse être utilisée sous forme de butane gazeux à 20 °C et à la pression atmosphérique de 105 Pa, quel est le volume de gaz disponible ?

Données

p  = 1,0 × 105 Pa

V volume en mètre cube (m3)

n ≈ 2,1 × 102 mol

T = (273,15 + 20) K

R ≈ 8,31 J . K– 1 . mol– 1

 

V = 

n . R . T  


 

 (2)

 p  

 

     

 

2,7 × 102 × 8,31 × 293,15 

V = 


 

1,0 × 10 5

 

V ≈ 

5,0  m3  ou 5,1 m3 

   

Suivant la méthode de calcul. Si on fait les calculs

sans arrondir, on obtient le premier résultat

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4)- exercice 21 page 299.

-  Une masse donnée d’un gaz est considérée dans 3 états successifs :

-  État 1 caractérisé par p1, V1, T1.

-  État 2 caractérisé par p2, V2, T2.

-  État 3 caractérisé par p3, V3, T3.

-  On donne : p1  = 1,0 x 10 5 Pa, V1 = 2,0 L et T1 = 300 K.

a)- Le passage de l’état 1 à l’état 2 s’effectue à pression constante par une élévation de température de 20 K.

- Déterminer p2, V2, T2.

- Le passage se fait à pression constante : p1  = p2  =1,0 x 10 5 Pa

- La température augmente de 20 K : T2 = T1 + 20 = 320 K

- On utilise la relation des gaz parfaits :

p . V = n . R . T  =>  

V  

n . R


= 


= cte  

 T  

p

- On en déduit que : 

V1 

 

V2 


= 


 T1 

 

 T2

V2 = 

   

T2 


 . V1

T1

 

     

 

320

V2 = 


  – 2,0

 

300

 

V2 ≈ 

2,1 L 

b)- Le passage de l’état 2 à l’état 3 s’effectue à température constante par une augmentation de pression de 1,0 × 104 Pa.

- Déterminer p3, V3, T3.

- Le passage se fait à température constante : T3  = T2  =320 K.

- La pression augmente de 104 Pa :

-  p3 = p2 + 1,0 × 10 4  = 1,1 × 105 Pa .

- On peut utiliser la Loi de Mariotte car la transformation se fait à température constante :

p3 . V3 = p2 . V2 

 

 

V3 =  

p2 . V2 


 

 

 p3 

 

     

 

1,0 × 105 × 2,1

V3 =  


 

1,1 × 105

 

V3 ≈ 

1,9  L

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5)- exercice 26 page 300.

-  On considère deux espèces chimiques gazeuses, puis leur mélange.

-  On admet que tos les gaz peuvent être modélisés par le gaz parfait. 

-  Une quantité de matière n1 du premier gaz a un volume V1, une pression p1 et une température absolue T1. 

-  Une quantité de matière n2 du second gaz a un volume V2, une pression p2 et une température absolue T2.

-  Le mélange de ces deux gaz est effectué dans un volume V, la pression et p et la température absolue T.

a)- Quel est la quantité de matière n du mélange ?

- Comme on modélise les deux espèces chimiques gazeuses par le gaz parfait,

-  on peut considérer que le mélange de gaz parfaits se comporte comme un gaz parfait de quantité de matière : 

-  n = n1 + n2.

b)- Écrire l’équation d’état pour chacune des espèces gazeuses, puis pour le mélange.

- Pour l ‘espèce gazeuse 1 : p1 . V1 = n . R . T1

- Pour l ‘espèce gazeuse 2 : p2 . V2 = n . R . T2

- Pour le mélange : p . V = n . R . T 

c)- Dans le cas où p = p 1 = p 2 et T = T 1 = T 2, déterminer le volume V du mélange en fonction des volumes V1 et V2.

- En conséquence :

-  p 1 . V 1 = n . R . T 1,

-  p 2 . V2 = n . R . T 2 et

-  p . V = n . R . T  avec :  n = n1 + n2.

- relation 01, relation 02 et n = P V / R T

- V1 + V2 = V

d)-  Dans le cas où

-  V = V1 = V2 et T = T1 = T2, établir une relation entre les trois pressions p, p1 et p2 .

-  (Cette relation est appelée Loi de Dalton)

- Pour l'espèce gazeuse 1 :

-  p1 . V  = n1 . R . T 

- Pour l'espèce gazeuse 2 :

-  p2 . V = n2 . R . T

- Pour le mélange :

-  p . V = n . R . T 

- relation 01, relation 02 et n = P V / R T

- p1 + p2 = P

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