4 La pression atmosphérique - lnw.lu

1 4. la pression ATMOSPH RIQUEII. M canique des liquides et des gaz4 la pression atmosph L atmosph reLa Terre est entour e d une couche d air qui nous permet de respirer et de vivre. Cette couched air s l ve une grande altitude en devenant de moins en moins dense(sa masse volumiquediminue avec l altitude).Elleaunemassed environ5 1018kg,donttroisquartssesituent une altitude inf rieure atmosph reestretenueparlaTerregr ce lagravit (laLune ou des plan tes comme Mars n ont pas d atmosph re parceque leur masse et donc leurchamp de gravitation sont trop faibles).TerreAtmosph L atmosph re terrestreCette masse d air a un poids qui p se sur toute la surface de laTerre. Comme on a d finiune pression parp=FS,lepoidsdel atmosph redoitsemanifesterparunecertainepression patm=PS(avecPle poids de la colonne d air au-dessus de la surfaceS). Cette pression estappel epression atmosph atmosph riqueest donc en quelque sorte unepression hydrostatique,o leliquideest cependant remplac par de l valeur de lapression atmosph rique normale(v.)

2 P 40) est de1013 hPa! Pouss e d Archim de atmosph riqueTout comme les corps plong s dans un liquide (v. page 26), lescorps qui se trouvent dansl atmosph re subissent aussi unepouss e d Archim anmoins,commelamassevolumiquede l air est tr s faible, cette pouss e est souvent n gligeable(le poids d un homme par exempleest de loin sup rieur sa pouss e due l atmosph re).Cependant, un ballon rempli d H lium (un gaz tr s l ger, doncdemassevolumiqueinf rieure celledel air)monterapidementdanslecielcommesonpoi dsestinf rieur sapouss ed Ar-324. la pression ATMOSPH RIQUEII. M canique des liquides et des gazSmasse d airm Pcolonne d air au-dessus Origine de la pression atmosph riquechim explique aussi pourquoi l air chaud monte toujours verslehaut,au-dessusdescouchesd airfroides : en effet, l air chaud a une masse volumique inf rieure l air froid (les mol cules vibrentplus fortement, donc le volume qu ils occupent devient plusgrand, tandis que leur masse resteinchang e la masse volumique diminue !

3 Application : montgolfi res,.. Exp riences d montrant l existence de la pression atmosph Exp rience du cr ve-vessiePosons sur le plateau d une machine pneumatique un manchon deverreferm herm tiquementpar un morceau de vessie ou d une autre membrane lastique ( ).Lorsquel air atmosph rique se trouve de part et d autre de la membrane, despressionset donc desforces pressantes gales mais oppos es s exercent sur elle : la membraneest en la pompe en marche : l air est retir du ce fait, la pressiondiminue l int rieuret comme ellene change pas l ext rieur,lamembrane s enfonce. Finalement, lapression atmosph riquedevenant de plus en plus petite,lesforces pressantesde l ext rieur sont suffisamment fortes pour faire clater Exp rience du verre rempli d eauRemplissons un verre compl tement d eau. Ajoutons-y une feuille de carton assez mince. Re-tournons le verre en maintenant la feuille de carton avec la main.

4 Cessons de soutenir le carton :le liquide de coule la pression ATMOSPH RIQUEII. M canique des liquides et des Exp rience du cr ve-vessiefeuille de cartonpeaupatm Fatm Feau Exp rience du verre rempli d eauEn effet, 3 forces s exercent sur le carton : lepoidsducarton Pcarton,dirig vers le bas. laforcepressante Feauque la pression hydrostatique de l eaupeauengendre sur la partiedu carton d limit e par le bord du verre, dirig evers le bas. laforcepressante la pression atmosph riquepatmengendre sur cette m mepartie, dirig evers le de calcul :supposons que le verre a une hauteurh=15cmet que le rayon d ouverturevautr=3cm( surface de contact entre le verre et le carton :S= r2= (3 cm)2=28,3cm2=0,00283 m2) la pression hydrostatique de l eau au niveau de la feuille decarton vaut alors :peau= eau g h=1000kg/m3 9,81N/kg 0,15 m = 1742 PaLa norme de la force Feauvaut alors :Feau=peau S=1742N/m2 0,00283 m2=4,9N344.

5 la pression ATMOSPH RIQUEII. M canique des liquides et des gazSi on suppose que la masse du carton a une valeur dem=10g,sonpoidsvaut:Pcart=m g=0,01 kg 9,81N/kg=0,1 NLe carton est donc pouss evers le basavec uneforce r sultante Fdescendantede norme gale Fdescendante=4,9N+0,1N=5,0 NSi on suppose la pression atmosph rique gale patm=1013hPa,lanormedelaforce Fatmvaut :Fatm=patm S=101300N/m2 0,00283 m2=286,7 NComme c est la seule force qui pousse le cartonvers le haut,ona:Fascendante=286,7 NOn voit donc clairement queFascendante Fdescendante:lacartonnepeutpastomber(m mesila hauteur du verre serait encore consid rablement plus lev e !).Remarque :s il reste des bulles d air dans l eau, alors la pression hydrostatique au-dessus du cartonest augment e depatm(comme la pression dans les bulles d air enferm es vaut aussipatm). La pressiontotale au-dessus du carton devient donc gale peau+ ,en-dessousducartonlapressionnevaut Exp rience des h misph res de MagdebourgCette exp rience a t r alis e en 1654 par le bourgmestre deMagdebourg d antan, h misph res ( Halbkugeln ) creuses, en laiton, s accolent exactement l une sur l s avoir fait le vide l int rieur de la cavit form e parles deux h misph res, celles-cirestent coll es l une sur l autre sous la seule action de laforcepressantequel airexercesurla surface ext Mesure de la pression atmosph riqueL instrument de mesure de la pression atmosph rique est lebarom distingue diff rents types de barom Les barom tres an ro desLe barom tre an ro de fut mis au point par le Fran ais LucienVidiqui en d posa le brevet parois d une capsule vide d air, dite capsule de Vidi sont maintenues cart es par unressort.

6 Lapression l int rieur de la capsulereste donc toujoursla m at-mosph riqueexerce des forces pressantesplus ou moins grandessur la capsule an ro de et faitainsi tourner une aiguille sur un cadran, gr ce un m canismedepr cision(leviers,..)354. la pression ATMOSPH RIQUEII. M canique des liquides et des Les h misph res de Les barom tres mercureLe fonctionnement d unbarom tre mercureest mis en vidence dans l exp rience de Torricelli:Un tube de verre ( 1mde long), ferm une extr mit , est compl tement rempli de mercure(Hg).Puis,enlebouchantavecundoigt ,onleplongedansunecuve , on constante quele mercure descendet que son niveause stabilise unecertainehauteurh,del ordrede76 cm,au-dessusdelasurfacelibredemercuredan slacuvette(lad nivellationhest ind pendante de la forme, de la section et de l inclinaison du tube).364. la pression ATMOSPH RIQUEII. M canique des liquides et des gaz10101000990hPacapsule videressort barom tre an ro deInterpr tation(BlaisePascal1647) :Au point C, la pression vaut :pc=patm(1)En B, elle vaut :pB=pA+ Hg g hOr, la pressionpAvaut nulle, car au-dessus de A, il y a unvide!

7 D o :pB= Hg g h(2)Il faut quepC=pB,carBetCsetrouventdansunm meplanhorizontal( 22).Avec (1) et (2), on a donc :patm= Hg g h( Hg=13,6gcm3)C est donc la pression atmosph rique qui, en agissant sur lemercure dans la cuvette, contraintla colonne de mercure rester dans le pr sente une m thode tr s pr cise pour mesurer lapression atmosph la pression ATMOSPH RIQUEII. M canique des liquides et des gaztube remplide mercureHgtube bouch plong dansdu mercuretube Exp rience de TorricelliRemarque :On pourrait galement utiliser un autre liquide que le mercure. Cependant, la colonne deliquide deviendra bien plus longue, comme ces liquides ont une masse volumique inf rieure celle dumercure (le mercure est le liquide avec la plus grande masse volumique temp rature ambiante).Exemple de calcul :Lors de la lecture d un barom tre mercure, la colonne de mercure a une hauteurh= pression atmosph rique vaut alors :patm= Hg g h=13600kgm3 9,81 Nkg 0,77 m = 102730 Pa = 1027,3hPaEn r p tant, ce m me instant, l exp rience de Torricelli avec de l eau, la colonne d eau auraitune hauteur de :h=patm H2O g=102730Nm21000kgm3 ,47 mAutre unit pour les pressions:Ac t duPaet dubar(et leurs multiples et sous-multiples), on exprime parfoisles pressionsenmmHg ( millim tres de mercure ).

8 1mmHgest la valeur de la pression hydrostatique au fond d une colonne de mercure de ,onap= Hg g h=13600kg/m3 9,81N/kg 0,001 m = 133,4Pa1mmHg=133Pa=1,33 hPa384. la pression ATMOSPH RIQUEII. M canique des liquides et des Variation de la pression atmosph rique avec l altitudeJusqu une altitude de 1000 m,lapressionatmosph riquediminueen bonne approximationde1hPachaque fois que l altitude augmente de1000 m,lapressiondiminuedefa onnonr guli figure (p. 39) donne une bonne id e de cette variation de la pression avec l altitude permet de ramener la mesure d une altitude une variation d altitude une simple mesure de la pressionatmosph ,on utilise ainsi des barom tres qui indiquent directement l altitude de vol. On les appelle alorsaltim (km)press. atm. (hPa) Variation depatmavec l pression atm. absolue, pression atm. relativeLa mesure de lapression atmosph riqueest indispensable pour la pr vision de la m t o.

9 C est(entre autre) en comparant les pressions atmosph riques desdiff rentes r gions que les m t o-rologues arrivent pr voir des changements du , les diff rentes stations de mesure se trouvent pratiquement toujours des altitudesdiff rentes. Un barom tre, accroch au grenier, indique d j unepressionatmosph riquemoins lev e qu un autre qui se trouve dans la cave d une m me maison(silesinstrumentssontassezpr cis). Comment peut-on donc comparer les pressions atmosph riques en deux endroits diff -rents ?En fait, tout barom tre mesure ce qu on appelle la pression atmosph estlapression atmosph rique qui existe exactement l endroit o elleestmesur la pression ATMOSPH RIQUEII. M canique des liquides et des gazOn compare cependant toujours les pressions atmosph riquesau niveau de la ,la plupart des endroits se situent au-dessus du niveau de la mer, voil pourquoi on calcule, partir de la pression atmosph rique absolue et de l altitudedel endroitdemesure,quelleseraitla pression atmosph rique l endroit de mesure, mais au niveau de la mer.

10 On obtient alors cequ on appelle la pression atmosph explique pourquoi les barom tres domestiques traditionnels indiquent toujours une pressionatmosph riquemoins lev eque celle annonc e dans les pr visions m t orologiques (enfait, lapression absolue est toujours inf rieure la pression relative, moins qu on descend vers unendroit situ en-dessous du niveau de la mer o c est l inverse). Si vous habiteriez dans unemaison au niveau de la mer (pr s de la plage ), pression absolue et pression relative pression atmosph rique normaleOn dit que la pression atmosph rique relative estnormalelorsqu elle a une valeur de1013,25 quivaut 76,2cmHgLorsque, dans une r gion, on mesure une pression atmosph rique relative sup rieure cettevaleur, on se trouve dans unezone de haute pression (g n ralement, le temps venir sera beau).Si la pression atmosph rique relative est en-dessous de1013,25 hPa,onsetrouvedansunezonede basse pression (ce qui annonce souvent du mauvais temps).