Transport des gaz
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FICHE DE RÉVISION : TRANSPORT DES GAZ
Le transport des gaz s’opère principalement par trois mécanismes :
<div style="color:red;">**1. DIFFUSION MOLECULAIRE**</div>La diffusion est le mouvement spontané des molécules d’un gaz d’une région à haute concentration vers une région à basse concentration, dû aux collisions aléatoires des molécules.
Diffusion : déplacement aléatoire des molécules qui entraîne un mélange progressif des gaz sans apport d’énergie externe.
Lois et équations décrivant la diffusion moléculaire :
La loi fondamentale qui décrit ce phénomène est la loi de Fick :
[Formule]
- J : flux molaire (mol·m⁻²·s⁻¹)
- D : coefficient de diffusion (m²/s)
- \frac{dC}{dx} : gradient de concentration
Exemple : Diffusion de l’oxygène ([Formule]) depuis l’air atmosphérique vers les alvéoles pulmonaires.
<div style="color:red;">**2. TRANSPORT CONVECTIF**</div>Le transport convectif résulte de l’écoulement d’un fluide (gaz) qui entraîne les molécules avec lui. Contrairement à la diffusion, ce mécanisme dépend du mouvement global du gaz.
Convection : transfert de matière lié au mouvement macroscopique du gaz.
Le flux convectif est proportionnel à la vitesse moyenne du flux :
[Formule]
- C : concentration
- v : vitesse du gaz
Exemple : Vent transportant des particules polluantes dans l’atmosphère.
<div style="color:red;">**3. ADSORPTION ET DESORPTION (TRANSPORT À LA SURFACE)**</div>Dans certains cas, le transport peut s’effectuer par interaction avec une surface (par exemple, les parois d’un conduit).
Adsorption : fixation temporaire des molécules de gaz sur une surface solide.
Ce mécanisme est important dans les procédés de purification ou dans la respiration cellulaire quand le gaz traverse une membrane.
<div style="color:red;">**DIFFUSION DES GAZ : NOTIONS APPROFONDISSES**</div>1. INFLUENCE DES CONDITIONS PHYSIQUES
- La température augmente l’énergie cinétique des molécules, donc le coefficient de diffusion.
- La pression affecte la densité du gaz, modulant la fréquence des collisions.
- La nature des gaz (taille moléculaire, masse) influence aussi la diffusion.
2. LOI D’ARRHENIUS POUR LA TEMPÉRATURE
Le coefficient de diffusion dépend souvent de la température via la relation :
[Formule]
- D₀ : paramètre expérimental
- Eₐ : énergie d’activation
- R : constante universelle des gaz
- T : température absolue (K)
3. DIFFUSION BINAIRE
Pour un mélange de deux gaz, le coefficient de diffusion D₍AB₎ varie avec la pression totale P et la température selon un modèle empirique corrigé.
<div style="color:red;">**TRANSPORT DES GAZ PAR LES HYPOTHÈSES ET LOIS**</div>Les gaz parfaits sont idéalisés comme des particules ponctuelles en mouvement continu et aléatoire sans interactions entre elles (hormis des collisions élastiques).
Gaz parfait : gaz obéissant à l’équation d’état PV = nRT
<div style="color:red;">**TRANSPORT MÉCANIQUE DES GAZ : ÉCOULEMENTS**</div>1. RÉGIMES D’ÉCOULEMENT
- Écoulement laminaire : couches de gaz se déplaçant ordinairement sans perturbation.
- Écoulement turbulent : mouvement chaotique favorisant le transport rapide.
Le nombre de Reynolds caractérise ces régimes :
[Formule]
- ρ : densité du gaz
- v : vitesse moyenne
- d : dimension caractéristique
- μ : viscosité dynamique
2. LOI DE POISEUILLE POUR ÉCOULEMENT LAMINAIRE
Pour un écoulement dans un tube cylindrique :
[Formule]
- Q : débit volumique
- ΔP : différence de pression
- R : rayon du tube
- L : longueur
- μ : viscosité
EXEMPLE INTEGRATIF : TRANSPORT DE L’OXYGENE DANS LES ALVÉOLES PULMONAIRES
Le transport de l’oxygène du milieu externe vers le sang implique la diffusion à travers la membrane alvéolaire, guidée par la loi de Fick, et le transport convectif par la circulation sanguine.
Diagramme simplifié du transport de l’oxygène :
[Diagramme]
TABLEAU RÉCAPITULATIF DES MÉCANISMES DE TRANSPORT DES GAZ
| Mécanisme | Cause principale | Loi associée | Exemple |
|---|---|---|---|
| Diffusion moléculaire | Gradient de concentration | Loi de Fick : [Formule] | Diffusion de [Formule] dans l’air |
| Convection | Mouvement macroscopique | [Formule] | Vent transportant du CO₂ |
| Adsorption | Interaction avec surface | Dépend du matériau | Purification par charbon actif |
| Écoulement laminaire | Déplacement fluide ordonné | Loi de Poiseuille | Transport d’air dans un tube |
- Le transport des gaz comprend diffusion, convection et interaction avec surfaces.
- La diffusion moléculaire est spontanée, décrite par la loi de Fick.
- La convection dépend du flux global et est souvent dominante dans les écoulements rapides.
- La température, la pression et la nature des gaz influencent directement les coefficients de transport.
- Les lois des gaz parfaits simplifient la modélisation.
- En écoulement, laminaire ou turbulent, conditionne la vitesse et l’efficacité du transport.
- Applications : respiration, contrôle de pollution, procédés industriels.
- Étude des transports multicomposants avec coefficients binaires.
- Effets non idéaux des gaz réels (pression élevée, interactions moléculaires).
- Modélisation numérique dans des systèmes complexes.
Cette fiche offre un panorama clair et structuré du transport des gaz, fondement indispensable pour comprendre les phénomènes impliquant les gaz dans de nombreux domaines scientifiques et techniques.
