2) La mécanique des fluides
Les gaz occupent la totalité du volume qui leur est accessible. Si on place une masse de gaz dans un récipient fermé par un piston mobile, le gaz emplit le récipient jusqu'au piston. Si on soulève le piston, on augmente le volume accessible au gaz, qui va alors remplir ce nouveau volume.
Les gaz et les liquides sont des milieux continus, c'est-à-dire qu'on ne considère pas de volume suffisamment petit pour que l'on puisse dire s'il contient ou non des molécules. Cela nous permet donc d'avoir recours aux outils mathématiques reposant sur les fonctions continues et/ou dérivables : c'est la mécanique des milieux continus.
Masse volumique :
La masse volumique ρ d'un corps est la masse d'un mètre cube de ce corps. La masse m d'un corps de volume V et de masse volumique ρ s'écrit alors :
Contrairement aux gaz, les liquides ont un volume défini : pour une même masse m d'un liquide versé dans différents récipients, sa forme change mais le volume occupé reste le même. Puisque leur volume ne varie pas, on dit que les liquides sont incompressibles, c'est-à-dire que peu importe la force exercée, on ne peut réduire de façon perceptible le volume d'un liquide. Cela se traduit par le fait que les masses volumiques des liquides ne se traduisent que par la température et non pas par la pression.
Les gaz, quant à eux, ont une masse volumique dépendant à la fois de la température et de la pression.
La masse volumique ne doit pas être confondue avec la densité, qui est le rapport de deux masses volumiques.
Densité :
- d'un liquide ou d'un solide
La densité d'un liquide ou d'un solide est le rapport de sa masse volumique à celle de l'eau à sa température de référence. (ρeau = 1)
- d'un gaz
La densité d'un gaz est le rapport de sa masse volumique à celle de l'air aux conditions normales de température et de pression (105 pascals, 0°C). (ρair = 1,2)
Loi des Gaz Parfaits:
p est la pression du gaz (en pascal)
V est le volume occupé par le gaz (en mètre cube)
n est la quantité de matière (en mole)
R est la constante universelle des gaz parfaits R = 8,314 472 J·K-1·mol-1. En fait R = NA·kB où NA est le nombre d'Avogadro (6,022×1023 mol-1) et kB est la constante de Boltzmann (1,38×10-23 J·K-1)
T est la température absolue (en kelvin)
Le fonctionnement du moteur Stirling réside sur les principes de la mécanique des fluides. Le mouvement des pistons est dû à la pression du gaz contenu dans la chambre. Cette pression s’exprime par la formule:
p = pression en pascals
F = force en newtons
S = surface en m²