Pression

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La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.

En tant que paramètre physique, la pression, tout comme la température, joue un rôle extrêmement important dans la plupart des domaines. Du point de vue de la thermodynamique, il s'agit d'une grandeur intensive.

Histoire de la notion de pression

Les philosophes et mathématiciens de la Grèce antique se posaient des questions sur les états de la matière, et notamment l'air qu'ils respiraient, le vent, etc. Ils sont à l'origine de la notion de particules élémentaires qui serait à l'origine de « tout », les atomes (átomos, « indivisible »), prérequis à la notion de pression.

Définitions

La pression, notée p admet, selon les branches de la physique que l'on considère, plusieurs définitions qui coïncident toutes :

Dans tous les cas, la pression est définie comme une grandeur scalaire (non vectorielle).

En mécanique, la pression est définie localement à partir de la composante de la force normale à la surface sur laquelle elle s'exerce. Si on considère une surface élémentaire dS de normale $\vec n$, subissant une force $\vec F$, alors la pression p est définie par :

$\vec dF \cdot \vec n = p \, dS$

Dans le cas d'une force perpendiculaire à une surface plane d'aire S, on obtient la définition suivante :

$p = \frac{F}{S}$

. Par construction, la pression est perpendiculaire à la surface sur laquelle elle s'exerce.

Le terme obtenu en construisant le rapport de la composante de la force tangentielle à la surface d'exercice s'appelle la contrainte tangentielle. Elle est homogène à une pression et est mise en jeu dans les phénomènes de viscosité notamment.

En mécanique des milieux continus, la pression est définie comme le tiers de la trace du tenseur des contraintes c'est-à-dire la moyenne des termes diagonaux de ce tenseur. En mécanique des fluides incompressibles, la pression est le multiplicateur de Lagrange permettant de vérifier l'incompressibilité du matériau. On a alors à faire à une définition implicite de la pression.

En thermodynamique, la pression est définie à partir de l'énergie interne U(V,S,N) par : $p=-\biggl(\frac{\partial U}{\partial V}\biggr)_{S,N}\,\!$
Pour un fluide newtonien, la pression est strictement positive car il faut fournir de l'énergie (ΔU > O) pour diminuer le volume (ΔV < O). Pour les fluides non newtoniens, il est possible d'avoir des pressions négatives. Ces pressions négatives sont dues à des effets de surface et sont reliées à la tension superficielle.

Unités et mesures de pression

Unités

Il existe plusieurs unités de pression, dont l'utilisation dépend généralement de la discipline. De par la définition même de la pression, elles sont souvent définies comme le rapport d'une unité de force sur une unité de surface.

Unité du système international

• Le pascal (symbole Pa) est l'unité du système international. Une pression de 1 pascal correspond à une force de 1 newton exercée sur une surface de 1 m² : 1 Pa=1 N/m².

Autres unités

• Le bar :

1 bar=100 000 Pa.

• L'atmosphère normale (symbole atm) :

1 atm=101 325 Pa.

• Le pièze est une unité dérivée du système mètre-tonne-seconde (système mts) utilisé dans l'ancienne Union Soviétique entre 1933 et 1955 :

1 pz=1 000 Pa.

• Le millimètre de mercure (symbole mmHg), encore appelé torr en hommage au physicien italien Evangelista Torricelli :

1 mmHg=1 torr=133,3 Pa.

• Le pouce (ou inch) de mercure (symbole inHg):

1 inHg≈33 86 hPa.

• Le millimètre d'eau (mmH₂O), ou le centimètre d'eau (cmH₂O) :

1 cmH₂O=98,0638 Pa.

• Le barye (symbole ba) est une unité du système CGS. Il est défini comme une dyne par centimètre carré :

1 ba=1 dyn.cm⁻²=0,1 Pa.

• L'atmosphère technique (symbole at), ou ATA :

1 at=98 066,5 Pa.

• Le psi, de l'anglais pound per square inch (livre par pouce carré) est une unité anglo-saxonne très utilisée notamment en hydraulique, en oléohydraulique et en hydrostatique :

1 psi=6 894 Pa.

• Le gramme ou kilogramme par centimètre carré (g/cm², kg/cm² ou encore kg_f/cm²), souvent utilisé en physique des particules, par extension, pour désigner une distance parcourue indépendamment du matériau considéré (lire le paragraphe lien entre pression et distance), voire une altitude (le « gramme » ou « kilogramme » auquel il est fait allusion n'est pas l'unité de poids standard, mais le kilogramme-force) :

1 g/cm²=98,0665 Pa (≅8,33 m d'air≅10 mm d'eau≅0,88 mm de plomb≅0,74 mm de mercure).

ou aussi :

1 kg/cm²=0,980665 bar.

Ordres de grandeurs

Article détaillé : Ordre de grandeur (pression).

Mesures de pression

La pression, entendue ici comme hydrostatique, est une grandeur qu'on peut faire varier expérimentalement sur plus de vingt ordres de grandeur : depuis 10^-10 Pa pour les vides poussés jusqu'à 10¹¹ Pa pour les plus hautes pressions hydrostatiques en cellules à enclumes de diamant. Selon la gamme de pression visée, les appareils de mesure utilisent des principes physiques très différents. Les méthodes de mesure peuvent être classées en méthodes directes et indirectes. Les premières reposent sur la mesure directe d'une force, exercée sur une membrane par exemple, et sont proches de la définition de la pression. Les méthodes indirectes reposent sur la mesure d'une autre grandeur physique (résistivité, température...) qu'on peut relier à la pression par un étalonnage.

L'appareil de mesure de la pression est le manomètre. Pour la pression atmosphérique, on utilise le baromètre. On peut également utiliser un vacuomètre pour mesurer la pression d'un gaz dans un tube à vide ou encore un hypsomètre, dispositif basé sur la température d'ébullition d'un liquide.

• Sonde de pression
• jauge de Penning
• jauge de Pirani
• Fluorescence du rubis

La mesure de pression peut être relative, ou absolue. La mesure de pression relative se fait par différence avec la pression atmosphérique, c'est la mesure que font beaucoup de manomètres. La différence entre pression absolue et relative est la pression atmosphérique que l'on peut prendre comme 101325 Pa, ou plus simplement 1 bar. Pour les pressions importantes cela n'a que peu d'importance. le barA est l'unité du bar Absolu.

Pour les formules Thermodynamiques on utilise toujours les pressions absolues. Les pressions absolues sont toujours positives. Les pressions relatives peuvent être négative jusqu'à des valeurs correspondant à la pression atmosphérique le jour de la mesure.

La pression dans différents domaines

En plongée sous-marine

En plongée sous-marine, la pression qui s'exerce sur les tissus biologiques et sur les gaz inspirés a une grande importance. Sa variation peut être considérable en fonction de la profondeur

On différencie alors les :

• pression atmosphérique : pression de surface dans des conditions habituelles (normalement aux alentours de 1013 mbar mais usuellement considérée comme équivalent à 1 bar)
• pression hydrostatique : variable en fonction de la profondeur atteinte - cette pression augmente de 1 bar par tranche de 10 m sous l'eau (0,98 bar dans l'eau douce et 1,007 bar dans l'eau de mer)
• pression absolue : c'est la somme des pressions atmosphériques et hydrostatique

En météorologie

• Pression atmosphérique
• Baromètre

En hydrostatique, poussée d'Archimède

En hydrostatique, la différence de pression Δp (en Pa) entre deux points dans un fluide est liée à la différence de hauteur h (en m) entre ces deux points, par la relation Δp=ρgh, où ρ est la masse volumique du fluide (en kg/m³) et g l'accélération de la pesanteur (d'une valeur moyenne d'environ 9,81 m/s² au niveau de la mer). Par conséquent, connaissant ces deux dernières grandeurs, la différence de pression est directement proportionnelle à la différence de hauteur, et donc à la distance entre les deux points s'ils sont sur le même axe vertical.

Cette propriété est notamment utilisée pour différents dispositifs de mesure de la pression, ainsi que comme méthode de conversion par les plongeurs (un bar équivaut à dix mètres d'eau), ou encore les physiciens des particules.

La poussée d'Archimède exercée par un fluide au repos sur un corps immergé peut être définie comme étant la résultante des forces de pression s'appliquant sur la surface de cet objet.

Notes et références

Voir aussi

Articles connexes

Vers les basses pressions

• Vide
• Technologie du vide
• Pompe à vide
• Trompe à eau

Vers les hautes pressions

Il existe des gammes de composants pouvant supporter des plages de pression jusque 10 000 bar en gaz ou liquide.

• Autoclave
• Cellule à enclumes de diamant

Autres

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• Air comprimé
• Conversion des unités
• Hydraulicien
• Hydraulique
• Hydromécanique
• Machine hydraulique
• Moteur hydraulique
• Pompe hydraulique
• Pompe oléohydraulique
• Pression de radiation
• Pression partielle
• Système hydraulique
• Transmission hydrostatique
• Vérin

Bibliographie

• La pression : un outil pour les sciences, CNRS éditions, coll. « Sciences et techniques de l'ingénieur », 2003 (ISBN 2-271-06106-7) 

Liens externes

• Conversion d'unités de pression