Ballon réduit et auto-gonflé

Cette expérience montre que le volume d'un gaz est fortement influencé par sa température : contraction de l'air contenu dans un ballon avec de l'azote liquide et retour au volume initial par dilatation.

1 Matériel et produits

• Azote liquide
• Récipients en verre Pyrex^® ou Dewar
• Ballons baudruches (ronds ou à modeler)

2 Protocole

• Prendre soin de se protéger avec une blouse en coton, des lunettes de protection et des gants cryogéniques.
• Verser l'azote liquide dans le récipient.
• Après avoir gonflé et noué un ou plusieurs ballons baudruches, les plonger dans l'azote liquide. Verser de l'azote par dessus si le ballon ne plonge pas complètement dans l'azote. Le ballon se contracte jusqu'à revenir à sa taille non gonflée.

• Sortir le ballon de l'azote liquide et le poser sur la table pour le faire revenir à température ambiante. Il se regonfle petit à petit comme par magie !

3 Explications

• La température d'un gaz est directement liée à la vitesse moyenne des molécules qui le constituent. En refroidissant à –196 °C, on ralentit fortement les molécules, ce qui réduit les chocs entre elles et sur les parois du ballon : la pression interne diminue. Sous l'effet de la pression atmosphérique, qui appuie sur l'enveloppe souple du ballon, le volume de l'air emprisonné diminue. On retrouve ici le comportement d'un gaz selon la fameuse loi des gaz parfaits, PV = nRT : pour une pression P constante, le volume V d'un gaz diminue lorsque sa température T diminue (n et R sont constants ici). L'air (mélange de diazote N₂ et de dioxygène O₂) devient même liquide à cette température, et occupe un très faible volume.
• Le ballon baudruche devient dur et cassant (comme expliqué dans l'expérience Élasticité variable du caoutchouc). Il faut faire attention à ne pas casser la fine épaisseur de caoutchouc.
• Une fois le ballon posé sur la table, l'air contenu à l'intérieur se réchauffe et revient progressivement à la température ambiante. Les molécules N₂ et O₂ de l'air repassent à l'état gazeux et s'agitent d'autant plus que la température augmente, ce qui augmente la pression à l'intérieur du ballon. Le caoutchouc redevient souple aussi et le ballon se met à gonfler (dilatation du volume).
• Il peut arriver que le caoutchouc se brise par endroits quand il est congelé : le ballon est alors percé et il ne se regonflera pas ensuite.
• Il peut arriver aussi que l'air se dilate plus vite, ce qui fait éclater le caoutchouc encore dur.