L'air a-t-il un poids ? Combien pèse l'air d'une pièce ?
― L'air d'une chambre de 10 m² pèse environ 28 kg. Autant qu'un enfant d'une dizaine d'années
L'air est souvent le symbole même du « vide ». Pourtant, l'air a bel et bien un poids. Pour un litre, à peine 1,2 gramme. Mais à l'échelle d'une pièce entière, tout change. L'air d'une chambre japonaise de 10 m² pèse environ 28 kg. Et si l'on ne sent pas ce poids, il existe une raison bien précise.
Le jour d'un déménagement, vous vous tenez dans une pièce dont tous les meubles ont été sortis. Le sol et les murs sont nus : la pièce semble parfaitement vide.
Pourtant, il reste une chose qu'on n'a pas encore sortie : tout l'air qui remplit la pièce. Si on pouvait l'enfermer dans un sac et le poser sur une balance, jusqu'où irait l'aiguille ?
La plupart des gens répondraient « presque zéro ». En calculant, on obtient pourtant un poids comparable à celui d'un jeune enfant qu'on soulève dans ses bras.
Pourquoi ne remarque-t-on pas ce poids ? Seulement deux raisons
Un litre d'air pèse environ 1,2 gramme, soit 800 fois moins qu'un litre d'eau. Mais l'air d'une pièce dépasse facilement les 20 000 litres. Même un poids minuscule, additionné des dizaines de milliers de fois, finit par peser plusieurs dizaines de kilos.
L'air ne presse pas seulement par le haut : il pousse avec la même force sur les côtés et par le bas. L'air et l'eau contenus dans notre corps repoussent avec exactement la même force. Ces pressions s'équilibrent, c'est pourquoi on ne sent pas ce poids.
Commençons par estimer le poids de l'air d'une pièce. Ensuite, passons à quelque chose de bien plus grand : l'air qui se trouve au-dessus de notre tête.
Le poids de l'air d'une pièce augmente avec sa surface
Dans une pièce ordinaire à environ 20 °C, un mètre cube d'air (l'équivalent d'un cube d'un mètre de côté) pèse environ 1,2 kg. Il suffit ensuite de multiplier par le volume de la pièce pour obtenir le poids total de l'air.
Avec un plafond à 2,4 mètres, une chambre de 10 m² a un volume d'environ 23 m³. Le poids de l'air est alors d'environ 28 kg — presque le poids moyen d'un enfant de huit ou neuf ans, qui avoisine les 30 kg.
Déplacez le curseur de la figure 1 pour faire varier la surface de la pièce. Pour un salon de 33 m², on obtient environ 93 kg, soit plus que le poids d'un adulte. Pour une salle de classe (8 m sur 8 m, 3 m de hauteur), on atteint environ 230 kg.
Au-dessus de notre tête, 10 tonnes d'air
L'air d'une pièce n'est qu'une infime partie de l'atmosphère tout entière. Du sol jusqu'au sommet du ciel, l'air s'empile sur des dizaines de kilomètres. Le poids de la colonne d'air qui repose sur un mètre carré de sol est estimé à environ 10 tonnes.
À gauche de la figure 2 se trouve cette colonne d'air. À droite, une colonne d'eau de 10 mètres de hauteur a presque le même poids. C'est ce poids qui appuie sur le sol et que l'on appelle la « pression atmosphérique », bien connue des bulletins météo. Une atmosphère correspond à environ 1013 hectopascals.
Alors pourquoi ne sommes-nous pas écrasés ? La réponse tient dans la deuxième carte plus haut. L'air ne pousse pas seulement par le haut : il pousse avec la même force dans toutes les directions. Et l'eau et l'air contenus dans notre corps repoussent vers l'extérieur avec une force équivalente. C'est exactement comme un poisson qui nage sans sentir le poids de l'eau.
En se réchauffant, l'air se dilate et son poids par unité de volume diminue. Par mètre cube, on estime environ 1,29 kg à 0 °C et 1,15 kg à 35 °C. Pour une même chambre de 10 m², cela représente environ 3 kg d'air qui se renouvellent entre l'hiver et l'été. C'est aussi cette différence qui permet à une montgolfière de s'élever.
Le poids total de l'air qui enveloppe la Terre est estimé à environ 5000 billions de tonnes. Un chiffre vertigineux, mais qui reste inférieur à un millionième du poids de la Terre elle-même. Pour notre planète, l'atmosphère est une pellicule bien plus fine que la peau d'une pomme.
En résumé
Un litre d'air ne pèse qu'environ 1,2 gramme, mais l'air d'une pièce représente plusieurs dizaines de kilos, et la colonne d'air au-dessus de notre tête pèse environ 10 tonnes par mètre carré. Si l'on ne sent pas ce poids, c'est parce que l'air pousse dans toutes les directions et que notre corps repousse avec la même force.
L'air n'est pas léger : il est simplement en équilibre.
Même une pièce « vide » est remplie du poids d'un enfant.
Que se passe-t-il quand le même phénomène se produit dans l'eau ? La réponse dans Pourquoi les créatures des grands fonds ne sont-elles pas écrasées par la pression ?. Et pour le poids de l'eau suspendue dans le ciel, voir Combien pèse un nuage ?.
- Remplissez un verre d'eau à ras bord et posez un morceau de carton (une carte postale, par exemple) dessus. Faites cette expérience au-dessus de l'évier.
- En maintenant le carton avec la main, retournez le verre, puis relâchez doucement la main. Le carton ne tombe pas, et l'eau ne se renverse pas.
- Mettez ensuite une paille dans l'eau, bouchez le haut avec le doigt et soulevez-la. L'eau reste dans la paille jusqu'à ce que vous retiriez le doigt.
Dans les deux cas, la force de l'air qui pousse par le bas est supérieure au poids de l'eau. On voit ainsi, à l'œil nu, que l'air « ne pousse pas seulement par le haut ».
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules et liens avec les manuels scolairesdu collège jusqu'aux matières spécialisées universitaires, chaque niveau est indiqué explicitement
- CollègeProgramme de sciences du collège
- LycéeProgramme de « physique » et « chimie » du lycée
- Lycée＋Contenu avancé du lycée, ou encadré de manuel
- UniversitéContenu non enseigné au lycée, relevant d'une matière universitaire spécialisée (dynamique météorologique, physique de l'atmosphère)
- RechercheSujet qui n'est enseigné nulle part comme « acquis » même à l'université, et que les chercheurs étudient encore activement
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Masse volumique (densité) : le poids (la masse) pour un même volume. L'air pèse environ 1,2 kg par mètre cube, l'eau environ 1000 kg.
- Pression atmosphérique : la force avec laquelle le poids de l'air appuie sur une surface. Au niveau du sol, environ 1013 hectopascals.
- La pression agit dans toutes les directions : dans l'air comme dans l'eau, la force de poussée s'exerce avec la même intensité vers le haut, le bas, la gauche et la droite.
CollègeLycéeVérification par le calcul : combien pèse l'air d'une chambre de 10 m² ?
Le poids se calcule par « masse volumique × volume ». Il suffit de calculer le volume de la pièce, puis de le multiplier par la masse volumique de l'air. Pour finir, on retrouve aussi le poids de la colonne d'air au-dessus de notre tête à partir de la pression atmosphérique.
| En notation symbolique | m ＝ ρ × V (le poids de la colonne : m ＝ p × A ÷ g) |
| En mots | Masse de l'air ＝ masse volumique de l'air × volume de la pièce |
| Origine de la formule | La définition même de la masse volumique (masse par volume). La formule de la colonne vient de l'équilibre entre le poids de l'air et la force exercée sur le sol (pression × surface). |
| m | Masse de l'air (kg) |
| ρ | Masse volumique de l'air (kg/m³). Environ 1,2 à 20 °C et 1 atm |
| V | Volume de la pièce (m³) |
| p | Pression atmosphérique au sol (Pa). Environ 101300 |
| g | Accélération de la gravité (m/s²). Environ 9,8 |
| Surface d'un tatami (repère selon les règles d'affichage immobilier) | 1,62 m² |
| Hauteur du plafond | 2,4 m |
| Masse volumique de l'air (20 °C, 1 atm) | env. 1,2 kg/m³ |
| Pression atmosphérique au sol | env. 101300 Pa |
| Surface au sol pour 6 tatamis | 6 × 1,62 ＝ 9,72 m² |
| Volume de la pièce | 9,72 × 2,4 ≒ 23,3 m³ |
| Masse de l'air (la grandeur recherchée) | 23,3 × 1,2 ≒ 28 kg |
| Volume de la salle de classe (sol de 8 m × 8 m) | 64 × 3 ＝ 192 m³ |
| Masse de l'air de la salle de classe | 192 × 1,2 ≒ 230 kg |
| Colonne d'air par m² | 101300 ÷ 9,8 ≒ 10337 kg |
Environ 28 kg pour une chambre de 10 m², environ 230 kg pour une salle de classe, et environ 10 tonnes d'air reposant sur chaque mètre carré de sol. L'air d'une pièce n'est que le tout petit bout inférieur de cette immense colonne au-dessus de nous.
LycéeLycée＋Comment se fixe la masse volumique de l'air
LycéeLa masse volumique de l'air se déduit de « l'équation d'état des gaz parfaits », étudiée en chimie au lycée. Plus la pression est élevée et plus la température est basse, plus la masse volumique augmente. C'est pourquoi l'air d'un jour chaud est plus léger, et celui d'un jour froid plus lourd.
Lycée＋En 1643, Torricelli a retourné un tube rempli de mercure et montré que le mercure s'arrêtait à environ 76 centimètres. C'est considéré comme la découverte de la pression atmosphérique. Le mercure étant environ 13,6 fois plus lourd que l'eau, cela correspond à une colonne d'eau d'environ 10 mètres — exactement le chiffre de la colonne d'eau de la figure 2.
UniversitéPourquoi l'air se raréfie en altitude
Dans une colonne d'air, les couches inférieures supportent et compriment le poids de celles du dessus. Cette relation s'appelle « l'équilibre hydrostatique ». En supposant une température constante, la pression décroît de façon exponentielle avec l'altitude : elle est divisée par environ 3 tous les 8 kilomètres environ. Cette distance caractéristique s'appelle « l'échelle de hauteur » (scale height). C'est pourquoi la colonne de la figure 2 s'amincit vers le haut.
📖 Pour la démonstration des formules et pour aller plus loin : Pression atmosphérique (Wikipédia japonais) ／ Evangelista Torricelli (Wikipédia japonais)
RechercheCe que l'on ne sait pas encore précisément
- Les variations fines du poids total de l'atmosphère La masse totale de l'atmosphère varierait légèrement selon les saisons, en fonction de la quantité de vapeur d'eau qu'elle contient. Des recherches se poursuivent pour mesurer précisément ces variations.
- L'air qui s'échappe vers l'espace Tout en haut de l'atmosphère, des gaz légers comme l'hydrogène s'échappent peu à peu vers l'espace. L'influence de l'activité solaire sur cette quantité continue d'être observée.
- L'air intérieur et l'état physique Plus que le « poids » de l'air d'une pièce, on étudie l'effet de la concentration en dioxyde de carbone et de l'humidité sur la concentration mentale. Les conclusions ne sont pas encore définitives.
Autrement dit, le contenu de cet article reste lui aussi « une explication selon l'état actuel des connaissances ». Les chiffres sont des repères basés sur 20 °C et 1 atmosphère, et peuvent varier de quelques pour cent selon la météo ou l'altitude.
Liens avec les manuels scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / chapitre | Partie correspondante de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences 1re année « masse volumique », 2e année « pression atmosphérique » | Poids de l'air d'une pièce, nature de la pression atmosphérique |
| Lycée | Chimie « équation d'état des gaz » | Différence de masse volumique entre jour chaud et jour froid |
| Lycée＋ | Physique « pression des fluides » (avancé) | Expérience de Torricelli, correspondance avec les 10 mètres d'eau |
| Université | Dynamique météorologique, physique de l'atmosphère | Équilibre hydrostatique, échelle de hauteur |
| Recherche | Sciences de l'atmosphère, sciences de l'environnement intérieur | Variation de la masse totale de l'atmosphère, échappement atmosphérique |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Pression atmosphérique des bulletins météo, montgolfière, expérience du verre |
- Wikipédia japonais, « Pression atmosphérique » (大気圧)
- Observatoire astronomique national du Japon (éd.), Rika Nenpyō (森林総合研究所ではなく国立天文台編『理科年表』), Maruzen Publishing (masse volumique de l'air, atmosphère standard)
- Ogura Yoshimitsu, Ippan Kishōgaku (一般気象学), Presses de l'Université de Tokyo
- Trenberth, K. E. & Smith, L. (2005) The Mass of the Atmosphere: A Constraint on Global Analyses. Journal of Climate, 18, 864–875.
- Wikipédia japonais, « Evangelista Torricelli » (エヴァンジェリスタ・トリチェリ)
※Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs indiquées sont des repères et des approximations destinés à faciliter la compréhension des phénomènes. Faites l'expérience du verre au-dessus d'un évier, avec un verre peu fragile.