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Chapitre 5 – Caractériser la pression dans un fluide immobile

Terminale Bac Pro ICCER (Grpt 1)  |  Physique – Mécanique des fluides  |  Pression, Pascal, hydraulique

Objectifs du chapitre

Situation professionnelle — Mise en service d'un circuit de chauffage collectif

Un plombier chauffagiste met en service le circuit de chauffage d'un immeuble de 5 étages. Il doit calculer la pression de l'eau à chaque niveau, vérifier que la pression maximale des radiateurs n'est pas dépassée et dimensionner le vase d'expansion.

Introduction – La pression en installation thermique

Situation professionnelle Métier
En tant que technicien CVC, vous manipulez des fluides sous pression quotidiennement : eau chaude sanitaire (3–6 bar), circuits hydrauliques de levage (100–400 bar), réseaux de climatisation (fluide frigorigène sous pression), alimentation en eau de CTA. Comprendre la pression dans un fluide vous permet de dimensionner des circuits, lire des manomètres, régler des limiteurs de pression et diagnostiquer des pannes hydrauliques.

1. Notion de pression

Définition
La pression est la force exercée perpendiculairement par un fluide sur une surface, rapportée à l'aire de cette surface :
\[ P = \frac{F}{S} \] P : pression (Pa)  |  F : force normale exercée sur la surface (N)  |  S : aire de la surface (m²)
Application

Un technicien CVC vérifie un manomètre sur un radiateur. La pression indiquée est P = 3 bar. Calculer cette pression en pascals, puis la force exercée sur une surface carrée de côté 10 cm.

Unités de pression

UnitéSymboleÉquivalenceDomaine d'usage
PascalPa1 Pa = 1 N/m²Unité SI – référence légale
Barbar1 bar = 10⁵ PaHydraulique industrielle, météo
HectopascalhPa1 hPa = 100 PaMétéorologie
Atmosphèreatm1 atm = 101 325 PaRéférence atmosphérique
Ordres de grandeur à retenir
Attention
La pression est une grandeur scalaire (un nombre positif, sans direction). Elle s'exerce dans toutes les directions en un point d'un fluide au repos. La force de pression sur une surface est perpendiculaire à cette surface.
Exemple – calcul de force sur un piston
Un piston circulaire de diamètre d = 5 cm = 0,05 m est soumis à P = 8 × 10⁵ Pa. \[ S = \pi \times \left(\frac{d}{2}\right)^2 = \pi \times (0{,}025)^2 \approx 1{,}96 \times 10^{-3}\,\text{m}^2 \] \[ F = P \times S = 8 \times 10^5 \times 1{,}96 \times 10^{-3} \approx \mathbf{1\,570\,\text{N}} \]

2. Relation de Pascal – fluide incompressible à l'équilibre

Fluide incompressible
Un fluide incompressible est un fluide dont la masse volumique ρ reste constante quelle que soit la pression. Les liquides (eau, huile hydraulique…) sont considérés incompressibles en pratique.
Relation de Pascal
Dans un fluide incompressible à l'équilibre, la variation de pression entre deux points est proportionnelle à la différence d'altitude :
\[ \Delta P = P_B - P_A = \rho \, g \, \Delta h \] ρ : masse volumique (kg/m³)  |  g = 9,81 m/s²  |  Δh = hA − hB : profondeur de B par rapport à A (m)
La pression augmente quand on descend dans le fluide.
Application

Dans un immeuble, la chaudière est au rez-de-chaussée et fournit une pression de 1,5 bar. Un radiateur se trouve au 3ᵉ étage à Δh = 9 m au-dessus. Quelle est la pression de l'eau arrivant au radiateur ? (ρ = 1 000 kg/m³, g = 9,81 m/s²)

Signification de chaque terme

SymboleGrandeurUnité SIValeurs courantes
ΔPVariation de pressionPaVariable
ρMasse volumique du fluidekg/m³Eau : 1 000 ; Mer : 1 025 ; Huile : 870–900
gIntensité de la pesanteurm/s²9,81 (≈ 10 en approximation)
ΔhProfondeurmPositive vers le bas
Loi des vases communicants
Dans des vases communicants contenant le même fluide homogène au repos, les surfaces libres sont à la même altitude, quelle que soit la forme des récipients.

3. Schéma – Pression dans une colonne de fluide

Surface libre A (Pₐ faible) B (P_B forte) Δh g P_B − Pₐ = ΔP = ρ · g · Δh Le point B est plus profond que A : P_B > Pₐ. La différence Δh est mesurée dans la direction verticale.

4. Simulateur interactif – Pression dans un fluide

Faites varier la profondeur et le fluide pour calculer la pression automatiquement.

10,0 m
1,01 bar
ΔP = ρgh (Pa)
P totale (bar)
Équivalent atmosphères

5. Applications de la relation de Pascal

Plongée sous-marine

Application – Plongée
Un plongeur descend à h = 30 m dans l'eau de mer (ρ = 1 025 kg/m³).
\[ \Delta P = 1\,025 \times 9{,}81 \times 30 \approx 301\,658\,\text{Pa} \approx 3{,}02\,\text{bar} \] Pression totale : P = 1 bar + 3,02 bar = 4,02 bar
Règle pratique : +1 bar tous les 10 m de profondeur dans l'eau.

Variation de pression avec l'altitude (atmosphère)

Application – Altitude
Pour l'air (ρ ≈ 1,29 kg/m³) et une variation d'altitude de 100 m : \[ \Delta P = 1{,}29 \times 9{,}81 \times 100 \approx 1\,265\,\text{Pa} \approx 12{,}7\,\text{hPa} \] La pression atmosphérique diminue d'environ 12 hPa par 100 m de montée.
Protocole expérimental – Mesure avec capteur
  1. Remplir un récipient transparent gradué avec de l'eau.
  2. Immerger une sonde (capteur piézorésistif) à différentes profondeurs mesurées.
  3. Relever la pression (Pa) et la profondeur h pour chaque position.
  4. Tracer P = f(h) : on obtient une droite de pente ρ × g.
  5. En déduire ρ du fluide et comparer à la valeur tabulée.

6. La presse hydraulique

Principe de Pascal – transmission de pression
Dans un fluide incompressible, toute variation de pression exercée en un point se transmet intégralement et simultanément en tout point du fluide.
Principe de la presse hydraulique
\[ P_1 = P_2 \;\Longrightarrow\; \frac{F_1}{S_1} = \frac{F_2}{S_2} \;\Longrightarrow\; F_2 = F_1 \times \frac{S_2}{S_1} \] F₁ : force appliquée (N) | S₁ : section petit piston (m²) | F₂ : force produite (N) | S₂ : section grand piston (m²)
Si S₂ ≫ S₁, alors F₂ ≫ F₁ : la force est amplifiée dans le rapport S₂/S₁.
Application

Un vérin hydraulique a un petit piston de S₁ = 2 cm² et un grand piston de S₂ = 40 cm². On applique une force F₁ = 500 N sur le petit piston. Calculer la force F₂ disponible sur le grand piston.

Conservation de l'énergie
La presse hydraulique ne crée pas d'énergie. Si la force est multipliée par k = S₂/S₁, le déplacement est divisé par ce même facteur : d₁ × S₁ = d₂ × S₂ (conservation du volume de fluide déplacé).

7. Schéma – Presse hydraulique

Piston 1 Piston 2 S₁ (petite) S₂ (grande) F₁ (petite force) F₂ (grande force produite) P P Même pression P transmise dans le fluide P₁ = P₂ F₁/S₁ = F₂/S₂ F₂ = F₁·S₂/S₁ Fluide hydraulique Une petite force F₁ sur le petit piston génère une grande force F₂ sur le grand piston. La pression P est identique dans tout le circuit.

8. Simulateur interactif – Presse hydraulique

Faites varier les diamètres des pistons et la force appliquée pour calculer la force produite et la pression dans le circuit.

2,0 cm
20,0 cm
100 N
100
Rapport S₂/S₁
10 000 N
Force produite F₂
Pression P (bar)

La pression est la même des deux côtés du circuit. F₂ est amplifiée par le rapport des surfaces.

9. Le vérin hydraulique

Définition
Un vérin hydraulique est un actionneur linéaire qui convertit l'énergie d'un fluide sous pression en un mouvement de translation. Il est constitué d'un cylindre fermé dans lequel coulisse un piston solidaire d'une tige.
Principe de fonctionnement ICCER
Avantages du vérin hydraulique
Exemples industriels
Vérins de levage (pelleteuse, nacelle élévatrice), presses d'emboutissage, freins hydrauliques de camions, ponts élévateurs de garage, ascenseurs hydrauliques, presses à injection plastique.

10. Exemples numériques détaillés

Exemple 1 – Pascal dans un réservoir d'huile
Données : huile ρ = 870 kg/m³, P₀ = 3,0 × 10⁵ Pa en surface, h = 4 m. \[ \Delta P = 870 \times 9{,}81 \times 4 \approx 34\,147\,\text{Pa} \] \[ P = 3{,}0 \times 10^5 + 34\,147 \approx \mathbf{3{,}34 \times 10^5\,\text{Pa} \approx 3{,}34\,\text{bar}} \]
Exemple 2 – Amplification de force (presse)
Données : d₁ = 2,0 cm, d₂ = 20,0 cm, F₁ = 100 N. \[ S_1 = \pi (0{,}010)^2 \approx 3{,}14 \times 10^{-4}\,\text{m}^2 \qquad S_2 = \pi (0{,}100)^2 \approx 3{,}14 \times 10^{-2}\,\text{m}^2 \] \[ \frac{S_2}{S_1} = 100 \qquad F_2 = 100 \times 100 = \mathbf{10\,000\,\text{N} = 10\,\text{kN}} \]
Exemple 3 – Force d'un vérin
Données : d = 8,0 cm, P = 200 bar = 2,0 × 10⁷ Pa. \[ S = \pi (0{,}040)^2 \approx 5{,}03 \times 10^{-3}\,\text{m}^2 \] \[ F = 2{,}0 \times 10^7 \times 5{,}03 \times 10^{-3} \approx \mathbf{100\,600\,\text{N} \approx 100\,\text{kN}} \] Équivalent au poids d'une masse d'environ 10 tonnes.
Méthode générale de résolution
  1. Identifier les grandeurs données et la grandeur cherchée
  2. Choisir la relation adaptée : P = F/S, ΔP = ρgh ou F₁/S₁ = F₂/S₂
  3. Convertir toutes les grandeurs en unités SI (m, kg, s → Pa, N)
  4. Appliquer la formule, isoler l'inconnue et calculer
  5. Vérifier l'ordre de grandeur et les unités

11. Mini-exercices

Exercice 1 – Pression et force sur une surface
Un piston circulaire de diamètre d = 8 cm est soumis à une pression P = 12 bar.
  1. Convertir 12 bar en Pa.
  2. Calculer la surface S du piston en m².
  3. Calculer la force F exercée sur ce piston.
  4. À quelle masse (en kg) cette force correspond-elle ? (g = 9,81 m/s²)
Voir la correction
1. Conversion :
12 bar × 10⁵ = 1,2 × 10⁶ Pa

2. Surface :
d = 8 cm = 0,08 m → r = 0,04 m
\(S = \pi \times (0{,}04)^2 = \pi \times 1{,}6 \times 10^{-3} \approx \mathbf{5{,}03 \times 10^{-3}\,\text{m}^2}\)

3. Force :
\(F = P \times S = 1{,}2 \times 10^6 \times 5{,}03 \times 10^{-3} \approx \mathbf{6\,032\,\text{N} \approx 6\,\text{kN}}\)

4. Masse équivalente :
\(m = F/g = 6\,032 / 9{,}81 \approx \mathbf{615\,\text{kg}}\)
Ce piston peut soulever une masse d'environ 615 kg !
Exercice 2 – Relation de Pascal dans un circuit ECS ICCER
Un ballon d'eau chaude sanitaire est placé en haut d'un bâtiment. La pression de l'eau au ballon (en haut) est P₀ = 1,5 bar. La hauteur entre le ballon et le point de puisage le plus bas est h = 12 m. L'eau a une masse volumique ρ = 1 000 kg/m³.
  1. Calculer la surpression ΔP due à la colonne d'eau de 12 m.
  2. Calculer la pression totale au point de puisage.
  3. Cette pression est-elle dans la plage normale pour un réseau ECS (3 à 6 bar) ?
  4. Si h = 30 m, quelle est la pression au point le plus bas ? Faut-il poser un réducteur de pression ?
Voir la correction
1. Surpression ΔP :
\(\Delta P = \rho g h = 1\,000 \times 9{,}81 \times 12 = 117\,720\,\text{Pa} \approx \mathbf{1{,}18\,\text{bar}}\)

2. Pression totale :
P = 1,5 + 1,18 = 2,68 bar

3. Plage normale ECS :
2,68 bar < 3 bar → la pression est légèrement inférieure à la plage normale (3–6 bar). Il faudrait augmenter la pression au ballon ou vérifier le réseau.

4. Pour h = 30 m :
\(\Delta P = 1\,000 \times 9{,}81 \times 30 = 294\,300\,\text{Pa} \approx 2{,}94\,\text{bar}\)
P = 1,5 + 2,94 = 4,44 bar → dans la plage 3–6 bar, pas de réducteur nécessaire.
Si la pression au ballon était 3 bar avec h = 30 m : P = 3 + 2,94 = 5,94 bar → toujours dans la plage. Acceptable.
Exercice 3 – Presse hydraulique
Une presse hydraulique de garage a un petit piston de d₁ = 3 cm et un grand piston de d₂ = 24 cm.
  1. Calculer S₁ et S₂ (en m²).
  2. Calculer le rapport d'amplification S₂/S₁.
  3. Un technicien appuie avec une force F₁ = 150 N. Calculer F₂.
  4. Calculer la pression P dans le circuit hydraulique (en bar).
  5. Si le grand piston monte de d₂ = 5 mm, de combien descend le petit piston ?
Voir la correction
1. Surfaces :
\(S_1 = \pi(0{,}015)^2 \approx 7{,}07 \times 10^{-4}\,\text{m}^2\)
\(S_2 = \pi(0{,}12)^2 \approx 4{,}52 \times 10^{-2}\,\text{m}^2\)

2. Rapport :
\(S_2/S_1 = 4{,}52 \times 10^{-2} / 7{,}07 \times 10^{-4} \approx \mathbf{64}\)
(Équivalent à (d₂/d₁)² = (24/3)² = 8² = 64 ✓)

3. F₂ :
\(F_2 = 150 \times 64 = \mathbf{9\,600\,\text{N} \approx 9{,}6\,\text{kN}}\)

4. Pression :
\(P = F_1/S_1 = 150 / 7{,}07 \times 10^{-4} \approx 212\,150\,\text{Pa} \approx \mathbf{2{,}12\,\text{bar}}\)

5. Conservation du volume :
d₁ × S₁ = d₂ × S₂
\(d_1 = d_2 \times S_2/S_1 = 0{,}005 \times 64 = \mathbf{0{,}32\,\text{m} = 32\,\text{cm}}\)
Le petit piston descend de 32 cm pour que le grand monte de 5 mm → c'est le prix à payer pour l'amplification.
Exercice 4 – Vérin hydraulique de levage ICCER
Un pont élévateur de garage est équipé de 2 vérins hydrauliques. Chaque vérin a un piston de diamètre d = 10 cm et est alimenté à P = 150 bar.
  1. Calculer la force développée par un seul vérin (en N et en kN).
  2. Calculer la force totale développée par les 2 vérins.
  3. Quelle est la masse maximale que peut soulever ce pont ? (g = 9,81 m/s²)
  4. Si on veut soulever un camion de 5 000 kg avec 4 vérins de d = 8 cm, quelle pression faut-il fournir ?
Voir la correction
1. Force d'un vérin :
P = 150 bar = 150 × 10⁵ = 1,5 × 10⁷ Pa
\(S = \pi(0{,}05)^2 \approx 7{,}85 \times 10^{-3}\,\text{m}^2\)
\(F = 1{,}5 \times 10^7 \times 7{,}85 \times 10^{-3} \approx \mathbf{117\,750\,\text{N} \approx 117{,}8\,\text{kN}}\)

2. Force totale (2 vérins) :
F_tot = 2 × 117 750 = 235 500 N ≈ 235,5 kN

3. Masse maximale :
\(m = F_{tot}/g = 235\,500 / 9{,}81 \approx \mathbf{24\,006\,\text{kg} \approx 24\,\text{tonnes}}\)

4. Pression pour 4 vérins de d = 8 cm, masse 5 000 kg :
Poids à soulever : F = 5 000 × 9,81 = 49 050 N
Force par vérin : F_v = 49 050 / 4 = 12 262,5 N
\(S_v = \pi(0{,}04)^2 \approx 5{,}03 \times 10^{-3}\,\text{m}^2\)
\(P = F_v/S_v = 12\,262{,}5 / 5{,}03 \times 10^{-3} \approx 2{,}44 \times 10^6\,\text{Pa} \approx \mathbf{24{,}4\,\text{bar}}\)
Pression très raisonnable pour du matériel hydraulique standard.

12. Tableau récapitulatif des formules

FormuleNom / UsageGrandeursUnités SI
\(P = \dfrac{F}{S}\)Définition de la pressionP pression, F force, S surfacePa = N/m²
\(\Delta P = \rho\,g\,\Delta h\)Relation de Pascalρ masse volumique, g = 9,81 m/s², Δh profondeurPa, kg/m³, m
\(\dfrac{F_1}{S_1} = \dfrac{F_2}{S_2}\)Presse hydrauliqueF₁, F₂ forces ; S₁, S₂ sectionsN, m²
\(F_2 = F_1 \times \dfrac{S_2}{S_1}\)Amplification de forceRapport des sections = rapport des forcesN, m²
\(F = P \times S\)Force d'un vérin / pistonP pression, S section pistonN, Pa, m²
Conversions et constantes à mémoriser
1 bar= 10⁵ Pa = 100 000 Pa
1 hPa= 100 Pa
Pression atmosphériquePatm = 101 325 Pa ≈ 1,013 bar
Masse volumique eauρeau = 1 000 kg/m³
Masse volumique eau de merρmer ≈ 1 025 kg/m³
Masse volumique airρair ≈ 1,29 kg/m³
Pesanteurg = 9,81 m/s²
Bilan — Ce qu'il faut retenir
Formules essentielles
  • Pression : \(P = F/S\) (Pa = N/m²)
  • Pascal : \(\Delta P = \rho g \Delta h\)
  • Presse : \(F_1/S_1 = F_2/S_2\)
  • Vérin : \(F = P \times S\)
  • 1 bar = 10⁵ Pa
  • +1 bar tous les 10 m dans l'eau
En pratique — Installation thermique
  • ECS : 3–6 bar normalement
  • Hydraulique industrielle : 100–400 bar
  • Presse hydraulique → amplification par S₂/S₁
  • Vérin → actionneur linéaire sous pression
  • Pascal : pression transmise intégralement dans le fluide
  • Fluide incompressible : ρ = constante
Référence BO : Terminale Bac Pro — Groupement 1 — Physique-Chimie : « Caractériser la pression dans un fluide immobile ». Connaissances exigibles : définition de la pression (P = F/S) ; relation de Pascal (ΔP = ρgΔh) ; mesure expérimentale ; presse hydraulique (F₁/S₁ = F₂/S₂) ; vérin hydraulique.

13. Instruments de mesure de pression en installation thermique

Instrument Principe Plage typique Application professionnelle
Manomètre à cadran Tube de Bourdon (déformation élastique) 0 – 600 bar Circuits frigorigènes, ECS, hydraulique industriel
Pressostat Membrane + contact électrique 0,5 – 40 bar Sécurité haute/basse pression PAC, compresseur
Capteur piézorésistif Variation de résistance sous pression 0 – 1 000 bar Supervision GTB, mesure continue, BMS
Vacuomètre Manomètre inversé −1 à 0 bar Tirage au vide des circuits frigorigènes
Manifold de charge 2 manomètres (HP + BP) + vannes 0 – 45 bar Mesure HP/BP sur unité de climatisation / PAC
Colonne de liquide (U) Loi de Pascal : ΔP = ρgh 0 – 5 000 Pa Mesure de faibles pressions, réseau aéraulique
Pression relative vs pression absolue
En frigorigènes, on parle souvent de pression relative (lue sur le manifold), mais les tables de saturation utilisent la pression absolue.

14. Exercice 5 : Lecture de manomètre et calcul de pression

Exercice 5 – Réseau de chauffage : lecture et calcul de pression ICCER
Un réseau de chauffage hydraulique d'un immeuble de bureaux comporte :
  1. Convertir P₀ = 2,5 bar relatif en pression absolue (Pa).
  2. Calculer ΔP = ρgh dû à la colonne d'eau de 18 m.
  3. Calculer la pression absolue P au dernier niveau.
  4. Exprimer cette pression en bar relatif. Est-elle dans la plage acceptable pour un réseau ECS (3 – 6 bar abs) ?
  5. Un pressostat de sécurité est réglé à 4 bar relatif. À quelle pression absolue se déclenche-t-il ?
Voir la correction
1. Pression absolue en surface :
Pabs,0 = Prel + Patm = 2,5 + 1,013 = 3,513 bar = 3,513 × 10⁵ Pa

2. Pression due à la colonne d'eau :
\(\Delta P = \rho g h = 980 \times 9{,}81 \times 18 \approx 173\,124\,\text{Pa} \approx 1{,}73\,\text{bar}\)

3. Pression absolue au dernier niveau :
Pabs,haut = 3,513 × 10⁵ + 173 124 ≈ 524 424 Pa ≈ 5,24 bar abs

4. Pression relative en haut :
Prel,haut = 5,24 − 1,013 ≈ 4,23 bar rel
La plage acceptable pour un réseau de chauffage est généralement 1,5 – 3 bar relatif en chaud. Ici 4,23 bar rel peut indiquer une pression trop élevée → vérifier la soupape de sécurité.

5. Pressostat à 4 bar rel :
Pabs déclenchement = 4 + 1,013 = 5,013 bar abs. Le pressostat se déclenche avant d'atteindre la limite constructeur (généralement 6 bar abs).

Graphique — Évolution de la pression avec la profondeur

La pression dans un fluide immobile augmente linéairement avec la profondeur selon \(P = P_0 + \rho g h\). Ce graphique illustre cette évolution pour l'eau (\(\rho = 1000\) kg/m³) et pour l'huile (\(\rho = 900\) kg/m³).

La pression augmente linéairement avec la profondeur. L'eau exerce une pression plus forte que l'huile à même profondeur car elle est plus dense.

Erreurs fréquentes

Confondre pression relative et pression absolue
Un manomètre affiche la pression relative (par rapport à l'atmosphère). La pression absolue = pression relative + pression atmosphérique (≈ 1 bar). Dans Pascal ΔP = ρgΔh, on travaille avec des pressions relatives ou absolues, mais sans mélanger.
Conseil : préciser toujours si la pression est relative ou absolue dans les énoncés.
Oublier de convertir les unités
1 bar = 10⁵ Pa = 100 000 Pa. La formule ΔP = ρgΔh donne un résultat en pascals. Ne pas comparer directement Pa et bar sans conversion.
Conseil : convertir toutes les pressions en Pa avant les calculs, puis reconvertir en bar à la fin si nécessaire.
Inverser F₁/S₁ dans la presse hydraulique
La presse hydraulique amplifie la force si S₂ > S₁. Inverser S₁ et S₂ dans la formule donne une force 400 fois trop petite ou trop grande.
Conseil : vérifier que F₂/F₁ = S₂/S₁ et que la force augmente bien côté grand piston.
Négliger la pression atmosphérique dans les calculs d'installation
En pratique, la pression atmosphérique (≈ 1 bar) s'additionne à la colonne d'eau. Dans un circuit fermé (radiateur), seule la pression relative du fluide s'ajoute.
Conseil : tracer un schéma du circuit avec les altitudes avant tout calcul de pression.

Simulation interactive