Propriétés intensives et extensives
c = {\displaystyle c=} T {\displaystyle T} ∂ S {\displaystyle \partial S} N {\displaystyle N} ∂ T {\displaystyle \partial T} Compressibilité β = − {\displaystyle \beta =-} 1 {\d...
c = {\displaystyle c=} T {\displaystyle T} ∂ S {\displaystyle \partial S} N {\displaystyle N} ∂ T {\displaystyle \partial T} Compressibilité β = − {\displaystyle \beta =-} 1 {\d...
Les propriétés physiques ou chimiques des matériaux et des systèmes peuvent souvent être classées comme intensives ou extensives , selon la façon dont la propriété varie en fonction de la taille (ou de l'étendue) du système. Les termes « grandeurs intensives et extensives » ont été introduits en physique par le mathématicien allemand Georg Helm en 1898 et par le physicien et chimiste américain Richard C. Tolman en 1917.
Selon l' Union internationale de chimie pure et appliquée (UICPA), une propriété ou grandeur intensive est une propriété dont l'amplitude est indépendante de la taille du système. Une propriété intensive n'est pas nécessairement distribuée de manière homogène dans l'espace ; elle peut varier d'un endroit à l'autre au sein d'un corps et d'un rayonnement. La température ( ), la masse volumique ( ) sont des exemples de propriétés intensives.
En revanche, une propriété extensive ou une grandeur extensive est une propriété dont la magnitude est additive pour les sous-systèmes. La masse , le volume et l'énergie de Gibbs en sont des exemples .
Toutes les propriétés de la matière ne se classent pas dans ces deux catégories. Par exemple, la racine carrée du volume n'est ni intensive ni extensive. Si la taille d'un système est doublée par juxtaposition d'un second système identique, la valeur d'une propriété intensive est égale à la valeur de chaque sous-système et la valeur d'une propriété extensive est le double de la valeur de chaque sous-système. Cependant, la propriété en revanche multiplié .
La distinction entre propriétés intensives et extensives a des applications théoriques. Par exemple, en thermodynamique, l'état d'un système compressible simple est entièrement déterminé par deux propriétés intensives indépendantes, ainsi que par une propriété extensive, telle que la masse. D'autres propriétés intensives sont dérivées de ces deux variables intensives.
Une propriété intensive est une grandeur physique dont la valeur est indépendante de la quantité de matière mesurée. Les rapports de grandeurs extensives en sont des exemples typiques. Dans un système homogène divisé en deux moitiés, toutes ses propriétés extensives, notamment son volume et sa masse, sont divisées en deux moitiés. En revanche, toutes ses propriétés intensives, telles que la masse par unité de volume (masse volumique) ou le volume par unité de masse ( volume spécifique ), restent identiques dans chaque moitié.
La température d'un système en équilibre thermique est identique en chacun de ses composants ; la température est donc une grandeur intensive. Si le système est divisé par une paroi perméable à la chaleur ou à la matière, la température de chaque sous-système est identique. De plus, la température d'ébullition d'une substance est une propriété intensive. Par exemple, la température d'ébullition de l'eau est de 100 °C à une pression d'une atmosphère , quelle que soit la quantité d'eau restant à l'état liquide.
Exemples de propriétés intensives :
Consultez la liste des propriétés des matériaux pour obtenir une liste plus exhaustive concernant spécifiquement les matériaux.
Une propriété extensive est une grandeur physique dont la valeur est proportionnelle à la taille du système qu'elle décrit ou à la quantité de matière présente dans ce système. Par exemple, la masse d'un échantillon est une grandeur extensive ; elle dépend de la quantité de matière. La grandeur intensive correspondante est la densité, qui est indépendante de la quantité. La densité de l'eau est d'environ 1 g/mL, qu'il s'agisse d'une goutte d'eau ou d'une piscine, mais la masse est différente dans les deux cas.
La division d'une propriété extensive par une autre propriété extensive donne une propriété intensive — par exemple : la masse (extensive) divisée par le volume (extensif) donne la densité (intensive).
Toute grandeur extensive spécifique » de l'échantillon ; les grandeurs extensives « molaire ».
Exemples de propriétés extensives :
En thermodynamique, certaines grandeurs extensives mesurent des quantités qui se conservent lors d'un processus de transfert thermodynamique. Elles sont transférées à travers une paroi séparant deux systèmes ou sous-systèmes thermodynamiques. Par exemple, des espèces de matière peuvent être transférées à travers une membrane semi-perméable. De même, le volume peut être considéré comme transféré lors d'un processus où le mouvement de la paroi entre deux systèmes augmente le volume de l'un et diminue celui de l'autre d'une quantité égale.
En revanche, certaines grandeurs extensives mesurent des quantités qui ne se conservent pas lors d'un processus thermodynamique de transfert entre un système et son environnement. Dans un tel processus où une quantité d'énergie est transférée de l'environnement vers ou depuis un système sous forme de chaleur, une quantité correspondante d'entropie dans le système augmente ou diminue, mais généralement pas dans les mêmes proportions que dans l'environnement. De même, une variation de la polarisation électrique dans un système n'entraîne pas nécessairement une variation correspondante de la polarisation électrique dans l'environnement.
Dans un système thermodynamique, les transferts de grandeurs extensives sont associés à des variations de leurs grandeurs intensives respectives. Par exemple, un transfert de volume est associé à une variation de pression. Une variation d'entropie est associée à une variation de température. Une variation de la polarisation électrique est associée à une variation du champ électrique. Les grandeurs extensives transférées et leurs grandeurs intensives respectives ont des dimensions dont le produit donne les dimensions de l'énergie. Les deux membres de ces paires spécifiques sont conjugués. L'un ou l'autre, mais pas les deux, d'une paire conjuguée peut être défini comme une variable d'état indépendante du système thermodynamique. Les configurations conjuguées sont associées par des transformations de Legendre .
Le rapport de deux propriétés extensives d'un même objet ou système est une propriété intensive. Par exemple, le rapport entre la masse et le volume d'un objet, qui sont deux propriétés extensives, est la densité, qui est une propriété intensive.
Plus généralement, des propriétés peuvent être combinées pour donner de nouvelles propriétés, appelées propriétés dérivées ou composites. Par exemple, les grandeurs de base que sont la masse et le volume peuvent être combinées pour donner la grandeur dérivée que sont la densité. Ces propriétés composites peuvent parfois être classées comme intensives ou extensives. Supposons une propriété composite
Les propriétés intensives sont indépendantes de la taille du système, donc la propriété F est une propriété intensive si, pour toutes les valeurs du facteur d'échelle, ,
Il s'ensuit, par exemple, que le rapport de deux propriétés extensives est une propriété intensive. Pour illustrer cela, considérons un système ayant une certaine masse , et volume, densité,
La propriété
Une propriété spécifique est la propriété intensive obtenue en divisant une propriété extensive d'un système par sa masse. Par exemple, la capacité thermique est une propriété extensive d'un système. En divisant la capacité thermique, , par la masse du système, donne la capacité thermique massique, , qui est une propriété intensive. Lorsque la propriété extensive est représentée par une lettre majuscule, le symbole de la propriété intensive correspondante est généralement représenté par une lettre minuscule. Des exemples courants sont donnés dans le tableau ci-dessous.
| Extensif | Intensif (spécifique) | Intensif (molaire) | ||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Propriété | Symbole | Propriété | Symbole | Volume spécifique ( la densité ) | Volume molaire | énergie interne spécifique | Énergie interne molaire | Si la quantité de matière en moles peut être déterminée, alors chacune de ces propriétés thermodynamiques peut être exprimée sur une base molaire, et son nom peut être qualifié par l'adjectif molaire , donnant des termes tels que volume molaire, énergie interne molaire, enthalpie molaire et entropie molaire. Le symbole des grandeurs molaires peut être indiqué en ajoutant un indice « m » à la propriété extensive correspondante. Par exemple, l'enthalpie molaire est . L'énergie libre de Gibbs molaire est communément appelée potentiel chimique , symbolisé par , notamment lorsqu'on aborde l'énergie libre de Gibbs molaire partielle Pour la caractérisation des substances ou des réactions, les tableaux indiquent généralement les propriétés molaires par rapport à un état standard . Dans ce cas, un exposant est utilisé.
LimitesLa classification intensive/extensive est particulièrement utile en thermodynamique d'équilibre macroscopique, où le « passage à l'échelle » est compris comme la combinaison de copies indépendantes d'un système, de sorte que les quantités extensives s'additionnent pour les sous-systèmes, tandis que les quantités intensives sont indépendantes de l'étendue (taille) du système. Cette classification n'est pas exhaustive. On peut former des quantités dérivées bien définies (par exemple, La classification peut également dépendre du contexte lorsque la manière dont les composants sont combinés introduit un couplage ou des contraintes supplémentaires. Redlich a souligné qu'il est nécessaire de distinguer les coordonnées généralisées (souvent extensives, comme la charge totale) de leurs forces généralisées conjuguées (souvent intensives, comme la tension), et a noté que dans les assemblages électriques, les variables qui restent égales entre les composants par rapport à celles qui s'additionnent peuvent dépendre de la manière dont les composants sont connectés (par exemple, connexions en série ou en parallèle). Enfin, certaines grandeurs généralement considérées comme des propriétés intensives des matériaux n'ont de sens que dans une description macroscopique (continue). Par exemple, les coefficients de transport tels que la viscosité peuvent ne pas être bien définis pour des systèmes extrêmement petits, et certaines propriétés physiques peuvent devenir dépendantes de la taille à des échelles très petites (par exemple, la réponse optique des points quantiques dépend de la taille des particules). | ||||||||||||||||||||||||