En thermodynamique, l’étude des propriétés d’un système permet de comprendre comment l’énergie, le travail et la chaleur interagissent au sein de ce système.
Une propriété thermodynamique est toute caractéristique d’un système qui peut être mesurée ou calculée et qui décrit son état. Les propriétés nous permettent de comprendre comment un système peut subir des changements d'énergie, de travail et de chaleur au cours d'un processus. Ces propriétés se répartissent en deux types principaux : les propriétés intensives , qui ne dépendent pas de la quantité de matière, et les propriétés extensives , qui dépendent de la quantité de matière dans le système.
Propriétés thermodynamiques intensives
Les propriétés intensives sont celles qui ne dépendent pas de la quantité de matière présente dans le système. Cela signifie que si un système est divisé en parties plus petites, la valeur d’une propriété intensive reste la même dans chaque partie. Les propriétés intensives décrivent la nature intrinsèque d’une substance ou d’un système, sans égard à la taille ou à la quantité du matériau.
Un exemple classique pour illustrer cela est la température . Si vous disposez d'un litre d'eau à 25°C et que vous le divisez en deux récipients d'un demi-litre, la température sera toujours de 25°C dans les deux récipients. De même, d’autres propriétés intensives, telles que la pression, la densité et le volume spécifique, ne sont pas affectées par la taille du système.
Exemples de propriétés intensives
- Densité : La densité est le rapport entre la masse d'une substance et le volume qu'elle occupe. Sa formule est :
Densité=Masse / Volume
Peu importe qu'il s'agisse d'un petit échantillon ou d'un grand volume de substance, la densité reste constante, tant que la température et la pression ne changent pas. - Volume spécifique : Le volume spécifique est le volume occupé par une unité de masse d'une substance. C'est l'inverse de la densité :
Volume spécifique=1 / Densité
C'est une autre propriété intensive, puisqu'elle ne dépend pas de la quantité totale de substance présente, mais de la façon dont le volume est réparti par rapport à la masse. - Pression : La pression est la force qu'un système exerce par unité de surface sur ses frontières. Par exemple, dans un gaz confiné, la pression ne change pas lors de la division du volume, tant que les conditions de température et de quantité de gaz ne sont pas modifiées.
- Température : La température est une mesure de l'état thermique d'une substance et est liée à l'énergie cinétique moyenne des particules du système. Il s’agit d’une propriété intensive car sa valeur est indépendante de la taille ou de la quantité de substance.
- Composition : La composition chimique d'une substance, telle que sa concentration ou le rapport des composants dans un mélange, est une autre propriété intensive. Par exemple, la salinité d’une solution saline reste la même quelle que soit la quantité de solution présente.
Importance des propriétés intensives
Les propriétés intensives jouent un rôle crucial dans l’identification et la caractérisation des matériaux et des systèmes, car elles sont indépendantes de la taille ou de la quantité de matière.
Ceci est particulièrement utile dans les processus industriels et scientifiques, où un petit échantillon de matériau peut être analysé pour obtenir des informations applicables à une plus grande quantité.
Propriétés thermodynamiques étendues
Les propriétés étendues , en revanche, dépendent directement de la quantité de matière présente dans le système.
Si un système est divisé en deux parties, la valeur d’une propriété extensive est également divisée entre ces deux parties. Par exemple, le volume d'un système est une propriété extensive : si vous avez un volume de 1 m³ et que vous le divisez en deux parties égales, chaque partie aura un volume de 0,5 m³.
Des propriétés étendues s'ajoutent à un système composé de sous-systèmes. Par exemple, si vous disposez de deux sous-systèmes avec des masses différentes, la masse totale du système sera la somme des masses des sous-systèmes.
Exemples de propriétés étendues
- Masse : La masse est une mesure de la quantité de matière dans un système. Évidemment, cela dépend de la taille du système. Si vous divisez un système en parties, la masse de chaque partie sera proportionnelle à la taille de la pièce.
- Volume : Le volume est l'espace occupé par une substance. Comme la masse, c’est une propriété extensive car le volume d’un système est la somme du volume de toutes ses parties.
- Énergie interne : L'énergie interne est la somme de toutes les énergies microscopiques d'un système, y compris les énergies cinétiques et potentielles des molécules qui le composent. Il s’agit d’une propriété étendue puisqu’elle dépend de la quantité totale de matière présente dans le système.
- Enthalpie : L'enthalpie est une mesure de l'énergie totale d'un système, y compris l'énergie interne et l'énergie nécessaire pour déplacer son environnement à pression constante. Elle est étendue car elle dépend de la quantité de matière présente dans le système.
- Entropie : L'entropie est une mesure du désordre ou de la quantité d'énergie qui ne peut pas être convertie pour fonctionner dans un système. Il s’agit d’une propriété extensive car plus la quantité de matière est grande, plus le désordre et l’entropie totale du système sont importants.
Relation entre propriétés extensives et intensives
Une propriété extensive peut être convertie en propriété intensive lorsqu'elle est exprimée en termes d'unité de masse, de volume ou de taupes. Par exemple:
- Densité : Elle s'obtient en divisant la masse (extensive) par le volume (extensif), ce qui donne une propriété intensive.
- Volume spécifique : Il s'obtient en divisant le volume (extensif) par la masse (extensive), ce qui génère une propriété intensive.
Ce type de transformation est utile pour normaliser les propriétés et faire des comparaisons entre des systèmes de différentes tailles.
Relation entre propriétés et équations d'état
Les relations entre les propriétés thermodynamiques d'un système sont déterminées par les équations d'état .
Une équation d’état est une relation mathématique qui relie diverses propriétés intensives et extensives d’un système, permettant de prédire le comportement du système dans différentes conditions.
L'équation d'état la plus connue est l' équation des gaz parfaits , qui relie la pression (P), le volume (V) et la température (T) d'un gaz parfait à la quantité de substance (n) par la constante des gaz parfaits (. R) :
P·V=n·R·T
Dans les systèmes plus complexes, tels que les liquides et les solides, des équations d’état plus élaborées sont nécessaires pour relier les propriétés thermodynamiques.
Variables thermodynamiques
Les variables thermodynamiques sont des grandeurs physiques qui décrivent l'état d'un système en équilibre.
Comme les propriétés, les variables thermodynamiques peuvent être intensives ou extensives. De plus, elles sont également appelées fonctions d'état , car elles dépendent uniquement de l'état actuel du système et non de la manière dont cet état a été atteint.
Fonctions d'État
Les fonctions d'état sont les grandeurs dont la valeur dépend exclusivement de l'état actuel du système, quel que soit le chemin suivi pour atteindre cet état. Cela signifie que peu importe la manière dont une certaine température ou pression a été atteinte, ce qui compte c'est la valeur finale de la variable, et non les étapes intermédiaires.
Des exemples de fonctions d'état incluent l'énergie interne, l'enthalpie et l'entropie. Ces fonctions sont essentielles pour effectuer des analyses d'énergie et d'efficacité dans les systèmes thermodynamiques.