Le volume spécifique est une propriété intensive caractéristique de chaque élément ou matériau. Il est défini mathématiquement comme la relation entre le volume occupé par une certaine quantité de matière (un kilogramme ou un gramme); en d'autres termes, c'est l'inverse de la densité.
La densité indique combien pèse 1 mL de matière (liquide, solide, gazeux ou un mélange homogène ou hétérogène), tandis que le volume spécifique se réfère au volume qui en occupe 1 g (ou 1 kg). Ainsi, connaissant la densité d'une substance, il suffit de calculer l'inverse pour déterminer son volume spécifique.
À quoi fait référence le mot «spécifique»? Lorsqu'une propriété est dite spécifique, cela signifie qu'elle est exprimée en fonction de la masse, ce qui permet sa transformation d'une propriété étendue (qui dépend de la masse) à une propriété intensive (continue en tous les points du système).
Les unités dans lesquelles le volume spécifique est normalement exprimé sont (m 3 / Kg) ou (cm 3 / g). Cependant, bien que cette propriété ne dépende pas de la masse, elle dépend d'autres variables, telles que la température ou la pression incidente sur la substance. Cela fait qu'un gramme de substance occupe plus de volume à des températures plus élevées.
De l'eau
Sur la première image, vous pouvez voir une goutte d'eau sur le point de se mélanger à la surface du liquide. Parce que c'est naturellement une substance, sa masse occupe un volume comme les autres. Ce volume macroscopique est un produit du volume et des interactions de ses molécules.
La molécule d'eau a la formule chimique H 2 O, avec une masse moléculaire d'environ 18 g / mol. Les densités qu'il présente dépendent également de la température, et à une échelle macroscopique, la distribution de ses molécules est considérée comme la plus homogène possible.
Avec les valeurs de densité ρ à une température T, pour calculer le volume spécifique d'eau liquide, il suffit d'appliquer la formule suivante:
v = (1 / ρ)
Il est calculé en déterminant expérimentalement la densité de l'eau à l'aide d'un pycnomètre puis en effectuant le calcul mathématique. Parce que les molécules de chaque substance sont différentes les unes des autres, le volume spécifique qui en résulte le sera aussi.
Si la densité de l'eau sur une large plage de températures est de 0,997 kg / m 3, son volume spécifique est de 1,003 m 3 / kg.
De l'air
L'air est un mélange gazeux homogène, composé principalement d'azote (78%), suivi d'oxygène (21%) et enfin d'autres gaz de l'atmosphère terrestre. Sa densité est une expression macroscopique de tout ce mélange de molécules, qui n'interagissent pas efficacement et se propagent dans toutes les directions.
Parce que la substance est supposée continue, sa propagation dans un récipient ne change pas sa composition. Encore une fois, en mesurant la densité dans les conditions décrites de température et de pression, on peut déterminer quel volume 1 g d'air occupe.
Puisque le volume spécifique est de 1 / ρ et que son ρ est inférieur à celui de l'eau, alors son volume spécifique est plus grand.
L'explication de ce fait est basée sur les interactions moléculaires de l'eau par rapport à l'air; ce dernier, même en cas d'humidité, ne se condense que s'il est soumis à des températures très froides et à des pressions élevées.
De la vapeur
Dans les mêmes conditions, un gramme de vapeur occupera-t-il un volume supérieur à celui d'un gramme d'air? L'air est plus dense que l'eau en phase gazeuse, car il s'agit d'un mélange de gaz mentionné ci-dessus, contrairement aux molécules d'eau.
Comme le volume spécifique est l'inverse de la densité, un gramme de vapeur occupe plus de volume (il est moins dense) qu'un gramme d'air.
Les propriétés physiques de la vapeur en tant que fluide sont essentielles dans de nombreux processus industriels: à l'intérieur des échangeurs de chaleur, pour augmenter l'humidité, nettoyer les machines, entre autres.
Il existe de nombreuses variables à prendre en compte lors de la manipulation de grandes quantités de vapeur dans les industries, notamment en ce qui concerne la mécanique des fluides.
Azote
Comme le reste des gaz, sa densité dépend considérablement de la pression (contrairement aux solides et liquides) et de la température. Ainsi, les valeurs de son volume spécifique varient en fonction de ces variables. D'où la nécessité de déterminer son volume spécifique pour exprimer le système en termes de propriétés intensives.
Sans valeurs expérimentales, par raisonnement moléculaire, il est difficile de comparer la densité de l'azote avec celle d'autres gaz. La molécule d'azote est linéaire (N≡N) et celle de l'eau est angulaire.
Puisqu'une «ligne» occupe moins de volume qu'un «boomerang», on peut s'attendre à ce que l'azote soit plus dense que l'eau par la définition de la densité (m / V). En utilisant une densité de 1,2506 kg / m 3, le volume spécifique aux conditions dans lesquelles cette valeur a été mesurée est de 0,7996 m 3 / kg; c'est simplement la réciproque (1 / ρ).
Du gaz parfait
Le gaz idéal est celui qui obéit à l'équation:
P = nRT / V
On voit que l'équation ne considère aucune variable telle que la structure moléculaire ou le volume; il ne considère pas non plus comment les molécules de gaz interagissent les unes avec les autres dans un espace défini par le système.
Dans une plage limitée de températures et de pressions, tous les gaz «se comportent» de la même manière; pour cette raison, il est valable dans une certaine mesure de supposer qu'ils obéissent à l'équation des gaz parfaits. Ainsi, à partir de cette équation, plusieurs propriétés des gaz peuvent être déterminées, y compris le volume spécifique.
Pour le résoudre, il est nécessaire d'exprimer l'équation en termes de variables de densité: masse et volume. Les moles sont représentées par n et sont le résultat de la division de la masse du gaz par sa masse moléculaire (m / M).
En prenant la masse variable m dans l'équation, si elle est divisée par le volume, la densité peut être obtenue; À partir de là, il suffit d'effacer la densité puis de «retourner» les deux côtés de l'équation. En faisant cela, le volume spécifique est finalement déterminé.
L'image ci-dessous illustre chacune des étapes pour arriver à l'expression finale du volume spécifique d'un gaz idéal.
Références
- Wikipédia. (2018). Volume spécifique. Tiré de: en.wikipedia.org
- Study.com. (21 août 2017). Qu'est-ce que le volume spécifique? - Définition, formule et unités tirées de: study.com
- POT. (5 mai 2015). Volume spécifique. Tiré de: grc.nasa.gov
- Michael J. Moran et Howard N. Shapiro. (2004). Fondamentaux de la thermodynamique technique. (2e édition). Editorial Reverté, page 13.
- Unité 1: Concepts de thermodynamique.. Tiré de: 4.tecnun.es
- TLV. (2018). Principales applications pour Steam. Tiré de: tlv.com