Volume spécifique : Définition, Formules, Exemples

Volume spécifique est défini comme le nombre de mètres cubes occupés par un kilogramme de matière. C’est le rapport du volume d’une matière à sa masse, qui est la même que la réciproque de sa densité. En d’autres termes, le volume spécifique est inversement proportionnel à la densité. Le volume spécifique peut être calculé ou mesuré pour n’importe quel état de la matière, mais il est le plus souvent utilisé dans les calculs impliquant des gaz.

L’unité standard pour le volume spécifique est le mètre cube par kilogramme (m3/kg), bien qu’il puisse être exprimé en termes de millilitres par gramme (mL/g) ou de pieds cubes par livre (ft3/lb).

Intrinsèque et intensif

La partie « spécifique » d’un volume spécifique signifie qu’elle est exprimée en termes de masse unitaire. Il s’agit d’une propriété intrinsèque de matière, ce qui signifie qu’elle ne dépend pas de la taille de l’échantillon. De même, le volume spécifique est une propriété intensive de la matière qui n’est pas affectée par la quantité d’une substance existante ou par l’endroit où elle a été échantillonnée.

Formules de volume spécifiques

Il existe trois formules communes utilisées pour calculer le volume spécifique (ν) :

1. ν = V / m où V est le volume et m la masse
2. ν = 1 /ρ = ρ-1 où ρ est la densité
3. ν = RT / PM = RT / P où R est la constante de gaz idéale, T est la température, P est la pression et M est la molarité

La deuxième équation est généralement appliquée aux liquides et aux solides car ils sont relativement incompressibles. L’équation peut être utilisée lorsqu’il s’agit de gaz, mais la densité du gaz (et son volume spécifique) peut changer de façon spectaculaire avec une légère augmentation ou diminution de la température.

La troisième équation ne s’applique qu’aux gaz idéaux ou aux gaz réels à des températures et des pressions relativement basses qui se rapprochent des gaz idéaux.

Tableau des valeurs spécifiques communes du volume

Les ingénieurs et les scientifiques se réfèrent généralement à des tableaux de valeurs de volume spécifiques. Ces valeurs représentatives concernent la température et la pression standard (STP), qui est une température de 0 °C (273,15 K, 32 °F) et une pression de 1 atm.

Substance
Densité
Volume spécifique

(kg/m3)
(m3/kg)

Air
1.225
0.78

Ice
916.7
0.00109

Eau (liquide)
1000
0.00100

Eau salée
1030
0.00097

Mercure
13546
0.00007

R-22*
3.66
0.273

Ammoniac
0.769
1.30

Dioxyde de carbone
1.977
0.506

Chlore
2.994
0.334

Hydrogène
0.0899
11.12

Méthane
0.717
1.39

Azote
1.25
0.799

Vapeur*.
0.804
1.24

Les substances marquées d’un astérisque (*) ne sont pas à la STP.

Comme les matériaux ne sont pas toujours dans des conditions standard, il existe également des tableaux pour les matériaux qui indiquent des valeurs de volume spécifiques sur une gamme de températures et de pressions. Vous pouvez trouver des tableaux détaillés pour l’air et la vapeur.

Utilisations d’un volume spécifique

Le volume spécifique est le plus souvent utilisé en ingénierie et dans les calculs thermodynamiques pour la physique et la chimie. Il est utilisé pour faire des prédictions sur le comportement des gaz lorsque les conditions changent.

Imaginez une chambre étanche à l’air contenant un nombre déterminé de molécules :

• Si la chambre se dilate alors que le nombre de molécules reste constant, la densité du gaz diminue et le volume spécifique augmente.
• Si la chambre se contracte alors que le nombre de molécules reste constant, la densité du gaz augmente et le volume spécifique diminue.
• Si le volume de la chambre est maintenu constant alors que certaines molécules sont retirées, la densité diminue et le volume spécifique augmente.
• Si le volume de la chambre est maintenu constant alors que de nouvelles molécules sont ajoutées, la densité augmente et le volume spécifique diminue.
• Si la densité double, son volume spécifique est réduit de moitié.
• Si le volume spécifique double, la densité est réduite de moitié.

Volume spécifique et gravité spécifique

Si les volumes spécifiques de deux substances sont connus, ces informations peuvent être utilisées pour calculer et comparer leurs densités. La comparaison des densités donne des valeurs de densité. Une application de la gravité spécifique consiste à prédire si une substance va flotter ou couler lorsqu’elle est placée sur une autre substance.

Par exemple, si la substance A a un volume spécifique de 0,358 cm3/g et la substance B un volume spécifique de 0,374 cm3/g, l’inverse de chaque valeur donnera la densité. Ainsi, la masse volumique de A est de 2,79 g/cm3 et celle de B est de 2,67 g/cm3. La densité, en comparant la densité de A à celle de B, est de 1,04 ou la densité de B par rapport à celle de A est de 0,95. A est plus dense que B, donc A s’enfonce dans B ou B flotte sur A.

Exemple de calcul

La pression d’un échantillon de vapeur est connue pour être de 2500 lbf/in2 à une température de 1960 Rankine. Si la constante des gaz est de 0,596, quel est le volume spécifique de la vapeur ?

ν = RT / P

ν = (0,596)(1960)/(2500) = 0,467 in3/lb

Sources

• Moran, Michael (2014). Fundamentals of Engineering Thermodynamics, 8e éd. Wiley. ISBN 978-1118412930.
• Silverthorn, Dee (2016). Physiologie humaine : Une approche intégrée. Pearson. ISBN 978-0-321-55980-7.
• Walker, Jear (2010)l. Fondements de la physique, 9e éd. Halliday. ISBN 978-0470469088.