Un gâteau coupé en deux, une poignée de sel laissée sur la table. Tout semble banal, et pourtant, derrière ces gestes quotidiens se cache une mécanique invisible qui régit la matière, des cuisines aux laboratoires. Pourquoi la température d’un gâteau reste-t-elle intacte, alors que son poids s’effondre dès la première découpe ? Voilà le point de départ d’une différence qui bouleverse notre façon de voir le monde physique.
Ce qui s’effrite ou se divise, c’est dit extensif. Ce qui traverse la coupe sans sourciller, c’est intensif. Cette opposition, loin d’être un simple exercice académique, nous accompagne partout : dans les calculs, les expériences de chimie, la manière même dont on pense la matière. Prêt à revisiter ces notions à travers des exemples inattendus et terriblement concrets ?
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Plan de l'article
Comprendre la distinction entre grandeurs extensives et intensives
Dès que l’on aborde la physique ou la thermodynamique, impossible de faire l’impasse sur la distinction entre grandeur extensive et grandeur intensive. Une grandeur extensive se cale sur la taille du système : plus on a, plus la valeur grimpe. Le volume, la masse ou la quantité de matière obéissent à cette règle implacable. Coupez une motte de beurre en deux, chaque morceau n’en conserve que la moitié du poids ou du volume.
Inversement, une grandeur intensive ne bouge pas d’un iota lors d’un partage. La température, la pression, la concentration : rien ne les affecte si l’on divise le système. Ces grandeurs signent l’état du système, sans se soucier de la quantité présente. Elles dessinent le portrait, là où les extensives en dressent l’inventaire.
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- Extensives : proportionnelles à la taille du système. Volume, masse, énergie.
- Intensives : indépendantes de la taille. Température, pression, densité.
La manière d’observer le système détermine tout. Les deux catégories se croisent et se complètent : la densité, par exemple, née du rapport entre la masse (extensive) et le volume (extensive), devient intensive. Une astuce qui fait le pont entre les deux mondes, et qui revient sans cesse dans les raisonnements scientifiques.
Pourquoi cette différence compte-t-elle tant dans les sciences ?
La séparation entre extensives et intensives structure toute la thermodynamique et la physique statistique. Elle modèle la formulation des lois qui gouvernent la matière et l’énergie. Pour caractériser un système, impossible de faire l’économie de ces deux types de grandeurs.
Prenons l’étude des gaz parfaits : l’équation d’état relie pression, volume et température. Ici, pression et température sont intensives, le volume reste extensif. Le même raisonnement s’applique à l’énergie interne ou à la quantité de matière : les extensives suivent la taille, les intensives campent sur leurs positions.
En thermodynamique chimique, c’est ce cadre qui sert à définir le potentiel chimique ou l’entropie. Qu’un système grossisse ou rétrécisse, seules les extensives varient ; les intensives, elles, résistent. Cela permet d’anticiper et de modéliser les évolutions d’un système, passage obligé pour décrire n’importe quel changement d’état.
- Les capacités thermiques : capacité thermique totale (extensive), capacité thermique massique (intensive).
- L’énergie : extensive (énergie interne totale), intensive (énergie par unité de masse).
Savoir jongler entre ces deux familles, c’est la clé pour comparer, extrapoler ou prédire les comportements physiques, que ce soit en chimie des solutions ou dans le fonctionnement d’une centrale thermique.
Exemples concrets pour illustrer les deux notions
Dans la vie réelle, la différence entre grandeur extensive et grandeur intensive saute aux yeux dès qu’on observe une expérience ou une application concrète.
Considérez le volume : il double si l’on double la quantité de matière. Même logique pour la masse ou l’énergie interne : la proportion suit le nombre. Ces grandeurs s’empilent, se cumulent, s’additionnent.
Du côté des intensives, la température ou la pression d’un gaz, elles, restent stables si l’on fusionne deux systèmes identiques. Ces propriétés ne dépendent pas du “combien”, mais du “comment”.
- La chaleur dégagée lors d’une réaction varie avec la masse impliquée : extensif.
- La concentration d’une solution (quantité de soluté par litre) demeure constante, même en changeant le volume total : intensif.
- L’entropie totale d’un ensemble additionne les entropies des sous-systèmes : extensif.
Identifier rapidement si une grandeur est extensive ou intensive permet de choisir les bonnes variables pour modéliser un processus, que ce soit pour piloter une serre, calculer le rendement d’un moteur ou étudier l’équilibre d’une réaction chimique.
Comment reconnaître rapidement une grandeur extensive ou intensive dans la pratique
Déterminer si une grandeur est extensive ou intensive ne se limite pas à un tableau théorique. Sur le terrain, dans les ateliers ou les exploitations agricoles, il faut faire preuve d’observation et de méthode.
- Posez-vous la question : si je coupe le système en deux, la quantité se divise-t-elle ? Si oui, vous avez affaire à une grandeur extensive.
- Par exemple, la masse d’un lingot de cuivre ou le volume d’un réservoir : additionnez plusieurs morceaux, la somme grandit. C’est le signal d’une grandeur extensive.
- À l’opposé, la température ou la pression restent les mêmes, qu’on fusionne ou qu’on divise deux systèmes identiques. Elles ne se partagent pas, elles s’imposent : ce sont des grandeurs intensives.
| Grandeur | Extensive | Intensive |
|---|---|---|
| Masse | Oui | Non |
| Volume | Oui | Non |
| Température | Non | Oui |
| Pression | Non | Oui |
Dans l’industrie, cette différence guide le choix des instruments : un débitmètre s’occupe d’une valeur extensive, une sonde thermique vise une grandeur intensive. Toute la logique des transferts de chaleur ou de matière repose sur cette lecture préalable. Savoir où placer le curseur, c’est s’offrir la possibilité d’agir sur la matière, de la comprendre, ou tout simplement d’éviter que le soufflé ne retombe avant d’être servi.
