Phase

En thermodynamique, on utilise la notion de phase pour distinguer les différents états envisageables d'un système. Selon le contexte et les auteurs, le mot est utilisé pour désigner plusieurs choses, quelquefois de natures différentes, mais étroitement liées.


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Phase - Chimie générale

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Un mélange d'eau et d'huile à l'équilibre se compose de deux phases différentes.

En thermodynamique, on utilise la notion de phase pour distinguer les différents états envisageables d'un système. Selon le contexte et les auteurs, le mot est utilisé pour désigner plusieurs choses, quelquefois de natures différentes, mais étroitement liées.

Si un dispositif thermodynamique est entièrement homogène, physiquement et chimiquement, on dit qu'il forme une seule phase. Dans le cas opposé, on nomme phases ses parties homogènes. La décomposition d'un dispositif en différentes phases peut évoluer au gré des transformations que le dispositif subit. Généralement, le processus par lequel un dispositif ou une de ses parties se transforme d'une phase à une autre est nommé transition de phase.

Par extension, on utilise aussi le terme de phase pour désigner le domaine d'existence ou de stabilité d'une phase donnée dans l'espace des paramètres thermodynamiques. Cette approche sert à donner une définition mathématique plus précise à la notion de phase.

La notion de phase recoupe en partie la notion plus familière d'état de la matière. Les trois états usuels de la matière que sont le gaz, le liquide et le solide forment en effet trois phases différentes[1]. Les deux notions ne se confondent pas pour tout autant : un dispositif composé de deux liquides non miscibles comme l'eau et l'huile est bien composé de deux phases différentes, quoiqu'il soit dans un seul état (liquide).

Définitions

La phase comme substance

Landau et Lifschitz définissent les phases d'une substance comme ses états qui peuvent cœxister simultanément à l'équilibre, tout en étant en contact direct[2].

Kubo définit une phase comme une substance physiquement et chimiquement homogène[3].

Greiner définit une phase comme les parties homogènes d'un dispositif hétérogène[4], étant entendu qu'un dispositif homogène forme une unique phase.

Si on a un composé qui est un mélange de corps purs, on peut avoir, pour certaines conditions de pression et de température, plusieurs phases qui cohabitent. A titre d'exemple, on peut avoir un mélange de deux poudres (deux phases solides différentes), un mélange liquide-gaz (aérosol), un mélange liquide-liquide (émulsion)...

Il peut y avoir une phase homogène constituée de plusieurs corps purs (par exemple une solution aqueuse ou un eutectique), et un corps pur hors équilibre composé de plusieurs phases (par exemple un mélange eau-glace), la notion de phase est par conséquent différente de celle de composé chimique.

La phase comme domaine de stabilité

Une bonne définition de la phase d'un dispositif est «une région de l'espace des paramètres thermodynamiques du dispositif dans lequel l'énergie libre est une fonction analytique». Ceci veut dire que deux états d'un dispositif sont dans la même phase s'il existe une transformation physique passant de l'un à l'autre sans qu'il y ait de changements abrupts dans les propriétés thermodynamiques.

Considérons un corps pur. Selon la pression et la température, ce corps pur peut être gazeux, liquide ou solide. S'il est solide, il peut cristalliser de différentes manières selon la pression et la température. A titre d'exemple, le fer peut cristalliser sous forme cubique centrée (fer α) ou cubique à faces centrées (fer γ). Un solide peut aussi être amorphe. A titre d'exemple, la silice SiO2 peut être cristalline (quartz, cristobalite) ou amorphe (verre de silice).

On peut tracer une «carte» des phases, c'est-à-dire la phase dans laquelle est le dispositif pour des conditions (pression, température, composition). Une telle carte est nommée diagramme de phase.

Toutes les propriétés thermodynamiques d'un dispositif — l'entropie, la capacité thermique, la magnétisation, la compressibilité… — peuvent être exprimées selon l'énergie libre et de ses dérivées. A titre d'exemple, l'entropie peut s'exprimer simplement selon la dérivée première de l'énergie libre par la température.

Notes et références

  1. On parle d'ailleurs souvent de «phase gazeuse», liquide ou solide
  2. Landau et Lifschitz 1994, p.  27
  3. Kubo 1968, p.  190
  4. Greiner 1995, p.  5

Voir aussi

Bibliographie

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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 30/11/2010.
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