Phase (matière)
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Bien que le concept de phase soit simple, il est difficile de le définir précisément. Une bonne définition de la phase d'un système est " une région de l'espace des paramètres thermodynamiques du système dans lequel l'énergie libre (En thermodynamique l’énergie libre F (appelée aussi "énergie libre de Helmholtz") est une fonction d’état extensive dont la variation permet d'obtenir le travail utile...) est une fonction analytique ". Ceci signifie que deux états d'un système sont dans la même phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) s'il existe une transformation physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique...) passant de l'un à l'autre sans qu'il y ait de changements abruptes dans les propriétés thermodynamiques.

En thermodynamique (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur et des machines thermiques ou la science des grands...), en chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des...) et en science des matériaux (La science des matériaux regroupe les domaines qui étudient la matière qui constitue les objets. Cela va des roches (en géologie) aux métaux en passant par les matériaux de construction (génie civil), les polymères...), une phase est un milieu dans lequel les paramètres varient de manière continue ; cela inclut notamment la composition chimique et la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à 4 °C pour les...). De fait, un corps pur (En chimie, un corps pur est composé d'un seul type de constituant (contraire : mélange). Il existe plusieurs types de corps purs.) dans un état (solide, liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) ou gazeux) donné constitue en général une seule phase.

Considérons un corps pur. Selon la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) et la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant...), ce corps pur peut être gazeux, liquide ou solide (voir état de la matière). S'il est solide, il peut cristalliser de différentes manières selon la pression et la température. Par exemple, le fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie quotidienne, sous forme pure ou d'alliages. Le...) peut cristalliser sous forme cubique centrée (fer α) ou cubique à faces centrées (fer γ). Un solide peut aussi être amorphe. Par exemple, la silice (La silice est constituée de dioxyde de silicium, un composé chimique qui entre dans la composition de nombreux minéraux ; sa formule est SiO2.) SiO2 peut être cristalline (quartz, cristobalite) ou amorphe (verre).

Ces différentes formes que peut prendre un corps pur (gaz, liquide, solide amorphe, solide cristallin de tel ou tel type) sont appelées phases. À l'équilibre, un corps pur ne peut être que dans une phase donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction, d'un événement, etc.).

Si l'on a un composé qui est un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une...) de corps purs, on peut avoir, pour certaines conditions de pression et de température, plusieurs phases qui cohabitent. Par exemple, on peut avoir un mélange de deux poudres (deux phases solides différentes), un mélange liquide-gaz (aérosol), un mélange liquide-liquide (émulsion)...

On peut tracer une " carte " des phases, c'est-à-dire la phase dans laquelle est le système pour des conditions (pression, température, composition). Une telle carte est appelée diagramme de phase (Un diagramme de phase est une expression utilisée en thermodynamique (voir Phase) ; elle indique une représentation graphique, généralement à deux ou trois dimensions,...).

Notez que l'on peut 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 donc distincte de celle de composé chimique.

Toutes les propriétés thermodyamiques d'un système — l'entropie (En thermodynamique, l'entropie est une fonction d'état introduite au milieu du XIXe siècle par Rudolf Clausius dans le cadre du second principe, d'après les travaux de Carnot[1]....), la capacité thermique (La capacité thermique (ou capacité calorifique) d'un corps est une grandeur permettant de quantifier la possibilité qu'a un corps d'absorber ou restituer de l'énergie par échange thermique au cours d'une...), la magnétisation, la compressibilité (La compressibilité est une caractéristique d'un corps, définissant sa variation relative de volume sous l'effet d'une pression appliquée. C'est une valeur très grande pour les gaz, faible pour les liquides et très faible pour les...)... — peuvent étre exprimées en fonction de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) libre et de ses dérivées. Par exemple, l'entropie peut s'exprimer simplement en fonction de la dérivée (La dérivée d'une fonction est le moyen de déterminer combien cette fonction varie quand la quantité dont elle dépend, son argument, change. Plus précisément,...) première de l'énergie libre par la température.

Une phase est parfois appelée " état de la matière " mais cette notion peut être confondue avec l'état thermodynamique. Par exemple, deux gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un...) maintenus à des pressions différentes sont dans des états thermodynamiques différents mais sont dans le même " état de matière ".

État de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de l'espace et...)

Il existe sept états de la matière reconnus :

  • l'état liquide ;
  • l'état superfluide (La superfluidité est un état quantique de la matière qui a été découvert pour la première fois en 1937 par Pyotr Leonidovitch Kapitsa, simultanément...) (liquide sans aucune viscosité obtenu par diminution de la température) ;
  • l'état supercritique (équilibre liquide-gaz obtenu par augmentation de la pression) ;
  • l'état gazeux ;
  • l'état plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées (d'ions et d'électrons). Le plasma quark-gluon est un plasma qui constituerait les grandes étoiles à neutrons avant qu'elles ne s'effondrent...) (ionisation d'un gaz par augmentation de la température) ;
  • l'état solide ;
  • le condensat de Bose-Einstein (Un condensat de Bose-Einstein est un état de la matière formé de bosons à une température suffisamment basse, caractérisé par une fraction macroscopique d'atomes dans l'état...) (solidification par agrégation de bosons, obtenu par refroidissement extrême) ;

L'existence d'un état supersolide est controversée.

Définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la division entre les définitions réelles et les définitions nominales.) thermodynamique

Les états de la matière se définissent fondamentalement d'un point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) thermodynamique et correspondent à des niveaux d'agitation (L’agitation est l'opération qui consiste à mélanger une phase ou plusieurs pour rendre une ou plusieurs de ces caractéristiques homogènes. Plusieurs types d'opérations liées à...) moléculaire. Le diagramme (Un diagramme est une représentation visuelle simplifiée et structurée des concepts, des idées, des constructions, des relations, des données statistiques, de l'anatomie etc. employé dans tous les aspects des activités humaines pour...) de phase représente les conditions de température et de pression pour passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) d'un état à un autre. Lorsqu'un corps pur se retrouve dans les conditions, mesurées par le couple température-pression, qui ne correspondent à aucun point de l'une des courbes solide-liquide, liquide-gaz ou solide-gaz, alors ce corps est dans un état (solide, liquide ou gazeux) tel que la variation d'enthalpie (L'enthalpie (du préfixe en- et du grec thalpein: chauffer) est une fonction d'état de la thermodynamique, dont la variation permet d'exprimer la quantité de...) entraîne directement une variation de température. En revanche, si le couple température-pression correspond à un point de l'une des courbes de changement de phase, la variation d'enthalpie n'entraîne pas de variation de température, c'est-à-dire que les changements de phase se font à température constante. Dans ce cas, un apport d'énergie provoqué par une variation positive d'enthalpie est convertie en chaleur latente (L'enthalpie de changement d'état, molaire ou massique, correspond à la quantité de chaleur nécessaire à l'unité de quantité de matière (mole) ou de masse (kg) d'un corps...), et une variation négative libère cette chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) latente.

Définition physique

En physique, un état de la matière correspond à un certain degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines suivants :) de cohérence de la matière (densité, structure cristalline, indice de réfraction (L'indice de réfraction provient du phénomène de réfraction qui désigne le changement de direction de la lumière au passage d'un milieu à un autre. La notion d'indice a d'abord été introduite empiriquement comme coefficient...) ...) qui se traduit par des comportements définis par les lois de la physique (malléabilité, ductilité (La ductilité désigne la capacité d'un matériau à se déformer plastiquement sans se rompre. La rupture se fait lorsqu'un défaut (fissure ou cavité), induit par la déformation...), écoulement des fluides, loi des gaz parfaits ...). Mais les comportements de la matière ne sont pas toujours uniformes au sein d'un même état. Ainsi existe-t-il des états intermédiaires où l'on observe un solide se comporter comme un fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les...) (matière pulvérulente ou granuleuse) ou au contraire un liquide avoir certaines propriétés propres aux solides émulsions.

Il existe par ailleurs des états exotiques de la matière tel que le plasma, le condensat de Bose-Einstein ou encore l'état supercritique qui nous sont moins familiers.

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