Phase (matière) - Définition et Explications

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...) 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...) s'il existe une transformation physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) 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...), en chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à...) et en science des matériaux (La science des matériaux repose sur la relation entre les propriétés, la morphologie...), 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...). De fait, un corps pur (En chimie, un corps pur est composé d'un seul type de constituant (contraire : mélange). Il...) dans un état (solide, liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...) 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...) et la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...), 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...) 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...) 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,...).

Si l'on a un composé qui est un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses...) 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 représentation graphique utilisée en thermodynamique (voir...).

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 en 1865 par Rudolf Clausius...), la capacité thermique (La capacité thermique (ou capacité calorifique) d'un corps est une grandeur permettant de...), la magnétisation, la compressibilité (La compressibilité est une caractéristique d'un corps, définissant sa variation relative de...)... — 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...) 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...) 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...) maintenus à des pressions différentes sont dans des états thermodynamiques différents mais sont dans le même " état de matière ".

État de la matière (Bien que le concept de phase soit simple, il est difficile de le définir précisément. Une bonne...)

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...) (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...) (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...) (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...) 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...) thermodynamique et correspondent à des niveaux d'agitation (L’agitation est l'opération qui consiste à mélanger une phase ou plusieurs...) moléculaire. Le diagramme (Un diagramme est une représentation visuelle simplifiée et structurée des concepts, des idées,...) de phase représente les conditions de température et de pression pour passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques...) 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...) 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...), et une variation négative libère cette chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent :...) 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...) 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...) ...) 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...), 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...) (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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