Transition de phase - Définition et Explications

Source: Wikipédia sous licence CC-BY-SA 3.0.
La liste des auteurs est disponible ici.

En physique, une transition de phase est une transformation du système étudié provoquée par la variation d'un paramètre extérieur particulier (température, champ magnétique...).

Cette transition a lieu lorsque le paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte...) atteint une valeur seuil (plancher ou plafond (Par extension, un plafond représente le maximum de quelque chose :) selon le sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...) de variation). La transformation est un changement des propriétés du système ; cela peut être :

  • la transformation d'un système thermodynamique (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur...) d'une phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) à une autre : fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état...), ébullition (L’ébullition est la formation de bulles lors d’un changement violent d’un corps...), sublimation...
  • le changement de comportement magnétique d'une pièce metallique ou céramique :
    • un métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des...) ferromagnétique passe d'un comportement paramagnétique à diamagnétique au point (Graphie) de Curie ;
    • certaines céramiques deviennent supraconductrices en dessous d'une température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) critique,
  • la condensation (La condensation est le nom donné au phénomène physique de changement d'état de la matière qui...) quantique de fluides bosoniques en condensat de Bose-Einstein ;
  • la disparition de symétrie dans les lois de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) au début de l'Histoire de l'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) quand sa température refroidit.

Les transitions de phases ont lieu lorsque l'énergie libre (En thermodynamique l’énergie libre F (appelée aussi "énergie libre de Helmholtz") est une...) d'un système n'est pas une fonction analytique (par exemple non-continue ou non-dérivable) pour certaines variables thermodynamiques. Cette non-analyticité provient du fait qu'un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) extrêmement grand de particules interagissent ; ceci n'apparaît pas lorsque les systèmes sont trop petits.

Types de transition de phase (En physique, une transition de phase est une transformation du système étudié provoquée par la...) courants

Voici le nom des transitions de phases les plus courantes qui font intervenir les états de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) suivants : solide, liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...), gazeux :

  • de solide à liquide : fusion
  • de solide à gazeux : sublimation
  • de liquide à solide : solidification (La solidification est l'opération au cours de laquelle un liquide passe à l'état solide. Cela...)
  • de liquide à gazeux : évaporation (L'évaporation est un passage progressif de l'état liquide à l'état gazeux. Elle est différente...) ou ébullition ou vaporisation
  • de gazeux à solide : déposition ou condensation
  • de gazeux à liquide : condensation ou liquéfaction (La liquéfaction est un changement d'état qui fait passer un corps de l'état gazeux...).
De ↓ à → solide liquide gazeux
solide X fusion sublimation
liquide solidification X évaporation ou vaporisation ou ébullition
gazeux déposition ou condensation condensation ou liquéfaction X

Classification des transitions de phase

Classification d'Ehrenfest

Paul Ehrenfest tenta le premier de classifier les transitions de phase, en se basant sur le degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines...) de non-analyticité. Bien qu'utile, ce classement n'est qu'empirique et ne représente pas la réalité des mécanismes de transition.

Cette classification se base sur l'étude de la continuité (En mathématiques, la continuité est une propriété topologique d'une fonction....) des dérivées ne de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) libre :

Les transitions du premier ordre sont celles pour lesquelles la dérivée (La dérivée d'une fonction est le moyen de déterminer combien cette fonction varie quand la...) première selon une des variables thermodynamiques de l'énergie libre est discontinue (présence d'un "saut" dans cette dérivée). Par exemple, les transitions solide/liquide/gaz sont de premier ordre : la dérivée de l'énergie libre selon le volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...) donne la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...), et celle-ci change de manière discontinue lors des transitions.

Les transitions du deuxième ordre sont celles pour lesquelles la dérivée seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui...) selon une des variables thermodynamiques de l'énergie libre n'est pas continue. Elles comprennent la transition ferromagnétique dans des matières comme le fer : la dérivée première de l'énergie libre selon le champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux...) appliqué est l'aimantation, la dérivée seconde est la susceptibilité magnétique et celle-ci change de manière discontinue à la température dite " de Curie " (ou point de Curie).

Classification actuelle des transitions de phase

La classification d'Ehrenfest a été abandonnée car elle ne prévoyait pas la possibilité de divergence - et pas seulement de discontinuité - d'une dérivée de l'énergie libre. Or, de nombreux modèles, dans la limite thermodynamique, prévoient une telle divergence[1]. Ainsi, par exemple, la transition ferromagnétique est caractérisée par une divergence de la capacité calorifique (La capacité thermique (ou capacité calorifique) d'un corps est une grandeur permettant de...) (dérivée seconde de l'énergie libre).

La classification utilisée actuellement distingue également des transitions de premier et de second ordre, mais la définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la...) est différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des...).

Les transitions de premier ordre sont celles qui impliquent une chaleur latente (L'enthalpie de changement d'état, molaire ou massique, correspond à la quantité de chaleur...). Au cours de ces transitions, le système absorbe ou émet une quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) d'énergie fixe (et en général grande). Comme l'énergie ne peut pas être transférée instantanément entre le système et son environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...), les transitions de premier ordre ont lieu dans des phases étendues dans lesquelles toutes les parties ne subissent pas la transition au même moment ; ces systèmes sont hétérogènes. C'est ce que l'on constate lors de l'ébullition d'une casserole d'eau : l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) n'est pas instantanément transformée en gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) mais forme un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses...) turbulent (Le HMS Turbulent (n° de coque : S 87) est un bâtiment de la classe Trafalgar de sept...) d'eau et de bulles de vapeur () d'eau. Les systèmes étendus hétérogènes sont difficiles à étudier car leurs dynamiques sont violentes et peu contrôlables. C'est le cas de nombreux systèmes, et notamment des transitions solide/liquide/gaz.

Les transitions de second ordre sont des transitions dites " de phase continues " ; il n'y a pas de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent :...) latente associée. C'est le cas par exemple de la transition ferromagnétique, de la transition superfluide (La superfluidité est un état quantique de la matière qui a été découvert pour la première...) et de la condensation de Bose-Einstein.

Il existe également des transitions de phase d'ordre infini (Le mot « infini » (-e, -s ; du latin finitus,...). Elles sont continues mais ne brisent aucune symétrie (voir ci-dessous). L'exemple le plus fameux est la transition Berezinsky-Kosterlitz-Thouless dans le modèle XY à deux dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce...). Ce modèle permet de décrire de nombreuses transitions de phase quantiques dans un gaz d'électrons à deux dimensions.

Propriétés des transitions de phase

Points critiques

Dans le cas de la transition entre les phases liquide et gaz, il existe des conditions de pression et de température pour lesquelles la transition entre le liquide et le gaz devient du second ordre. Près de ce point critique, le fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette...) est suffisamment chaud et comprimé pour que l'on ne puisse pas distinguer les phases liquides et gazeuses.

Le système a une apparence laiteuse en raison des fluctuations de la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) du milieu, qui perturbe la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) sur tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) le spectre visible (La lumière visible, appelée aussi spectre visible ou spectre optique est la partie du spectre...). Ce phénomène est appelé opalescence critique.

On retrouve également ce type de transition dans les systèmes magnétiques.

Symétrie

Les phases avant et après transition ont souvent, mais pas systématiquement, des symétries différentes.

Considérons par exemple la transition entre un fluide (liquide ou gaz) et un solide cristallin. Le fluide est composé de molécules arrangées de manière désordonnée mais homogène, il possède une symétrie translationnelle continue : chaque point dans le fluide a les même propriétés que n'importe quel autre point. Le solide cristallin par contre est fait d'atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) arrangés selon un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des...). Ce réseau est hétérogène et anisotrope : les propriétés varient grandement d'un point à un autre, et selon les directions considérées, mais sont périodiques.

La transition ferromagnétique est un autre exemple d'une transition brisant la symétrie ; il s'agit dans ce cas de la symétrie des courants électriques et des lignes de champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique. Cette symétrie est brisée par la formation de domaines magnétiques contenant des moments magnétiques alignés. Chaque domaine a un champ magnétique pointant dans une direction fixée choisie spontanément pendant la transition de phase. On parle de " symétrie de haut et bas ", ou de " symétrie d'inversion du temps " car les courants électriques inversent leur direction quand le sens du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) est inversé.

La présence ou l'absence d'une rupture de symétrie est importante pour le comportement des transitions de phase. Ceci fut noté par Landau : il n'est pas possible de trouver une fonction continue et dérivable entre des phases possédant une symétrie différente. Ceci explique qu'il n'est pas possible d'avoir un point critique pour une transition solide cristallin-fluide. Les transitions brisant une symétrie sont nécessairement du premier ou du second ordre.

En général, la phase la plus symétrique est la phase stable à haute température ; c'est par exemple le cas des transitions solide-liquide et ferromagnétique. En effet, l'Hamiltonien d'un système présente habituellement toutes les symétries possibles du système, et certaines de ces symétries sont absentes dans les états de basse énergie ; on appelle ceci la rupture spontanée de symétrie.

La rupture de la symétrie nécessite l'introduction de variables supplémentaires pour décrire l'état du système. Par exemple dans la phase ferromagnétique, il faut pour décrire le système indiquer l'" aimantation nette " des domaines qui s'opère lors du passage sous le point de Curie. Ces variables sont des paramètres d'ordre. Notez cependant que les paramètres d'ordre peuvent aussi être définis pour des transitions qui ne rompent pas la symétrie.

Les transitions de phase qui brisent la symétrie jouent un rôle important en cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système...). Dans la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) du Big bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a...), le vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) (théorie du champ quantique) initial possède un grand nombre de symétries. Au cours de l'expansion de l'univers, le vide se refroidit ce qui entraîne une série de transitions brisant des symétries. Par exemple, la transition électro-faible rompt la symétrie SU(2)×U(1) du champ électrofaible, le champ électromagnétique (Un champ électromagnétique est la représentation dans l'espace de la force...) actuel ayant une symétrie U(1). Cette transition est importante pour comprendre l'asymétrie (L'asymétrie est l’absence de symétrie, ou son inverse. Dans la nature, les crabes...) entre la quantité de matière (La quantité de matière est une grandeur de comptage d'entités chimiques ou physiques...) et d'antimatière (L'antimatière est l'ensemble des antiparticules des particules composant la matière...) dans l'univers présent (voir baryogénèse électrofaible).

Exposants critiques et classes d'universalité

Les transitions de phase continues sont plus faciles à étudier que celles de premier ordre en raison de l'absence de chaleur latente, et elles ont de nombreuses propriétés intéressantes. Le phénomène associé avec la transition de phase continue est appelé phénomène critique, en raison de son association avec les points critiques.

Les transitions de phase continues peuvent être caractérisées par des paramètres appelés exposants critiques. Bien que la transition soit continue (et donc ne se fasse pas à température constante), on peut tout de même définir une température critique Tc.

Quand T est proche Tc, la capacité calorifique C suit typiquement une de loi de puissance :

C \sim |T_c - T|^{-\alpha}

La constante α est l'exposant critique (Lors d'une transition de phase de deuxième ordre, au voisinage du point critique, les...) associé avec la capacité calorifique. Puisque la transition n'a pas de chaleur latente, il faut nécessairement que α soit strictement inférieur à 1 (sinon, la loi C(T) n'est plus continue). La valeur de α dépend du type de transition de phase considéré :

  • pour -1 < α < 0, la capacité calorifique a une " anomalie " à la température de transition. C'est le comportement de l'hélium liquide à la " transition lambda " d'un état " normal " vers l'état superfluide ; expérimentalement, on trouve α = -0,013±0,003 dans ce cas.
  • Pour 0 < α < 1, la capacité calorifique diverge à la température de transition, cependant, la divergence n'est pas assez importante pour produire une chaleur latente. La troisième dimension de la transition de la phase ferromagnétique suit un tel comportement. Dans le modèle Ising tri-dimensionel pour les aimants uniaxiaux, des études théoriques détaillées ont déterminé une valeur de l'exposant α ∼ 0,110.

Quelques systèmes ne suivent pas cette loi de puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :). Par exemple, la théorie de champ moyen prédit une discontinuité finie de la capacité calorifique à la température de transition, et le modèle Ising bi-dimensionel a une divergence logarithmique. Cependant, ces systèmes sont des modèles théoriques, ; les transitions de phase observées jusqu'ici suivent toutes une loi de puissance.

On peut définir plusieurs exposants critiques - notés β, γ, δ, ν, et η - correspondant aux variations de plusieurs paramètres physiques autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) du point critique.

Fait remarquable, des systèmes différents possèdent souvent le même ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) d'exposants critiques. Ce phénomène est appelé universalité. Par exemple, dans le cas du point critique liquide-gaz, les exposants critiques sont largement indépendants de la composition chimique du fluide. Plus surprenant, les exposants critiques de la transition de phase ferromagnétique sont exactement les mêmes pour tous les aimants uniaxiaux. De tels systèmes sont dits être dans la même classe d'universalité.

L'universalité est une prédiction de la théorie de la transition de phase du groupe de renormalisation (En théorie quantique des champs (ou QFT), en mécanique statistique des champs, dans la...), qui indique que les propriétés thermodynamiques d'un système près de la transition dépend seulement d'un petit nombre d'éléments, comme la dimensionalité et la symétrie, et est insensible aux propriétés sous-jacentes microscopiques du système.

Notes

  1. Les divergences ne peuvent apparaitre que dans la limite thermodynamique, c'est-à-dire lorsque l'on fait croitre la taille du système vers l'infini. En effet, un système de taille finie est décrit par une fonction de partition qui est une somme finie d'exponentielles, et qui est donc analytique pour toute température.
Cet article vous a plu ? Partagez-le sur les réseaux sociaux avec vos amis !
Page générée en 0.183 seconde(s) - site hébergé chez Amen
Ce site fait l'objet d'une déclaration à la CNIL sous le numéro de dossier 1037632
Ce site est édité par Techno-Science.net - A propos - Informations légales
Partenaire: HD-Numérique