Phase (matière)

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 est une fonction analytique ». Ceci signifie que deux états d'un système 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 abruptes dans les propriétés thermodynamiques.

En thermodynamique, en chimie et en science des matériaux, une phase est un milieu dans lequel les paramètres varient de manière continue ; cela inclut notamment la composition chimique et la densité. De fait, un corps pur dans un état (solide, liquide ou gazeux) donné constitue en général une seule phase.

Considérons un corps pur. Selon la pression et la température, 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 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 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.

Si l'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. 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.

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, la capacité thermique, la magnétisation, la compressibilité... — peuvent étre exprimées en fonction de l'énergie libre et de ses dérivées. Par exemple, l'entropie peut s'exprimer simplement en fonction de la dérivée 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 maintenus à des pressions différentes sont dans des états thermodynamiques différents mais sont dans le même « état de matière ».

Il existe sept états de la matière reconnus :

• l'état liquide ;
• l'état superfluide (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 (ionisation d'un gaz par augmentation de la température) ;
• l'état solide ;
• le condensat de Bose-Einstein (solidification par agrégation de bosons, obtenu par refroidissement extrême) ;

L'existence d'un état supersolide est controversée.

Définition thermodynamique

Les états de la matière se définissent fondamentalement d'un point de vue thermodynamique et correspondent à des niveaux d'agitation moléculaire. Le diagramme de phase représente les conditions de température et de pression pour passer 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 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, et une variation négative libère cette chaleur latente.

Définition physique

En physique, un état de la matière correspond à un certain degré de cohérence de la matière (densité, structure cristalline, indice de réfraction ...) qui se traduit par des comportements définis par les lois de la physique (malléabilité, ductilité, 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 (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.