Diagramme de phase - Définition et Explications

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Introduction

Un diagramme de phase est une représentation graphique utilisée en thermodynamique (voir Phase), généralement à deux ou trois dimensions, représentant les domaines de l'état physique (ou phase) d'un système (corps pur ou mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses...) de corps purs), en fonction de variables, choisies pour faciliter la compréhension des phénomènes étudiés.

Les diagrammes les plus simples concernent un corps pur (En chimie, un corps pur est composé d'un seul type de constituant (contraire : mélange). Il...) avec pour variables la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) et la pression ; les autres variables souvent utilisées sont l'enthalpie (L'enthalpie (du préfixe en- et du grec thalpein: chauffer) est une fonction d'état de la...), l'entropie (En thermodynamique, l'entropie est une fonction d'état introduite en 1865 par Rudolf Clausius...), le volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...) massique, ainsi que la concentration en masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) ou en volume d'un des corps purs constituant un mélange.

Lorsque le système étudié est un mélange de n corps purs, son état physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) est défini par les (n-1) proportions indépendantes de ses composants, ainsi que par la température et la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...). Ainsi, un diagramme (Un diagramme est une représentation visuelle simplifiée et structurée des concepts, des idées,...) à deux variables ne peut donc être établi qu'en fixant (n-1) variables du système.

C'est un diagramme associé à un équilibre qui ne permet pas de décrire un système dans un état métastable comme l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...) à une température inférieure à °C sous la pression atmosphérique (La pression atmosphérique est la pression de l'air en un point quelconque d'une atmosphère.) normale (surfusion). Début 2009, tous les diagrammes de phases des éléments simples étaient établis sauf celui du bore (Le bore est un élément chimique de symbole B et de numéro atomique 5.), qui devrait être rapidement disponible suite à la synthèse réussie d'une nouvelle forme de bore dite « bore gamma » (partiellement ionique, mais forme la plus dure et dense du bore)

Diagramme d'un corps pur

Un corps pur se présente sous une ou plusieurs de ses phases solides, liquide et gazeuse, en fonction des conditions de pression et de température. Généralement, un corps pur existe sous une seule phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) pour une pression et une température données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...), sauf :

  • au point (Graphie) triple, où les 3 phases coexistent à une température et une pression données ;
  • pour un couple (pression, température) correspondant à un changement d'état (ou transition de phase) soit :
    • entre 2 phases solides : transformation entre 2 variétés allotropiques ;
    • entre une phase solide et une phase liquide : fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état...) - solidification ;
    • entre une phase solide et une phase vapeur () (gaz) : sublimation - condensation ;
    • entre une phase liquide et une phase vapeur : vaporisation - liquéfaction ; la courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du...) de changement d'état liquide-vapeur s'interrompt en un point appelé point critique, au-delà duquel le corps ne présente plus qu'une seule phase fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette...), plutôt proche (du point de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et...) de ses propriétés physiques) d'un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) aux pressions inférieures à la pression critique, plutôt proche d'un liquide aux pressions supérieures à la pression critique.

Lorsque toutes les phases représentées correspondent à des états physiques différents, on parle parfois de diagramme de changement d'état.

En règle générale, les courbes de changement d'état sont croissantes dans le diagramme P=f \left( T \right). Une exception notable est celle de l'eau, pour laquelle la courbe de fusion - solidification (La solidification est l'opération au cours de laquelle un liquide passe à l'état solide. Cela...) est décroissante (ceci implique que la glace (La glace est de l'eau à l'état solide.) flotte sur l'eau liquide).

Exemple d'un diagramme de phase (Un diagramme de phase est une représentation graphique utilisée en thermodynamique (voir...) de corps pur.
Diagramme de phase de l'eau.

Remarques

  • Un corps pur placé au contact de l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) n'est pas un système constitué d'un seul corps pur car il faut prendre en compte les gaz de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...). Cela explique, par exemple, que l'eau coexiste habituellement à l'état liquide et à l'état de vapeur à la température ambiante, très éloignée de sa température d'ébullition (L’ébullition est la formation de bulles lors d’un changement violent d’un corps...) (100 °C à la pression atmosphérique normale). En effet la pression partielle de vapeur d'eau est alors très inférieure à la pression atmosphérique. La pression de vapeur (La pression de vapeur est la pression partielle de la vapeur d'un corps présent également sous...) d'eau, appelée pression de vapeur saturante (La pression de vapeur saturante ou tension de vapeur est la pression à laquelle la phase gazeuse...), de l'ordre de 0,006 atm à °C, augmente progressivement jusqu'à 100 °C où elle atteint 1 atm. À ce stade (Un stade (du grec ancien στ?διον stadion, du verbe...) la pression atmosphérique de l'air ne joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les...) plus son rôle de couvercle et les molécules d'eau s'échappent brutalement du milieu: c'est le phénomène d'ébullition. Si l'on abaisse la pression de l'air par une pompe (Une pompe est un dispositif permettant d'aspirer et de refouler un fluide.) à vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.), l'ébullition de l'eau peut même se produire à une température plus basse que la température ambiante.
  • À l'état solide, un corps peut parfois prendre plusieurs formes de cristallisation, selon le domaine de pression et de température. Chaque forme de cristallisation constitue ainsi une phase différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des...), ce qui permet de tracer un diagramme de phase.
Exemple d'un diagramme de phase pour plusieurs formes de cristallisation : la glace. Par rapport au diagramme précédent, les axes sont inversés, et l'échelle des pressions est logarithmique
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