Transition de phase - Définition et Explications

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Introduction

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, etc. ;
  • le changement de comportement magnétique d'une pièce métallique 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 ferromagnétique 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 ;
  • la transition de phase (En physique, une transition de phase est une transformation du système étudié...) que semble subir la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) à certaines énergies.

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 courants

Changements états physiques.PNG

Voici le nom des transitions de phases (ou changements d'état physique) les plus courantes qui font intervenir les états de la matière 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 ;
  • de liquide à gazeux : vaporisation ;
  • de gazeux à solide : condensation solide, déposition ou sublimation inverse ;
  • de gazeux à liquide : liquéfaction (La liquéfaction est un changement d'état qui fait passer un corps de l'état gazeux...) ou condensation liquide.

Propriétés des transitions de phase

Points critiques

Dans le cas de la transition entre les phases liquide et gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...), il existe des conditions de pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) 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 mêmes 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 magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux...). Cette symétrie est brisée par la formation de domaines magnétiques contenant des moments magnétiques alignés. Chaque domaine a un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) 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 (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des...). 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. Cependant, 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 (L'enthalpie de changement d'état, molaire ou massique, correspond à la quantité de chaleur...), 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 (La capacité thermique (ou capacité calorifique) d'un corps est une grandeur permettant de...) C suit typiquement une 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 (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent :...) 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-dimensionnel 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-dimensionnel 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 dimensionnalité et la symétrie, et est insensible aux propriétés sous-jacentes microscopiques du système.

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