CHAPITRE XII: LES ETATS DE LA MATIERE

Thermodynamique - Phases de la matière
1
Phases de la matière
Surface caractéristique d’un corps pur:
Les états d'un corps pur sont représentables par une surface
dans l'espace affine ( P, V, T ):
4ième édition_____________________________________
Patrick HOFFMANN
Thermodynamique - Phases de la matière
2
En général, un corps pur peut exister sous les trois états.
L'état solide est un morceau de la surface caractéristique
représenté ici en vert:
Nous avons vu que ceci correspond à une structure ordonnée
de la matière.
4ième édition_____________________________________
Patrick HOFFMANN
Thermodynamique - Phases de la matière
3
L'état liquide est un morceau de la surface caractéristique
représenté ici en bleu:
Ceci correspond à une structure désordonnée de la matière,
mais avec une densité particulaire voisine de celle du solide.
4ième édition_____________________________________
Patrick HOFFMANN
Thermodynamique - Phases de la matière
4
L'état gazeux est un morceau de la surface caractéristique
représenté ici en jaune:
La structure de la matière est désordonnée, mais avec une
densité matérielle plus faible que celle du solide.
Lorsque l'état est constitué d’un seul d’entre eux, il est dit
monophasé.
4ième édition_____________________________________
Patrick HOFFMANN
Thermodynamique - Phases de la matière
5
Pour certaines conditions physiques, on observe des équilibre
de deux états, le corps pur est alors biphasé (ou diphasé).
Par exemple, lors de la fusion d’un solide ou la solidification
d'un liquide:
zone représentée ici en gris sur la figure.
4ième édition_____________________________________
Patrick HOFFMANN
Thermodynamique - Phases de la matière
Egalement
6
l'ébullition d'un liquide ou la condensation d'un
gaz:
Etat biphasé représenté en gris sur la figure.
4ième édition_____________________________________
Patrick HOFFMANN
Thermodynamique - Phases de la matière
7
Enfin sublimation d'un solide ou cristallisation d'un gaz:
Egalement un état biphasé représenté en gris sur la figure.
4ième édition_____________________________________
Patrick HOFFMANN
Thermodynamique - Phases de la matière
8
Enfin il existe un le point triple J : ( PJ ; VJ ; TJ ), conditions
physiques uniques pour une certaine quantité de matière, où
les trois phases sont en équilibres.
P
P
C
C
T
J
C
e
hy p
solide
ide
S↔L
liqu id e
f lu
J
ue
iti q
r cr
L↔G
J
S↔G
V
gaz
T
C
J
V
4ième édition_____________________________________
Patrick HOFFMANN
Thermodynamique - Phases de la matière
9
Sur cette surface existe 2 domaines monophasés disjoints:
La phase solide déjà rencontrée et la phase fluide: réunion des
phases liquide, gaz et fluide hypercritique défini pour des corps
pur avec une température plus élevée que celle du point critique:
4ième édition_____________________________________
Patrick HOFFMANN
Thermodynamique - Phases de la matière
10
Nous verrons dans la suite que la réunion de la phase solide et de
la phase fluide constitue la zone des “états thermodynamiques”:
4ième édition_____________________________________
Patrick HOFFMANN
Thermodynamique - Phases de la matière
Les
autres
régions
sont
biphasées
11
et
correspondent
aux
transitions de phases. Seul le point triple J a la particularité de voir
cohabiter les trois phases.
Certains corps purs font exceptions (soufre, cuivre, carbone...)
à cette représentation. Ils présentent en particulier plusieurs
états solides, donc des transitions de phases supplémentaires.
Notons que la projection dans le plan Pression-Température,
donne les valeurs des transitions de phases. Celles-ci se
déroulent donc dans des conditions de température et de
pression uniformes.
P
Pour un corps pur, et pour une quantité fixe,
courbe de changements de phases.
Liquide
Iso therme critique
C
Solide
(point critique)
J
Liquide
hypercritique
(point triple)
Gaz
T
x c
4ième édition_____________________________________
T
Patrick HOFFMANN
Thermodynamique - Phases de la matière
12
Pour des changements de phases isobares (par exemple à la
pression atmosphérique), il est fructueux de les représenter
dans la projection T,V:
Changements de phases isobares.
T
P=P3
TT x
P=P1
C (point critique)
Liq
x
TF x
Fluide hyper
SWF
Sol
TV
P=P2
SWL
LWG
Gaz
J (point triple)
TS x
SWG
V
Si P = P1 = constante, la seule transition s’effectue avec:
P < PJ , c’est une sublimation / cristallisation .
Lorsque P = P3 = constante, la transition s’effectue avec:
P > PC , c’est une “fluidisation” / cristallisation .
Pour P = P2 = constante, PJ < P < PC , il existe deux transition
de phases: fusion / cristallisation et ébullition / condensation
.
4ième édition_____________________________________
Patrick HOFFMANN
Thermodynamique - Phases de la matière
13
Quelquefois pour certains corps, les transitions de phases ne
sont pas complètement franches, il existe des états
métastables:
T
Liq
u
id e
Transition:
Solide / Liquide
SolideWLiquide
So
l id
e
TF x
Surfusion:
retard à la solidification,
état métastable.
V
T
Transition:
Liquide / gaz
TV x
Li
qu
id
e
Ga
z
Retard à l'ébulition
ou liquide surchauffé,
état métastable.
LiquideW Gaz
Retard à la liquéfaction
ou vapeur sursaturée,
état métastable.
V
4ième édition_____________________________________
Patrick HOFFMANN
Thermodynamique - Phases de la matière
14
Ces évolutions, sur la surface caractéristique, s’effectuent en
apportant ou en prélevant de la chaleur à l’échantillon de matière.
Dans
le
cas
ou
la
zone
est
monophasée
(états
thermodynamiques), l’augmentation de chaleur est proportionnel
à l’augmentation de température:
dQ = m c dT
Le coefficient c est nommé chaleur massique. En général, il dépend
de la température et de la pression. Pour l’eau dans les conditions
normales de pression: c = 1 cal/g/k = 4180 J/kg/K, et pour la
glace: c = 0,5 cal/g/k = 2090 J/kg/K.
Nous avons vu que pour les paliers d’équilibre de phases, la
température était stationnaire. L’apport d’énergie extérieure est
nécessaire pour la restructuration du corps pur (il y a plus
d’énergie interne dans le liquide que dans le solide...)
Pour qu’il fusionne, il faut donc communiquer à l’échantillon de la
chaleur, de façon proportionnelle à sa masse, :
Q = m LF
Le coefficient LF est nommé chaleur latente de fusion. Pour la
glace: LF = 79,7 cal/g = 3,33 105 J/kg.
4ième édition_____________________________________
Patrick HOFFMANN
Thermodynamique - Phases de la matière
15
De même pour le passage de l’état liquide à l’état gazeux:
Q = m LV
Le coefficient LV est nommé chaleur latente de vaporisation. Pour
l’eau/vapeur à la pression atmosphérique:
LV = 540 cal/g = 2,25 106 J/kg .
Ce coefficient varie beaucoup avec la température et lorsque:
T → TC ⇒ L V → 0
(cal/kg) LV
Pour l'eau / vapeur
600
400
200
374°c
0°c
200
x
300
400
500
600
x
TV
700
(K)
Le passage direct de l’état solide à l’état gazeux est nommé
sublimation, il obéit à une loi similaire:
Q = m LS
Le coefficient LS est nommé chaleur latente de sublimation.
4ième édition_____________________________________
Patrick HOFFMANN
Thermodynamique - Phases de la matière
16
On peut remarquer que pour le point triple:
LS = LF + LV
Pour la glace/eau/vapeur: LS = 675cal/g
Nous pouvons déduire rigoureusement ces chaleur latentes à
l’aide de la formule de CLAPEYRON:
(u
L=T
2
− u1 )
dP
dT
u2 et u1 sont les volume massique des substances
Erreur !est la pente donnée par:
P
déduction de la pente: dP
dT
C
Solide
Liquide
J
(point triple)
Gaz
T
4ième édition_____________________________________
Patrick HOFFMANN