Phase (thermodynamique)

En thermodynamique, on utilise la notion de phase pour distinguer les différents états possibles d'un système. Selon le contexte et les auteurs, le mot est utilisé pour désigner plusieurs choses, parfois de natures différentes, mais étroitement liées.

Un mélange d'eau et d'huile à l'équilibre est composé de deux phases distinctes.

Si un système thermodynamique est entièrement homogène, physiquement et chimiquement, on dit qu'il constitue une seule phase. Dans le cas contraire, on appelle phases ses parties homogènes. La décomposition d'un système en différentes phases peut évoluer au gré des transformations que le système subit. De manière générale, le processus par lequel un système ou une de ses parties se transforme d'une phase à une autre est appelé transition de phase.

Par extension, on utilise aussi le terme de phase pour désigner le domaine d'existence ou de stabilité d'une phase donnée dans l'espace des paramètres thermodynamiques. Cette approche permet de donner une définition mathématique plus précise à la notion de phase.

La notion de phase recoupe en partie la notion plus familière d'état de la matière. Les trois états usuels de la matière que sont le gaz, le liquide et le solide constituent en effet trois phases distinctes[1]. Les deux notions ne se confondent pas pour autant : un système composé de deux liquides non miscibles comme l'eau et l'huile est bien composé de deux phases différentes, bien qu'il soit dans un seul état (liquide).

Définitions

La phase comme substance

Landau et Lifschitz définissent les phases d'une substance comme ses états qui peuvent coexister simultanément à l'équilibre, tout en étant en contact direct[2].

Kubo définit une phase comme une substance physiquement et chimiquement homogène[3].

Greiner définit une phase comme une des parties homogènes d'un système hétérogène[4], étant entendu qu'un système homogène constitue une unique phase.

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)...

Il peut y 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.

La phase comme domaine de stabilité

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 abrupts dans les propriétés thermodynamiques.

Considérons un corps pur. Selon la pression et la température, ce corps pur peut être gazeux, liquide ou solide. 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 de silice).

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.

Toutes les propriétés thermodynamiques d'un système — l'entropie, la capacité thermique, la magnétisation, la compressibilité, etc. — peuvent être 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.

Notes et références
  1. On parle d'ailleurs fréquemment de « phase gazeuse », liquide ou solide
  2. Landau et Lifschitz 1994, p. 27
  3. Kubo 1968, p. 190
  4. Greiner 1995, p. 5

Voir aussi

Bibliographie
  • (en) R. Kubo, Thermodynamics, North-Holland Publishing Company,
  • (en) W. Greiner, L. Neise et H. Stöcker, Thermodynamics and Statistical Mechanics, Springer,
  • Lev Davidovič Landau, Evgenij Mihailovič Lifšic et Sergeï Medvedev (trad. S. Medvédev), Physique statistique, Moscou Paris, Éd. Mir Ellipses, coll. « Physique théorique. », , 4e éd., 592 p. (ISBN 978-2-7298-9463-4, BNF 35769669)

Articles connexes
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