Une section importante de la thermodynamique est l'étude des transformations entre les différentes phases d'une substance, car ces processus se produisent dans la pratique et sont d'une importance fondamentale pour prédire le comportement d'un système dans certaines conditions. Ces transformations sont appelées transitions de phase, auxquelles l'article est dédié.
Le concept d'une phase et d'un composant système
Avant de passer à l'examen des transitions de phase en physique, il est nécessaire de définir le concept de la phase elle-même. Comme on le sait du cours de physique générale, il existe trois états de la matière: gazeux, solide et liquide. Dans une section spéciale de la science - en thermodynamique - les lois sont formulées pour les phases de la matière, et non pour leurs états d'agrégation. Une phase est comprise comme un certain volume de matière qui a une structure homogène, est caractérisée par des propriétés physiques et chimiques spécifiques et est séparée du reste de la matière par des frontières, appelées interphase.
Ainsi, le concept de "phase" contient des informations beaucoup plus significatives en pratique sur les propriétésmatière que son état d'agrégation. Par exemple, l'état solide d'un métal tel que le fer peut être dans les phases suivantes: cubique centré sur le corps magnétique à basse température (BCC), bcc non magnétique à basse température, cubique à faces centrées (fcc) et à haute température. température non magnétique bcc.
En plus du concept de "phase", les lois de la thermodynamique utilisent également le terme "composants", qui désigne le nombre d'éléments chimiques qui composent un système particulier. Cela signifie que la phase peut être monocomposant (1 élément chimique) ou multicomposant (plusieurs éléments chimiques).
Théorème de Gibbs et équilibre entre les phases du système
Pour comprendre les transitions de phase, il est nécessaire de connaître les conditions d'équilibre entre elles. Ces conditions peuvent être obtenues mathématiquement en résolvant le système d'équations de Gibbs pour chacune d'entre elles, en supposant que l'état d'équilibre est atteint lorsque l'énergie totale de Gibbs du système isolé de toute influence extérieure cesse de changer.
À la suite de la résolution du système d'équations indiqué, les conditions sont obtenues pour l'existence d'un équilibre entre plusieurs phases: un système isolé ne cessera d'évoluer que lorsque les pressions, les potentiels chimiques de chaque composant et les températures dans toutes les phases sont égaux les uns aux autres.
Règle de phase de Gibbs pour l'équilibre
Un système composé de plusieurs phases et composants peut être en équilibre non seulementsous certaines conditions, par exemple, à une température et une pression spécifiques. Certaines des variables du théorème de Gibbs pour l'équilibre peuvent être modifiées tout en maintenant à la fois le nombre de phases et le nombre de composants qui sont dans cet équilibre. Le nombre de variables qui peuvent être modifiées sans perturber l'équilibre du système est appelé le nombre de libertés de ce système.
Le nombre de libertés l d'un système composé de f phases et de k composants est déterminé de manière unique à partir de la règle de phase de Gibbs. Cette règle s'écrit mathématiquement comme suit: l + f=k + 2. Comment travailler avec cette règle ? Très simple. Par exemple, on sait que le système est constitué de f=3 phases d'équilibre. Quel est le nombre minimum de composants qu'un tel système peut contenir ? Vous pouvez répondre à la question en raisonnant comme suit: dans le cas de l'équilibre, les conditions les plus strictes existent lorsqu'il n'est réalisé qu'à certains indicateurs, c'est-à-dire qu'une modification de tout paramètre thermodynamique entraînera un déséquilibre. Cela signifie que le nombre de libertés l=0. En substituant les valeurs connues de l et f, nous obtenons k=1, c'est-à-dire qu'un système dans lequel trois phases sont en équilibre peut être constitué d'un seul composant. Un excellent exemple est le point triple de l'eau, où la glace, l'eau liquide et la vapeur existent en équilibre à des températures et des pressions spécifiques.
Classification des transformations de phase
Si vous commencez à modifier certains paramètres thermodynamiques dans un système en équilibre, vous pouvez observer comment une phase disparaîtra et une autre apparaîtra. Un exemple simple de ce processus est la fonte de la glace lorsqu'elle est chauffée.
Étant donné que l'équation de Gibbs ne dépend que de deux variables (pression et température) et que la transition de phase implique un changement de ces variables, alors mathématiquement la transition entre les phases peut être décrite en différenciant l'énergie de Gibbs par rapport à sa variables. C'est cette approche qui a été utilisée par le physicien autrichien Paul Ehrenfest en 1933, lorsqu'il a compilé une classification de tous les processus thermodynamiques connus qui se produisent avec un changement d'équilibre de phase.
D'après les bases de la thermodynamique, il s'ensuit que la première dérivée de l'énergie de Gibbs par rapport à la température est égale à la variation de l'entropie du système. La dérivée de l'énergie de Gibbs par rapport à la pression est égale à la variation de volume. Si, lorsque les phases du système changent, l'entropie ou le volume subit une rupture, c'est-à-dire qu'ils changent brusquement, alors ils parlent d'une transition de phase du premier ordre.
De plus, les dérivées secondes de l'énergie de Gibbs par rapport à la température et à la pression sont respectivement la capacité calorifique et le coefficient de dilatation volumétrique. Si la transformation entre phases s'accompagne d'une discontinuité dans les valeurs des grandeurs physiques indiquées, on parle alors de transition de phase du second ordre.
Exemples de transformations entre phases
Il existe un grand nombre de transitions différentes dans la nature. Dans le cadre de cette classification, des exemples frappants de transitions du premier type sont les processus de fusion des métaux ou la condensation de la vapeur d'eau de l'air, lorsqu'il y a un saut de volume dans le système.
Si nous parlons de transitions de second ordre, des exemples frappants sont la transformation du fer d'un état magnétique à un état paramagnétique à une température768 ºC ou la transformation d'un conducteur métallique en un état supraconducteur à des températures proches du zéro absolu.
Équations décrivant les transitions de première espèce
En pratique, il est souvent nécessaire de savoir comment la température, la pression et l'énergie absorbée (libérée) changent dans un système lorsque des transformations de phase s'y produisent. Deux équations importantes sont utilisées à cette fin. Ils sont obtenus à partir de la connaissance des bases de la thermodynamique:
- La formule de Clapeyron, qui établit la relation entre la pression et la température lors des transformations entre les différentes phases.
- Formule de Clausius qui relie l'énergie absorbée (libérée) et la température du système lors de la transformation.
L'utilisation des deux équations n'est pas seulement pour obtenir des dépendances quantitatives de grandeurs physiques, mais aussi pour déterminer le signe de la pente des courbes d'équilibre sur les diagrammes de phase.
Équation pour décrire les transitions de seconde espèce
Les transitions de phase de 1ère et 2ème espèce sont décrites par des équations différentes, car l'application des équations de Clausius et de Clausius pour les transitions de second ordre conduit à une incertitude mathématique.
Pour décrire ce dernier, les équations d'Ehrenfest sont utilisées, qui établissent une relation entre les changements de pression et de température grâce à la connaissance des changements de capacité calorifique et du coefficient de dilatation volumétrique au cours du processus de transformation. Les équations d'Ehrenfest sont utilisées pour décrire les transitions conducteur-supraconducteur en l'absence de champ magnétique.
Importancediagrammes de phases
Les diagrammes de phases sont une représentation graphique des zones dans lesquelles les phases correspondantes existent en équilibre. Ces zones sont séparées par des lignes d'équilibre entre les phases. Les diagrammes de phase P-T (pression-température), T-V (température-volume) et P-V (pression-volume) sont souvent utilisés.
L'importance des diagrammes de phase réside dans le fait qu'ils vous permettent de prédire dans quelle phase le système se trouvera lorsque les conditions externes changeront en conséquence. Ces informations sont utilisées dans le traitement thermique de divers matériaux afin d'obtenir une structure aux propriétés souhaitées.
