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                  Sciences des Matériaux

                         Chapitre 3:

             Equilibre de phases et thermodynamique
                            des solides




18/03/2013                Sciences des matériaux      1
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                  Rappel
• L'atome est la « brique élémentaire » de la
  matière.
• Un matériau est donc composé d'atomes.
• On dénombre une centaine d'atomes
  différents, une centaine d'éléments.
• Atome, ses propriétés, leur organisation pour
  former la matière      permet de comprendre
  les principales propriétés des différents
  matériaux.
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                                Rappel
• Corps pur: corps ne pouvant pas être décomposé selon les techniques
  physiques : décantation (laisser un liquide reposer), filtration, distillation
  (chauffer un liquide pour l'évaporer)
• Molécule: plus petite quantité d'un corps pur
• Corps simple: corps pur ne pouvant pas être décomposé selon les
  techniques chimiques : précipitation, dissolution (décomposition par un
  liquide, par exemple l'eau, l'alcool, un acide), pyrolyse (décomposition par
  la chaleur), électrolyse (décomposition par l'électricité)
• Atome : plus petite quantité d'un corps simple ; une molécule de corps
  simple peut se composer de plusieurs atomes identiques
• Élément : ensemble d'atomes tous identiques




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                   Rappel
• Le tableau périodique:




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                                           Rappel
• On distingue deux grandes catégories d'éléments : les métaux
  et les non-métaux. La séparation est une ligne diagonale
  allant du bore au polonium.

• L'hydrogène, aux très fortes pressions, cristallise et forme un
  métal, mais ce phénomène n'ayant pas lieu dans les
  conditions habituelles sur Terre, il n'est habituellement pas
  considéré comme un métal.

•    Pour fixer les idées sur l'abondance des éléments :
       – l’élément le plus répandu dans l’Univers est l’hydrogène (étoiles et hydrogène interstellaire) ;
       – l’oxygène et le silicium sont les éléments les plus répandus sur Terre (roches) ;
       – le cœur de la Terre, le noyau terrestre, est composé de fer (80 %) et de nickel.
18/03/2013                                  Sciences des matériaux                                          5
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                 Les liaisons chimiques
•    La liaison covalente
•    La liaison ionique
•    La liaison métallique
•    La liaison faible ou secondaire
•    Le caractère mixte des liaisons




18/03/2013              Sciences des matériaux   6
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                 Les liaisons chimiques




18/03/2013              Sciences des matériaux   7
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                     Equilibre de phases et
                 thermodynamique des solides
•  La matière change d'état selon la pression
 et la température.
• Par exemple, l'eau pure sous pression
 atmosphérique est sous forme de glace en
 dessous de 0 °C et sous forme de vapeur au
 dessus de 100 °C ; le phénomène est un peu
 plus complexe puisque l'eau peut s'évaporer à
 température ambiante, mais on n'a jamais
 d'eau liquide au dessus de 100 °C.

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                                Les phases
• Les substances se présentent sous trois états physiques
  distincts : la phase gazeuse, la phase liquide et la phase solide.
• Les trois phases se distinguent par l’espacement et la
  mobilité des molécules.




          Substance           Mélange      Substance pure      Mélange
         pure gazeuse      homogène gazeux     liquide      homogène liquide




  18/03/2013                                                               9
                   Substance pure solide   Mélange hétérogène solide
Campus centre
                     Equilibre de phases et
                 thermodynamique des solides
•     On s’intéresse aux changements solide-liquide, mais
     aussi les transformations à l'état solide, toujours sous
     pression atmosphérique.

• Nous ne prendrons en compte que la température et la
  composition chimique de la matière.

• Diagramme de phases: c’est un diagramme d’équilibre
  les variations de température
  sont infinies est lentes.

18/03/2013                 Sciences des matériaux          10
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                 Diagramme de phases
    Exemple: eau et sel




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                 Les transitions entre les phases




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                  Les transitions entre les phases
L'état d'équilibre d'un corps pur est déterminé par le triplet
(p, V, T) ou encore un point dans l'espace; l'ensemble des états
d'équilibre forme alors une surface.




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                   Diagramme de
                 phase d’un corps pur
                 Pression (kPa)
                                                   Point critique



                    Solide          Liquide              Gaz




                               Point triple

                             Température (°C)

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                     Diagramme de
                   phase d’un corps pur
Etat physique:
                         Pression (kPa)


                   400                      Liquide

                   300
                                                             Gaz
                           Solide
                   200

                   100


                     -100      0           100 200 300
                                             Température (°C)
  18/03/2013                        Sciences des matériaux         15
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                        Diagramme de
                      phase d’un corps pur
Température de changement de phase:
                                       Pression (kPa)


                                400                            Liquide

                                300
                                                                              Gaz
                                           Solide
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                                                                 Température (°C)

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                  Diagramme de phase
                  d’un mélange binaire
 • Il existe une multitude de cas possibles, mais nous n'en verrons
 que les trois principaux :

        • Diagramme à fuseau unique, dit « à miscibilité complète » ;
        • Diagramme à eutectique unique ;
        • Diagramme à eutectique et à eutectoïde.




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Diagrammes à
 Campus centre
                 miscibilité complète




18/03/2013             Sciences des matériaux   18
Dans certains cas, les deux éléments forment une solution solide de même
structure cristalline, au paramètre de maille près. C'est le cas si
les éléments pur cristallisent dans le même réseau ;
ont des rayons atomiques proches (écart inférieur à 15 %) ;
et ont des propriétés physiques et chimiques proches, en particulier des
électronégativités (capacité à attirer les électrons) proches.




   18/03/2013                  Sciences des matériaux                19
Diagramme à
 Campus centre
                 miscibilité partielle




18/03/2013             Sciences des matériaux   20
Campus centre
                   Diagramme à
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Chapitre 2 matériaux

  • 1. Campus centre Sciences des Matériaux Chapitre 3: Equilibre de phases et thermodynamique des solides 18/03/2013 Sciences des matériaux 1
  • 2. Campus centre Rappel • L'atome est la « brique élémentaire » de la matière. • Un matériau est donc composé d'atomes. • On dénombre une centaine d'atomes différents, une centaine d'éléments. • Atome, ses propriétés, leur organisation pour former la matière permet de comprendre les principales propriétés des différents matériaux. 18/03/2013 Sciences des matériaux 2
  • 3. Campus centre Rappel • Corps pur: corps ne pouvant pas être décomposé selon les techniques physiques : décantation (laisser un liquide reposer), filtration, distillation (chauffer un liquide pour l'évaporer) • Molécule: plus petite quantité d'un corps pur • Corps simple: corps pur ne pouvant pas être décomposé selon les techniques chimiques : précipitation, dissolution (décomposition par un liquide, par exemple l'eau, l'alcool, un acide), pyrolyse (décomposition par la chaleur), électrolyse (décomposition par l'électricité) • Atome : plus petite quantité d'un corps simple ; une molécule de corps simple peut se composer de plusieurs atomes identiques • Élément : ensemble d'atomes tous identiques 18/03/2013 Sciences des matériaux 3
  • 4. Campus centre Rappel • Le tableau périodique: 18/03/2013 4
  • 5. Campus centre Rappel • On distingue deux grandes catégories d'éléments : les métaux et les non-métaux. La séparation est une ligne diagonale allant du bore au polonium. • L'hydrogène, aux très fortes pressions, cristallise et forme un métal, mais ce phénomène n'ayant pas lieu dans les conditions habituelles sur Terre, il n'est habituellement pas considéré comme un métal. • Pour fixer les idées sur l'abondance des éléments : – l’élément le plus répandu dans l’Univers est l’hydrogène (étoiles et hydrogène interstellaire) ; – l’oxygène et le silicium sont les éléments les plus répandus sur Terre (roches) ; – le cœur de la Terre, le noyau terrestre, est composé de fer (80 %) et de nickel. 18/03/2013 Sciences des matériaux 5
  • 6. Campus centre Les liaisons chimiques • La liaison covalente • La liaison ionique • La liaison métallique • La liaison faible ou secondaire • Le caractère mixte des liaisons 18/03/2013 Sciences des matériaux 6
  • 7. Campus centre Les liaisons chimiques 18/03/2013 Sciences des matériaux 7
  • 8. Campus centre Equilibre de phases et thermodynamique des solides • La matière change d'état selon la pression et la température. • Par exemple, l'eau pure sous pression atmosphérique est sous forme de glace en dessous de 0 °C et sous forme de vapeur au dessus de 100 °C ; le phénomène est un peu plus complexe puisque l'eau peut s'évaporer à température ambiante, mais on n'a jamais d'eau liquide au dessus de 100 °C. 18/03/2013 Sciences des matériaux 8
  • 9. Campus centre Les phases • Les substances se présentent sous trois états physiques distincts : la phase gazeuse, la phase liquide et la phase solide. • Les trois phases se distinguent par l’espacement et la mobilité des molécules. Substance Mélange Substance pure Mélange pure gazeuse homogène gazeux liquide homogène liquide 18/03/2013 9 Substance pure solide Mélange hétérogène solide
  • 10. Campus centre Equilibre de phases et thermodynamique des solides • On s’intéresse aux changements solide-liquide, mais aussi les transformations à l'état solide, toujours sous pression atmosphérique. • Nous ne prendrons en compte que la température et la composition chimique de la matière. • Diagramme de phases: c’est un diagramme d’équilibre les variations de température sont infinies est lentes. 18/03/2013 Sciences des matériaux 10
  • 11. Campus centre Diagramme de phases Exemple: eau et sel 18/03/2013 Sciences des matériaux 11
  • 12. Campus centre Les transitions entre les phases 18/03/2013 Sciences des matériaux 12
  • 13. Campus centre Les transitions entre les phases L'état d'équilibre d'un corps pur est déterminé par le triplet (p, V, T) ou encore un point dans l'espace; l'ensemble des états d'équilibre forme alors une surface. 18/03/2013 Sciences des matériaux 13
  • 14. Campus centre Diagramme de phase d’un corps pur Pression (kPa) Point critique Solide Liquide Gaz Point triple Température (°C) 18/03/2013 Sciences des matériaux 14
  • 15. Campus centre Diagramme de phase d’un corps pur Etat physique: Pression (kPa) 400 Liquide 300 Gaz Solide 200 100 -100 0 100 200 300 Température (°C) 18/03/2013 Sciences des matériaux 15
  • 16. Campus centre Diagramme de phase d’un corps pur Température de changement de phase: Pression (kPa) 400 Liquide 300 Gaz Solide 200 100 -100 0 100 200 300 Température (°C) 18/03/2013 Sciences des matériaux 16
  • 17. Campus centre Diagramme de phase d’un mélange binaire • Il existe une multitude de cas possibles, mais nous n'en verrons que les trois principaux : • Diagramme à fuseau unique, dit « à miscibilité complète » ; • Diagramme à eutectique unique ; • Diagramme à eutectique et à eutectoïde. 18/03/2013 Sciences des matériaux 17
  • 18. Diagrammes à Campus centre miscibilité complète 18/03/2013 Sciences des matériaux 18
  • 19. Dans certains cas, les deux éléments forment une solution solide de même structure cristalline, au paramètre de maille près. C'est le cas si les éléments pur cristallisent dans le même réseau ; ont des rayons atomiques proches (écart inférieur à 15 %) ; et ont des propriétés physiques et chimiques proches, en particulier des électronégativités (capacité à attirer les électrons) proches. 18/03/2013 Sciences des matériaux 19
  • 20. Diagramme à Campus centre miscibilité partielle 18/03/2013 Sciences des matériaux 20
  • 21. Campus centre Diagramme à miscibilité partielle 18/03/2013 Sciences des matériaux 21