Sciences des matériaux 1

Sciences des Matériaux

Chapitre 3:

Equilibre de phases et thermodynamique des solides

13/04/2023

Campus centre

13/04/2023 Sciences des matériaux 2

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.

Campus centre

13/04/2023 Sciences des matériaux 3

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

Campus centre

13/04/2023 4

Rappel

• Le tableau périodique:

Campus centre

13/04/2023 Sciences des matériaux 5

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.

Campus centre

13/04/2023 Sciences des matériaux 6

Les liaisons chimiques

• La liaison covalente • La liaison ionique • La liaison métallique• La liaison faible ou secondaire • Le caractère mixte des liaisons

Campus centre

13/04/2023 Sciences des matériaux 7

Les liaisons chimiques Campus centre

13/04/2023 Sciences des matériaux 8

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.

Campus centre

13/04/2023 9

Les phases Campus centre

• 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 pure gazeuse

Substance pure solide

Mélange homogène gazeux

Mélange homogène liquide

Substance pure liquide

Mélange hétérogène solide

13/04/2023 Sciences des matériaux 10

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.

Campus centre

13/04/2023 Sciences des matériaux 11

Diagramme de phasesCampus centre

Exemple: eau et sel

13/04/2023 Sciences des matériaux 12

Les transitions entre les phasesCampus centre

13/04/2023 Sciences des matériaux 13

Les transitions entre les phasesCampus centre

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.

13/04/2023 Sciences des matériaux 14

Diagramme de phase d’un corps pur

Campus centre

Température (°C)

Pression (kPa)

Point triple

Point critique

Solide Liquide Gaz

13/04/2023 Sciences des matériaux 15

Diagramme de phase d’un corps pur

Campus centre

Température (°C)

Pression (kPa)

100

200

300

400

-100 0 100 200 300

Liquide

Solide Gaz

Etat physique:

13/04/2023 Sciences des matériaux 16

Diagramme de phase d’un corps pur

Campus centre

Température (°C)

Pression (kPa)

100

200

300

400

-100 0 100 200 300

Liquide

Solide Gaz

Température de changement de phase:

13/04/2023 Sciences des matériaux 17

Diagramme de phase d’un mélange binaire

Campus centre

• 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.

13/04/2023 Sciences des matériaux 18

Diagrammes à miscibilité complèteCampus centre

13/04/2023 Sciences des matériaux 19

Dans certains cas, les deux éléments forment une solution solide de même structure cristalline, au paramètre de maille près. C'est le cas siles 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.

13/04/2023 Sciences des matériaux 20

Diagramme à miscibilité partielleCampus centre

13/04/2023 Sciences des matériaux 21

Diagramme à miscibilité partielle

Campus centre