Phase (mati??re)
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Dans les sciences physiques , une phase est une ensemble des ??tats d'un syst??me physique macroscopique qui ont composition chimique relativement uniforme et les propri??t??s physiques (ce est ?? dire de la densit?? , la structure cristalline, indice de r??fraction, et ainsi de suite).
Phases vs ??tats de la mati??re
Phases sont parfois confondus avec ??tats de la mati??re, mais il ya des diff??rences significatives. ??tats de la mati??re fait r??f??rence aux diff??rences entre les gaz , liquides , solides , plasma , etc. Se il ya deux r??gions dans un syst??me chimique qui sont diff??rents ??tats de la mati??re, alors ils doivent ??tre diff??rentes phases. Toutefois, l'inverse ne est pas vrai - un syst??me peut comporter plusieurs phases qui sont en ??quilibre les uns avec les autres et ??galement dans le m??me ??tat de la mati??re. Cette diff??rence est particuli??rement important lorsque l'on consid??re le La r??gle des phases de Gibbs, qui r??git le nombre de permis phases.
Les m??langes peuvent avoir plusieurs phases, qui se produit souvent lorsque deux substances non miscibles se dissolvent dans l'autre en petites quantit??s. Par exemple, un m??lange peut ??tre compos?? d'une phase huileuse (huile de 95%, 5% d'eau) et une phase aqueuse (95% d'eau, 5% d'huile).
Le polymorphisme est la capacit?? d'un solide ?? exister sous plus d'une forme cristalline. Par exemple, l'eau glac??e est habituellement trouv?? dans la forme hexagonale Glace Ih, mais peut aussi exister en tant que cube glace Ic, le rhombo??drique glace II, et bien d'autres formes.
Phases amorphes sont ??galement possibles avec la m??me mol??cule, tels que glace amorphe. Dans ce cas, le ph??nom??ne est connu sous le nom polyamorphisme.
Pour les ??l??ments chimiques purs, le polymorphisme est connu comme allotropie . Par exemple, diamant , graphite, et fuller??nes sont diff??rents allotropes de carbone .
D??finition g??n??rale de phases
En g??n??ral, les deux ??tats diff??rents d'un syst??me sont dans des phases diff??rentes se il existe un changement brusque de leurs propri??t??s physiques tout en transformant d'un ??tat ?? l'autre. Inversement, deux ??tats sont dans la m??me phase si elles peuvent ??tre transform??es en une autre sans modifications brutales. Il ya cependant des exceptions ?? cette d??claration - par exemple, le point critique gaz-liquide discut?? ci-dessous dans la section diagrammes de phases.
Un point important est que les diff??rents types de phases sont associ??es ?? diff??rentes qualit??s physiques. Lors de la discussion du solide, liquide et gazeux phases, nous avons parl?? de la rigidit?? et de la compressibilit??, et les effets de la variation de la pression et le volume, parce que ce sont les propri??t??s qui distinguent une pertinentes, un liquide solide et un gaz. D'autre part, lors de la discussion paramagn??tisme et ferromagn??tisme, nous regardons l'aimantation, parce que ce est ce qui distingue la phase ferromagn??tique de la phase paramagn??tique. Plusieurs autres exemples de phases seront donn??s dans la section suivante.
En plus le langage technique, une phase est une r??gion dans le param??tre espace de variables thermodynamiques dans lesquels le ??nergie libre est analytique; entre ces r??gions il ya des changements brusques dans les propri??t??s du syst??me, qui correspondent ?? des discontinuit??s dans les d??riv??es de la fonction d'??nergie libre. Tant que l'??nergie libre est analytique, toutes les propri??t??s thermodynamiques (par exemple, l'entropie , la capacit?? thermique, magn??tisation, et compressibilit??) sera bien comport??s, parce qu'ils peuvent ??tre exprim??s en termes de l'??nergie libre et de ses d??riv??s . Par exemple, l' entropie est le n??gatif de la d??riv??e premi??re de l'??nergie libre avec la temp??rature (?? pression constante).
Lorsqu'un syst??me passe d'une phase ?? l'autre, il y aura g??n??ralement un stade o?? l'??nergie libre est non-analytique. C'est un transition de phase. En raison de cette non-analyticit??, les ??nergies libres de chaque c??t?? de la transition sont deux fonctions diff??rentes, donc un ou plusieurs propri??t??s thermodynamiques se comporteront de mani??re tr??s diff??rente apr??s la transition. La propri??t?? la plus commun??ment examin?? dans ce contexte est la la capacit?? calorifique. Pendant une transition, la capacit?? de chaleur peut devenir infinie, sauter brusquement ?? une valeur diff??rente, ou pr??senter un "coude" ou une discontinuit?? dans son d??riv?? . Voir ??galement la calorim??trie diff??rentielle ?? balayage.
Les diagrammes de phase
Les diff??rentes phases d'un syst??me peuvent ??tre repr??sent??es au moyen d'un diagramme de phase. Les axes des diagrammes sont les variables thermodynamiques concern??s. Pour les syst??mes m??caniques simples, nous utilisons g??n??ralement le la pression et la temp??rature .
Les marques sur le diagramme de phase montrent les points o?? l'??nergie libre est non-analytique. Les espaces ouverts, o?? l'??nergie libre est analytique, correspondent aux phases. Les phases sont s??par??es par des lignes de non-analyticit??, o?? se produisent des transitions de phase, qui sont appel??s limites de phases.
Dans le diagramme, la limite de phase entre le liquide et le gaz ne continue pas ind??finiment. Au lieu de cela, elle se termine ?? un point sur le diagramme de phase appel??e point critique. A des temp??ratures et la pression au-dessus du point critique, les diff??rences de propri??t??s physiques qui diff??rencient la phase liquide de la phase de gaz deviennent moins d??finies. Cela refl??te le fait que, ?? des temp??ratures et pressions extr??mement ??lev??es, les phases liquide et gazeuse deviennent indiscernables. Dans l'eau, le point critique se produit ?? environ 647 K (374 ?? C ou 705 ?? F) et 22,064 MPa.
L'existence du point critique gaz-liquide r??v??le une l??g??re ambigu??t?? dans nos d??finitions ci-dessus. Lors du passage de liquide ?? la phase gazeuse, on traverse habituellement la limite de phase, mais il est possible de choisir un chemin qui ne traverse la fronti??re en allant vers la droite du point critique. Ainsi, les phases peuvent parfois se fondre en continu dans l'autre. Cette nouvelle phase qui a des propri??t??s qui sont similaires ?? un liquide et certaines propri??t??s qui sont similaires ?? un gaz est appel??e fluide supercritique. Il faut noter, cependant, que cela ne se produit pas toujours. Par exemple, il est impossible de la limite de phase solide-liquide se termine ?? un point critique de la m??me mani??re que la limite gaz-liquide, car les phases solide et liquide ont diff??rentes sym??trie.
Une chose int??ressante ?? noter est que la limite de phase solide-liquide dans le diagramme de phase de la plupart des substances, telles que celle repr??sent??e ci-dessus, a une pente positive. Cela est d?? ?? la phase solide ayant une densit?? sup??rieure ?? celle du liquide, de sorte que l'augmentation de la pression augmente la temp??rature de fusion. Toutefois, dans le diagramme de phases pour l'eau de la limite de phase solide-liquide a une pente n??gative. Cela refl??te le fait que la glace pr??sente une densit?? inf??rieure ?? l'eau, qui est une propri??t?? inhabituelle pour un mat??riau.
La s??paration des phases
La s??paration de phase est la transformation d'un syst??me homog??ne en deux (ou plus) et de phases couramment rencontr?? dans de nombreuses branches de la science et de la technologie. Un exemple est le cristallisation d'un solide ?? partir d'une solution. Un mod??le math??matique universel de s??paration de phase est fourni par le ??quation de Cahn-Hilliard.
Phase ??quilibre
La distribution de l'??nergie cin??tique entre les mol??cules ne est pas uniforme, et il change de mani??re al??atoire. Cela signifie que, disons, ?? la surface d'un liquide, il peut ??tre une mol??cule individuelle avec assez d'??nergie cin??tique pour passer dans la phase gazeuse. De m??me, les mol??cules de gaz individuels peuvent avoir assez d'??nergie cin??tique faible pour rejoindre d'autres mol??cules dans la phase liquide. Ce ph??nom??ne signifie que, ?? ne importe quelle temp??rature et une pression donn??es, de multiples phases peuvent coexister.
Par exemple, dans conditions normales de temp??rature et de pression, un bol d'eau liquide dans l'air sec se ??vaporent jusqu'?? ce que le la pression partielle de l'eau gazeuse est ??gale ?? la la pression de vapeur d'eau. A ce stade, le taux de mol??cules quittant et entrant dans la phase liquide est le m??me (?? cause de l'augmentation du nombre de mol??cules d'eau gazeux disponible pour re-condenser). Le fait que les mol??cules de liquide avec une ??nergie cin??tique sup??rieure ?? la moyenne ont ??t?? retir??s ?? partir des r??sultats de bol en refroidissement par ??vaporation. Des proc??d??s similaires peuvent se produire sur d'autres types de limites de phases.
Gibbs ' r??gle de phase concerne le nombre de phases possibles, les variables telles que la temp??rature et la pression, et si oui ou non un ??quilibre sera atteint.
Transition de phase
Un transition de phase ou, changement de phase, d??crit quand une substance change d'??tat de la mati??re - ex. fusion de la glace ?? l'eau est un changement de phase ?? cause d'un solide ?? un liquide modifi??. Pour un changement de phase se produise, l'??nergie doit ??tre ajout?? ou retir?? de la substance. L'??nergie calorifique ou enthalpie associ??e ?? l'??tat solide ?? liquide transition est le enthalpie de fusion, que pour le liquide au gaz est la enthalpie de vaporisation, et solide au gaz est la la chaleur de sublimation. Normalement ajoutant ou en enlevant de l'??nergie va changer la temp??rature de la substance que l'??nergie cin??tique des particules augmentera ou diminuera. Lors d'un changement de phase cependant, l'??nergie potentielle des changements de substance que les particules sont d??plac??es plus ??loign??s ou rapproch??s. Il n'y a aucune variation de l'??nergie cin??tique des particules et par cons??quent aucun changement r??sultant de la temp??rature.
