1. Campus centre
Sciences des Matériaux
Chapitre 3:
Equilibre de phases et thermodynamique
des solides
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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.
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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
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4. Campus centre
Rappel
• Le tableau périodique:
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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.
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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
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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.
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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
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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.
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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)
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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.
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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.
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20. Diagramme à
Campus centre
miscibilité partielle
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21. Campus centre
Diagramme à
miscibilité partielle
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