Glossaire

phase

  Curieux  

Le terme de phase est employé dans de nombreux contextes différents, avec toujours l'idée d'un élément gardant une nature unique, mais capable d'évoluer en adoptant des aspects successifs. Parmi ces contextes, la chimie s'intéresse à l'état matériel — solide, liquide ou gazeux — d'un corps se présentant comme un ensemble homogène, dont toute partie, aussi petite soit-elle, présente donc la même masse volumique, la même composition chimique et éventuellement la même répartition moléculaire. Un tel corps peut être soit un corps simple constitué d'un seul élément chimique — par exemple de l'oxygène diatomique O 2 à l'état gazeux — , soit un corps pur combinant plusieurs éléments chimiques — par exemple de l'eau pure H 2 O à l'état liquide — , soit un mélange homogène de corps purs — par exemple un alliage de laiton associant du cuivre Cu et du zinc Zn à l'état solide. Des phases différentes d'un corps peuvent également correspondre à des variétés allotropiques qui, bien qu'étant dans le même état matériel, se distinguent entre elles par leurs structures atomiques : c'est par exemple le cas du graphite et du diamant, qui sont deux phases solides du carbone C.

Lorsqu'un corps chimique se présente comme un volume matériel solide, liquide ou gazeux limité par une interface avec un milieu extérieur (soit le vide, soit le même corps sous une autre phase, soit un autre corps), un apport ou une perte d'énergie par rapport à ce milieu peuvent provoquer un changement de phase (ou une transition de phase ) de ce corps, qui d'ailleurs retentit en général sur les caractéristiques physico-chimiques du milieu adjacent. En météorologie, les changements de phase essentiels sont bien sûr ceux de l'eau atmosphérique ou superficielle. Ces transitions constituent des cas particuliers des six changements d'état possibles, dont les dénominations usuelles sont malheureusement fort embrouillées ; en effet :

  • La solidification (qui a pour exact synonyme la congélation) désigne le passage à l'état solide d'un fluide, lequel peut donc être un liquide, mais aussi un gaz devenant directement solide : dans ce dernier cas, mieux vaut dire condensation solide ;
  • La liquéfaction qualifie le passage à l'état liquide et peut donc concerner un gaz, mais aussi un solide : dans ce dernier cas, mieux vaut parler de  fusion ;
  • La condensation est le changement d'état d'un gaz : là encore, dans le cas d'un passage direct à l'état solide, mieux vaut préciser explicitement "condensation solide". (Notons que "liquéfaction" et "condensation" ont le même sens, celui de la condensation liquide, pour le passage d'un gaz à l'état liquide.) ;
  • La vaporisation est le passage de l'état liquide à l'état gazeux. Mais on emploie beaucoup plus fréquemment le terme évaporation, désignant la vaporisation à la surface du liquide par opposition à la vaporisation en profondeur ou ébullition ;
  • La sublimation est le passage direct de l'état solide à l'état gazeux. C'est, avec "fusion", le seul terme usuel dépourvu d'ambiguïté.

Désignons alors par L LG , L GL , L SL , L LS , L SG et L GS les quantités de chaleur, ou chaleurs latentes — mesurables en joules par kilogramme — , qui doivent être apportées à l'unité de masse d'une phase d'un corps pur à température constante pour en effectuer respectivement la vaporisation, la condensation, la fusion, la congélation, la sublimation et la condensation solide : les transitions réclament un apport d'énergie dans le cas de L LG , L SL et L SG , qui sont donc positives et ont respectivement pour opposées les quantités négatives L GL , L LS et L GS ; de plus, on a L SG = L SL + L LG . À 0 °C , la chaleur latente de vaporisation , la chaleur latente de fusion et la chaleur latente de sublimation de l'eau admettent ainsi les valeurs respectives L LG = 2,501.10 6 J.kg - 1 , L SL = 0,334.10 6 J.kg - 1 et L SG = 2,834.10 6 J.kg - 1 .


  Initié  

Le diagramme de phases de l'eau

Un corps pur, dans un espace donné, peut se trouver dans une, deux ou trois des phases gazeuse, liquide et solide, de façon telle que les sous-espaces où il apparaît éventuellement dans deux phases distinctes sont séparés l'un de l'autre par des surfaces bien définies. La température absolue T et la pression p du corps pur sont les paramètres décrivant son état, et suivant les valeurs que prennent ces deux grandeurs, cet état sera précisé grâce à un point M de coordonnées T , p situé dans un diagramme reportant T en abscisses à partir de 0 K et p en ordonnées à partir de 0 hPa : ainsi se dessinent sur ce diagramme de phases (ou de phase ), entre les deux demi-axes, trois zones continues et adjacentes rassemblant respectivement les valeurs de T et p pour lesquelles le corps pur évolue vers les phases solide, liquide et gazeuse ; les zones des phases solide et liquide (resp. solide et gazeuse, liquide et gazeuse) sont séparées par une courbe appelée courbe de fusion (resp. de sublimation, de vaporisation), dont les points ont une température et une pression correspondant à un état d'équilibre entre les deux phases concernées, et ces trois courbes convergent au point triple M T où les trois phases du corps pur coexistent à l'état d'équilibre. La courbe de vaporisation ne peut se prolonger au-delà d'un point M C appelé le point critique : à une température supérieure à celle de M C, il deviendra impossible de liquéfier par compression le corps pur quand il est à l'état gazeux.

Considérons le cas où une masse unité du corps pur en phase 1 a une température T et une pression p ( T ) correspondant à la courbe d'équilibre entre la phase 1 et une phase 2 : pour passer de la phase initiale 1 à la phase finale 2, cette masse doit recevoir de la phase 2 une quantité (algébrique) de chaleur latente L 1, 2 ; en même temps, son volume passe de V 1 à V 2. La formule de Clapeyron (d'après le nom d'Émile Clapeyron [1799-1864], ingénieur et physicien français) permet alors d'exprimer la valeur de L 1, 2 sous la forme

L 1, 2 = T ( V 2 - V 1 ) dp ( T ) / dT

où la dérivée dp ( T ) / dT mesure la pente de la courbe d'équilibre entre l'état 1 et l'état 2 au point M de coordonnées T , p ( T ) de cette courbe. Dans le cas du passage du solide au liquide, qui s'accompagne généralement d'une augmentation de volume, cette pente est positive ; mais l'eau, dont la densité est plus élevée à l'état liquide qu'à celui de glace, fait exception, et la température du point de fusion y diminue quand la pression augmente : elle est par exemple de 273,15 °C à 1 013,25 hPa et de 273,16 °C au point triple, qui est associé à une pression de 6,11 hPa (le point critique de l'eau a quant à lui pour coordonnées approximatives 374 °C et 221.10 3 hPa). En fait, tant que la pression n'est pas trop élevée, la pente de la courbe de fusion de l'eau est quasiment une constante (négative), de valeur absolue un peu supérieure à 10 5 hPa / °C : c'est dire que depuis la surface du sol jusqu'à la turbopause, on peut considérer que la température de fusion de la glace dans l'atmosphère est égale à 0 °C indépendamment de la pression. Notons enfin que dans le cas de la chaleur latente de vaporisation de l'eau L LG , l'équation d'état des gaz parfaits appliquée au volume V G - V L = 1 / ρ v de la masse unité d'eau vaporisée, de masse volumique ρ v , s'écrit e w ( T ) = ρ v R v T , où e w ( T ) est la pression de vapeur saturante à la température T et R v , une constante spécifique de la vapeur d'eau : l'association de cette égalité à la formule de Clapeyron aboutit alors à l'équation de Clausius-Clapeyron (d'après les noms de Rudolf Clausius [1822-1888], physicien allemand, et de Clapeyron),

[1 / e w ( T )] de w ( T ) / dT = L LG / ( R v T 2 )

qui permet de proposer des expressions pratiques de e w ( T ) en fonction de la température T.