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Un diagramme de phase est une représentation graphique des différents états d’équilibre thermodynamique d’un système dans différentes conditions. Ce type de graphique nous permet de prédire, entre autres, les phases présentes dans certaines conditions, ainsi que la proportion dans laquelle se trouve chaque phase et sa composition, dans le cas de mélanges binaires ou de mélanges plus complexes .
Types de diagrammes de phase
Diagrammes de phase à un seul composant (diagrammes de substance pure)
Ces diagrammes montrent les différentes phases ou états d’agrégation dans lesquels une substance pure peut se trouver à différentes valeurs de température et de pression. Ces diagrammes de phase peuvent devenir très complexes, en particulier dans la phase solide, où les conditions de température et de pression peuvent favoriser la formation de multiples structures cristallines différentes avec des propriétés nettement différentes .
La forme typique d’un diagramme de phases pour une substance pure est illustrée ci-dessous :
Deux exemples de diagrammes de phases typiques d’une substance pure sont ceux du carbone élémentaire et de l’hélium, qui sont illustrés dans la figure suivante. Le carbone , un non-métal , peut être présent dans différents allotropes solides (graphite et diamant) ; Il peut également se produire à l’état liquide et gazeux. Dans le cas de l’hélium, il s’agit d’un gaz difficilement liquéfiable.
Diagrammes de phase des systèmes binaires (diagrammes à deux composants)
Les diagrammes de phases binaires consistent en une représentation graphique des phases qui se forment à différentes températures ou à différentes pressions dans un système composé de deux composants (système binaire) en fonction de la composition totale du système (généralement représentée sur l’axe X) .
Selon les composants particuliers du mélange, ces systèmes peuvent donner lieu à différents types de diagrammes de phases. Dans certains de ces diagrammes, des phases séparées des composants purs sont formées dans différents états d’agrégation (solide, liquide ou gazeux), tandis que dans d’autres cas, des phases homogènes des deux composants sont formées.
Deux diagrammes de phases binaires sont présentés ci-dessous. Le premier est un exemple de système binaire qui forme un mélange eutectique, tandis que le second ne le fait pas.
Diagrammes de phase des systèmes ternaires (diagrammes de trois composants)
Dans ces diagrammes, un triangle est utilisé pour représenter, de chaque côté, la composition de chacun des trois systèmes binaires qui peuvent être formés entre trois composants. Tout point à l’intérieur du triangle représente un système ternaire de composition définie.
Dans ces cas, la concentration de chaque espèce doit être représentée, soit sous forme de fraction molaire ou de fraction massique (pour s’assurer que toutes les fractions totalisent 1), soit sous forme de pourcentage (pour s’assurer que la concentration totale totalise toujours 100 %). ).
Pour chaque composition possible du système, à température et pression fixes, la ou les phases présentes sont indiquées.
Construction d’un diagramme de phase
Le processus de construction d’un diagramme de phase peut être réalisé soit théoriquement, soit à partir d’informations expérimentales. Dans le premier cas, les équations thermodynamiques sont utilisées pour calculer l’état d’équilibre d’un système (que ce soit une substance pure, un mélange binaire ou un système ternaire) en fonction des propriétés du système et de sa composition. Sauf pour des systèmes relativement simples, cette approche est considérablement complexe et difficile à mettre en oeuvre.
D’un point de vue expérimental, les procédures utilisées pour construire des diagrammes de phase sont généralement similaires, quel que soit le type de diagramme de phase en question. Dans la plupart des cas, on cherche à partir d’un système dans un état initial bien défini du point de vue de sa composition et d’autres propriétés, et on l’observe d’une certaine manière (à l’œil nu ou par des techniques instrumentales).) quelle(s) phase(s) sont présentes. Faites ensuite varier progressivement certaines des propriétés du système, en gardant constantes toutes les autres propriétés, en prenant note de tout changement d’état et des conditions dans lesquelles ce changement d’état s’est produit.
Construction de diagrammes de corps purs
Dans le cas des corps purs , on fixe généralement une pression puis on fait varier la température, représentant les points de changement de phase à la hauteur de la pression correspondante sur le diagramme. Ensuite, la pression est modifiée et le processus est répété. L’union des points où se produisent les changements de phase et les intersections entre les courbes résultantes permettent la construction du diagramme de phase, indiquant dans chaque région de chaque côté de chaque courbe quelle phase est présente.
Construction de diagrammes binaires
Dans le cas des systèmes binaires, on commence normalement avec les deux composants purs à une pression ou température définie et on fait varier l’autre variable (température ou pression, respectivement), en notant à nouveau la température ou la pression à laquelle un changement de phase se produit. Ces points sont représentés sur les axes verticaux. Celui de droite représente l’un des composants purs et celui de gauche l’autre.
Ensuite, des mélanges des deux composants sont préparés avec des concentrations définies en fonction de leur fraction molaire ou massique (ou de leurs pourcentages). Pour chaque composition (portée en abscisse) faites à nouveau varier la température ou la pression et notez les changements de phase comme précédemment.
Construction de diagrammes ternaires
La procédure pour les diagrammes ternaires est généralement un peu plus complexe. Dans certains cas, le but est de préparer des mélanges parallèles à l’un des côtés du schéma, dans d’autres cas, cela se fait perpendiculairement et dans d’autres cas, en diagonale. Chacune de ces tournées a sa propre manière expérimentale particulière d’être réalisée, y compris le mélange d’un système binaire fixe avec des quantités croissantes du troisième composant et vice versa, entre autres.
A quoi servent les diagrammes de phases ?
L’application des diagrammes de phase dépend du type particulier de diagramme de phase en question.
Utilité des diagrammes de phase des corps purs
Dans le cas des diagrammes de substances pures, le diagramme de phase nous fournit des informations claires sur la phase dans laquelle se trouvera le système en fonction de la pression et de la température. Grâce à cela, cela nous permet également de prédire les changements de phase qui doivent se produire lorsque nous faisons passer un système d’un état initial à un état final par différents chemins.
D’autre part, ce type de diagrammes de phase permet également de prédire les températures de changement de phase (ou points de changement de phase) d’un corps pur à différentes pressions. Par exemple, nous pouvons clairement voir comment les points d’ébullition et de fusion changent en fonction de la pression.
Utilité des diagrammes de phases binaires
Dans le cas des diagrammes de phases binaires, ceux-ci renseignent sur les différentes phases, leurs proportions et leur composition lorsque l’on fait varier, soit la température maintenant la pression constante, soit la pression maintenant la température constante. S’agissant de diagrammes bidimensionnels, il n’est généralement pas possible d’observer simultanément les changements de phase, les proportions dans lesquelles chaque phase est présente, et sa composition en fonction de la température et de la pression. Cependant, la construction de diagrammes de phases binaires en fonction de la température à différentes pressions peut nous fournir cette information indirectement.
Les diagrammes de phase des systèmes binaires permettent d’étudier les interactions entre les différentes phases qui peuvent se former entre deux substances chimiques différentes. Ces phases peuvent comprendre des phases pures des deux composants dans des états différents (solide et liquide, par exemple) ou des phases homogènes contenant les deux composants (tels que des alliages, des solutions, des co-cristaux, etc.).
Grâce à ce qui précède, les diagrammes de phases binaires permettent d’identifier les systèmes eutectiques, qui sont des systèmes binaires qui fondent à une seule température et dont le point de fusion est inférieur à celui de l’un ou l’autre des deux composants purs. De plus, ils permettent de déterminer la température de fusion de ce système, appelée point eutectique. Ceci est très important dans diverses applications industrielles, car cela permet l’identification et la conception d’ alliages métalliques à haute résistance et à bas point de fusion utiles, par exemple, dans le soudage.
Utilité des diagrammes de phase ternaires
Enfin, dans les diagrammes de phases ternaires, on utilise un diagramme triangulaire pour pouvoir représenter simultanément en un point les proportions dans lesquelles se trouvent les trois composants d’un mélange ternaire. Cela signifie que dans ces diagrammes on ne peut pas observer l’effet de la température et de la pression sur la ou les phases présentes dans le système ternaire, mais seulement l’effet de la composition.
Par conséquent, un diagramme de phase ternaire est principalement utilisé pour déterminer comment un système ternaire se comporte lorsque la concentration relative de l’un des composants varie. Ceci est utile pour étudier les systèmes dans lesquels deux solutions avec des solutés différents sont mélangées, puisque le solvant et les deux solutés seront présents dans le mélange, formant ainsi un système ternaire.
Parties d’un diagramme de phase
Les diagrammes suivants sont utilisés pour décrire les parties d’un diagramme de phase pour une substance pure et un système binaire :
Les axes du graphique
Selon le type de diagramme de phase, ceux-ci peuvent représenter la pression et la température (comme dans le cas du premier diagramme), la fraction molaire d’un composant (comme dans le second) ou de deux composants (comme dans le cas des diagrammes ternaires) . ).
Courbes d’équilibre de phase
Ce sont les courbes qui séparent une phase d’une autre dans un diagramme de phases. Les courbes AB, BC et BD dans le diagramme ci-dessus d’une substance pure sont toutes des exemples de courbes d’équilibre de phase, tout comme les courbes AB et AD dans le deuxième diagramme.
points triples
Dans les systèmes de substances pures, le point triple est celui où plusieurs courbes d’équilibre de phase coïncident, il y a donc 3 phases en équilibre simultané. Il correspond au point B du premier schéma de la figure précédente.
Points critiques
Il correspond au point D du premier schéma. Il indique la température maximale à laquelle une substance pure peut exister sous forme liquide. Au-dessus de cette température, la substance est toujours gazeuse et à des températures et des pressions plus élevées, elle se comporte comme un fluide supercritique.
points eutectiques
Il correspond au point A du diagramme binaire de l’image précédente. C’est le point auquel les deux phases fondent ensemble en passant directement de l’état solide à l’état liquide sans qu’aucune des deux phases solides d’origine ne reste présente. Ce point marque à la fois la température de fusion eutectique et la composition eutectique pour le système binaire considéré.
Tous les mélanges ne forment pas des mélanges eutectiques, mais beaucoup, comme les alliages, le font.
Les références
Agudelo, AF, & Restrepo, OJ (2005, 21 janvier). THERMODYNAMIQUE ET DIAGRAMMES DE PHASES . sciELO. http://www.scielo.org.co/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0012-73532005000100002
Diagramme de phase binaire . (2014, 9 avril). Zone Chimique. http://zona-quimica.blogspot.com/2014/04/diagrama-de-fases-binario.html
Lopez, JR (sf). Diagrammes de phases . Junte d’Andalousie. https://www.juntadeandalucia.es/averroes/centros-tic/21700290/helvia/aula/archivos/repositorio/0/42/html/diagram.html
Génie des matériaux. (2018, 20 janvier). Diagramme de phases : signification et types . Notes d’ingénierie Inde. https://www.engineeringenotes.com/engineering/phase-diagram/phase-diagram-meaning-and-types-material-engineering/34506
Novelo-Torres, AM, & Gracia-Fabrique, J. (2010, 1er octobre). Trajectoires dans les diagrammes ternaires . Elsevier. https://www.elsevier.es/es-revista-educacion-quimica-78-articulo-trayectorias-diagramas-ternarios-S0187893X18300995
