Thermodynamique des matériaux , livre ebook

EDP Sciences - Fiqiri Hodaj , Pierre Desré

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408 pages

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Description

En reprenant les concepts de base de la thermodynamique, cet ouvrage montre la richesse de ses applications à travers les efforts de recherches qui ont constitué les 40 années du Laboratoire de Thermodynamique et Physico- Chimie Métallurgiques (LTPCM), devenu depuis 2006 le Laboratoire de Science et Ingénierie des Matériaux et Procédés (SIMAP).

L'objectif de cet ouvrage est d'une part l'initiation à l'étude thermodynamique des transformations physiques et chimiques de la matière inorganique et aux équilibres stables et métastables qu'elles engendrent et d'autre part, à l'étude des propriétés thermodynamiques et physico-chimiques des surfaces et interfaces ; celles-ci limitant des phases étendues ou de très petites dimensions.

Sujets

Techniques

Automatisation et Contrôle

Contrôle des processus

Automatisation

Automate

Matériau

Engineering

Technology

Sciences et techniques

Materials Science

Matériaux

Ingénierie

Sciences appliquées

Ingénierie

Sciences appliquées

Informations

Publié par	EDP Sciences
Date de parution	01 mai 2010
Nombre de lectures	23
EAN13	9782759809288
Langue	Français
Poids de l'ouvrage	3 Mo

Informations légales : prix de location à la page 0,6100€. Cette information est donnée uniquement à titre indicatif conformément à la législation en vigueur.

Extrait

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K?<IDF; PE8D@HL<THERMODYNAMIQUE
DES MATÉRIAUX :
ÉQUILIBRES DE PHASES
ET MÉTASTABILITÉ
Pierre Desré
Fiqiri Hodaj
17, avenue du Hoggar
Parc d’activités de Courtaboeuf, BP 112
91944 Les Ulis Cedex A, FranceImprimé en France
ISBN : 978-2-7598-0427-6
Tous droits de traduction, d’adaptation et de reproduction par tous procédés, réservés pour
tous pays. La loi du 11 mars 1957 n’autorisant, aux termes des alinéas 2 et 3 de l’article 41,
d’une part, que les « copies ou reproductions strictement réservées à l’usage privé du
copiste et non destinées à une utilisation collective », et d’autre part, que les analyses et les
courtes citations dans un but d’exemple et d’illustration, « toute représentation intégrale,
ou partielle, faite sans le consentement de l’auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause
erest illicite » (alinéa 1 de l’article 40). Cette représentation ou reproduction, par quelque
procédé que ce soit, constituerait donc une contrefaçon sanctionnée par les articles 425 et
suivants du code pénal.
© EDP Sciences 2010 Remerciements
« La véritable éloquence consiste à dire tout ce qu’il faut et à ne dire que ce
qu’il faut »
de La Rochefoucauld
À Marie-Christine pour son soutien constant au cours de la réalisation de ce livre.
À nos enfants, Éric, Corinne, Hermance et Quentin pour leurs chaleureux
encouragements.
À mes amis chers.
À la mémoire du Professeur Étienne Bonnier auquel je dédie cet ouvrage.
Pierre Desré
À Bruno et Denada, mes petits trésors.
À mon épouse Valentina, avec un grand merci pour le temps qu’elle a dû consentir
tout au long de la réalisation de cet ouvrage.
À mon frère et à toute ma famille.
Fiqiri Hodaj
Nous remercions particulièrement Christian Chatillon pour la relecture et ses
conseils avertis ainsi que nos collègues du laboratoire SIMAP.7KLVSDJHLQWHQWLRQDOO\OHIWEODQNSommaire
Remerciements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Chapitre 1 : Concepts et outils de base
1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2. Systèmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3. État gazeux, état condensé et notion de phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
4. État thermodynamique et grandeurs thermodynamiques . . . . . . . . . . . . . . 7
4.1. État thermodynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
4.2. Énergie interne et premier principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
4.2.1. Énergie interne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
4.2.2. Premier principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4.3. Enthalpie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4.4. Coefficients thermiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
5. L’entropie et le principe de Nernst . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
5.1. Définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
5.2. Les transformations réversibles et l’entropie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
5.3. Le postulat relatif à l'entropie et ses conséquences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
5.4. Le deuxième principe de la thermodynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
6. Les potentiels thermodynamiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
7. Le potentiel chimique et conditions d'équilibre entre phases . . . . . . . . . . 37
7.1. Définition du potentiel chimique et propriétés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
7.2. Le potentiel chimique et la condition d'équilibre entre phases . . . . . . . . . . . 39
7.3. Les variables du potentiel chimique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
7.4. Variance d'un équilibre (variances de Gibbs et de Duhem) . . . . . . . . . . . . . 41
7.4.1. Variance de Gibbs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
7.4.2. Variance de Duhem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Annexe A-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47vi SOMMAIRE
Chapitre 2 : Thermodynamique des solutions
1. Introduction et définitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2. Grandeurs partielles molaires, relation d’Euler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3. Relation entre grandeurs partielles et relation de Gibbs Duhem . . . . . . . 53
4. Application aux mélanges binaires A, B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.1. Relation entre grandeurs partielles molaires et grandeurs molaires
de mélange. Représentation géométrique des gr partielles molaires . . 55
4.2. Grandeurs thermodynamiques du mélange et de mélange . . . . . . . . . . . . . . 57
5. Mélange gazeux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.1. Mélange gazeux parfait . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.2. Mélange gazeux réel et fugacité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6. Activité d’un constituant dans une solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
6.1. Définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
6.2. Activité et équilibre entre solution et phase gazeuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.3. Interprétation physico-chimique de l’activité d’un constituant
dans une solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.4. Variation de l’activité avec la température et la pression . . . . . . . . . . . . . . 66
7. Thermodynamique des solutions diluées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
7.1. Loi de Henry et de Raoult . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
7.2. Conséquences des lois de Raoult et de Henry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
7.3. Solutions diluées multiconstituées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
8. Les états de référence de l’activité d’un constituant d’une solution . . . . . 72
8.1. Généralités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
8.2. Activité d’un constituant dans une solution lorsqu’à la température
considérée, le constituant pur est gazeux dans son état stable . . . . . . . . . . . 74
8.3. État de référence pratique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
9. Les modèles de solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
9.1. Le modèle de Bragg et Williams et la solution strictement régulière . . . . . . . 76
9.2. Expressions générales des grandeurs d’excès de mélange pour une solution
quelconque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
9.3. Effet d’ordre local dans les solutions et le modèle quasi-chimique . . . . . . . . . 84
9.3.1. Définitions et généralités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
9.3.2. Évaluation du paramètre d'ordre dans une solution binaire
basée sur l'application du modèle « quasi-chimique » . . . . . . . . . . 85
10 Représentation polynomiale des grandeurs thermodynamiques
de mélange d’une solution quelconque et des composés sur la base
du formalisme de Redlich-Kister [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
10.1. Définitions générales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
10.2. Approches des propriétés thermodynamiques des composés définis . . . . . . . . 90
Annexe A-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97SOMMAIRE vii
Chapitre 3 : Affinité des réactions chimiques
et équilibres
1. Définition de l'affinité des réactions chimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
2. Affinité standard ou enthalpie libre standard et conditions d'équilibre
des réactions chimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3. Représentation de l'affinité en relation avec l'avancement
d'une réaction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4. Variance des équilibres provenant de l'aboutissement
de réactions chimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5. Déplacements d'équilibre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.1. Influence de la température . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.2. Influence de la pression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.3. Effet de la composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6. Rupture d'équilibre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
7. Les diagrammes d'Ellingham . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7.1. Généralités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7.2. Abaque de pression d'oxygène : seuil de décomposition d'un oxyde
ou d'oxydation d'un métal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
7.3. Température d'inversion lorsque l'un des constituants
de la réaction est gazeux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
7.4. Abaques relatifs à la composition d'