État de la matière
En physique, un état de la matière est une des quatre formes ordinaires que peut prendre toute substance dans la nature : solide, liquide, gaz, plasma. Diverses propriétés de la matière diffèrent selon l'état : degré de cohésion, densité, structure cristalline, indice de réfraction… Ces propriétés se traduisent par des « comportements » différents, décrits par les lois de la physique : malléabilité, ductilité, viscosité, loi des gaz parfaits…
Les différents états de la matière
Les quatre états les plus connus que peut prendre toute substance, en fonction des conditions de température et de pression, sont :
- l'état solide ;
- l'état liquide ;
- l'état gazeux ;
- l'état plasma.
D'autres états plus exotiques de la matière existent, ils ne sont réalisables que pour certains matériaux dans certaines conditions[1] :
- quasi-cristal ;
- l'état supercritique (indistinction liquide-gaz obtenu par augmentation de la pression) ;
- l'état supraconducteur à très basse température ;
- l'état mésomorphe des cristaux liquides, intermédiaire entre liquide et solide ;
- le condensat de Bose-Einstein (condensation de bosons dans le niveau de plus basse énergie), par exemple : le superfluide ou le condensat de rubidium (voir refroidissement d'atomes par laser) ;
- les états ferromagnétique et antiferromagnétique ;
- l'état supersolide dont l'existence est controversée ;
- les métaux de Jahn-Teller (état dans lequel une matière est à la fois isolant et supraconducteur)[2] ;
- l'état hyper-uniforme désordonné (en)[3], qui se comporte comme l'état cristallin et liquide de la matière, montrant de l'ordre sur de grandes distances et du désordre sur de petites distances.
Les comportements de la matière ne sont pas toujours uniformes au sein d'un même état. Ainsi existe-t-il des états intermédiaires où l'on observe un solide se comporter comme un fluide (matière pulvérulente ou granuleuse) ou au contraire un liquide avoir certaines propriétés propres aux solides. Ces comportements peuvent être issus de mélanges plus ou moins intimes entre plusieurs phases, appelés états polyphasiques (émulsions, pâtes, mousses, poudres, gels, aérosols, etc.).
On peut aussi rencontrer la matière dans un état hors équilibre thermodynamique ; les propriétés du matériau dépendent alors du temps, car le matériau se relaxe, sans jamais atteindre l'équilibre thermodynamique. Tout matériau spatialement hétérogène va rentrer dans cette définition dans la mesure où ces hétérogénéités spatiales vont se traduire par des contraintes internes impliquant ainsi un état non stable thermodynamiquement. Néanmoins, les temps de relaxation de tels systèmes peuvent atteindre des durées tellement longues qu'ils sont inobservables expérimentalement (allant jusqu'à plusieurs dizaines de milliers d'années).
Parmi ces matériaux, on trouve de nombreux systèmes de la matière molle, ni solide, ni liquide tels que les verres, les gels ou les pâtes. Il n'est plus alors possible de parler de diagramme de phases (faisant référence à un état de la matière thermodynamiquement stable), le terme employé alors étant celui de diagramme d'état. Des diagrammes d'état unifiant les comportements des systèmes encombrés ont été établis pour de nombreux systèmes avec des interactions de type répulsif (granulaire, verres avec interaction de type volume exclu…) par Liu et Nagel en 1998, ainsi que pour les systèmes avec interaction de type attractif par Trappe, Prasad, Cipelletti, Segre, et Weitz, en 2001.
États de la matière
État solide
À l'échelle macroscopique, un solide :
- possède un volume propre (il est très difficilement compressible ; son volume ne dépend quasiment que de la température par effet de dilatation thermique, généralement faible) ;
- possède une forme propre (mais il peut se déformer sous l'effet de contraintes, en fonction de son élasticité et de sa ductilité).
À l'état solide, les particules (atomes, molécules ou ions) sont liées les unes aux autres par des liaisons chimiques qui fixent leurs positions relatives.
État liquide
À l'échelle macroscopique, un liquide :
- possède un volume propre ;
- ne possède pas de forme propre : il prend la forme du récipient qui le contient ;
- a une surface libre au repos plane et horizontale (dans un champ de pesanteur uniforme).
À l'état liquide, les particules sont faiblement liées : contrairement à l'état solide, elles peuvent se déplacer spontanément les unes par rapport aux autres (déformabilité) mais, contrairement à l'état gazeux, elles ne sont pas indépendantes (incompressibilité). On peut également dire que leur énergie thermique est suffisante pour leur permettre de se déplacer mais pas de s'échapper...
L'état liquide est un état fluide, c'est-à-dire parfaitement déformable.
État gazeux
À l'échelle macroscopique, un gaz :
- ne possède ni forme propre, ni volume propre ;
- tend à occuper tout le volume disponible.
À l’état gazeux, les particules sont très faiblement liées, quasiment indépendantes (on les considère indépendantes dans le modèle des gaz parfaits, qui décrit bien le comportement des gaz basse pression).
Comme l'état liquide, l'état gazeux est un état fluide.
Un corps à l'état gazeux n'est constitué que d'atomes et de molécules.
État plasma
À l'échelle macroscopique, un plasma :
- ne possède ni forme propre, ni volume propre, ni une énergie stable mesurable en un volume ;
- possède une forme fluidique bien plus différente de celle d'un solide, d'un liquide ou d'un gaz, le plasma est plus rare sur le sol terrestre que les trois autres formes par ses très hautes températures ;
- est un gaz hautement ionisé, ce qui modifie l'état d'une matière gazeuse en matière fluide plasma.
À l'état plasma, les particules sont détachées de leurs électrons, il est nommé une soupe de quarks lorsque l'état plasma s'étend sur une longue distance.
Comparaison de ces quatre états
| État | État condensé | Fluide | Forme | Volume | Compressibilité | Capacité de diffusion |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Solide | Oui | Non | Définie | Défini | Pratiquement nulle | Très lente[4] |
| Liquide | Oui | Oui | Indéfini | Défini | Très faible | Lente |
| Gaz | Non | Oui | Indéfini | Indéfini | Très grande | Très rapide |
| Plasma | Non | Oui | Indéfini | Indéfini | Extrême | Extrême |
Changements d'état de la matière
Le passage d'un état de la matière à un autre est appelé changement d'état. Ce changement se fait sous l'effet d'une modification du volume, de la température et/ou de la pression.
Références
- Science et Vie, mars 2019, p. 129.
- (en) « Scientists have discovered a new state of matter, called 'Jahn-Teller metals' », sur sciencealert.com, (consulté le ).
- (en) « Princeton University - In the eye of a chicken, a new state of matter comes into view », sur princeton.edu (consulté le ).
- (en) Helmut Mehrer, Diffusion in Solids, Springer-Verlag, (ISBN 978-3-540-71486-6).
Voir aussi
Articles connexes
- Les Quatre éléments
Liens externes
- Notices dans des dictionnaires ou encyclopédies généralistes :
