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Thermodynamique et cristaux




  1. #1
    Physs98

    Thermodynamique et cristaux

    Bonsoir,

    Dans le cadre d'un cours de sciences des matériaux, je ne comprend pas du tout la dias ci-dessous

    http://zupimages.net/viewer.php?id=18/32/m59v.png

    La partie du cours aborde les solides cristallins et amorphes, mais je ne vois pas le lien entre thermodynamique, solides cristallins et amorphes, transition vitreuse, refroidissement rapide/lent etc ...
    En fait je ne trouve même pas de définition claire de transition vitreuse.

    Merci à vous

    -----


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  3. #2
    Sethy

    Re : Thermodynamique et cristaux

    Petite note humoristique : "As-tu vu .... le CdS ?".

    Plus sérieusement, dans un cristal, les atomes (ou les ions ou les molécules) sont bien rangés les uns par rapport aux autres alors que dans un liquide, les atomes bougent de manière totalement aléatoire.

    Si on imagine qu'on puisse refroidir instantanément un liquide (c'est un peu ce qu'on fait lors de la surgélation, en plongeant les aliments dans de l'azote liquide), le solide ne sera pas cristallin mais amorphe puisque les atomes n'auront pas eu le temps de se positionner dans l'état le plus stable mais au contraire seront figés dans une position proche de l'endroit où ils étaient en phase liquide.

    Au contraire, au plus, la solidification/cristallisation va se passer lentement, au plus les atomes vont pouvoir se placer dans la configuration la plus stable et former de gros cristaux. C'est un peu ce qui se passe dans les congélateurs où les aliments sont refroidis très lentement. Comme l'eau à la particularité de se dilater en phase solide et qu'en plus les cristaux ont des arrêtes tranchantes, cela favorise l'éclatement des cellules des aliments (C'est pour ça que les aliments surgelés se conservent plus longtemps que les aliments congelés).

    Est-ce que c'est plus clair ?

  4. #3
    Physs98

    Re : Thermodynamique et cristaux

    Très clair, merci beaucoup ! Mais j'aurai encore quelques petites questions :

    1) Selon le graphe de droite, lorsque l'on procède à un refroidissement lent d'un liquide, la diminution de volume est beaucoup plus marquée que pour un refroidissement rapide. Mais dans le cas de la formation d'un cristal pur, au début du refroidissement, la diminution de volume se fait-elle à température quasi constante ? C'est-à-dire que pour une toute petite diminution de température, on observe une grande diminution de volume ? Est-ce que ça implique que l'on forme le cristal solide à température plus élevée que le cristal amorphe ?

    2) Le but normalement est de minimiser G = H - TS pour atteindre l'état le plus stable => diminuer H et augmenter S.
    Plus les forces de liaisons sont grandes, plus H est grand. D'autre part, un petit S traduit plus d'ordre, donc un système tendra naturellement vers un état ou les forces de liaisons sont grandes et avec beaucoup d'ordre ?

    3) Il est écrit dans mon cours que pour des polymères complexes, la mise en ordre est très difficile, donc très difficile de former des cristaux, et qu'un refroidissement "assez rapide" l'en empêche, vous avez une idée de quel ordre de grandeur ?

    4) J'ai lu aussi que pour des métaux liquides, il faudrait des vitesses de refroidissement de l'ordre de plusieurs millions de degrés pour former des solides amorphes, j'en déduit que tous les métaux sont à l'état cristallin ?

    5) Sachant que l'état le plus stable est l'état cristallin, a-t-on intérêt à produire des solides cristallins ou amorphes dans l'industrie ? J'ai l'impression qu'on a pas toujours intérêt à atteindre cet état stable ! Même si je suppose qu'il demande moins d'énergie.

    Remarque : Pour d'autres systèmes, même un refroidissement à l'air libre est considéré comme rapide !

    Désolé pour toutes ces questions ! Il est très probable que j'en ai d'autres après
    Dernière modification par Physs98 ; 12/08/2018 à 02h21.


  5. #4
    moco

    Re : Thermodynamique et cristaux

    Bonjour,
    Oui à ton interprétation de la question 1 et 2.
    Question 3. Le refroidissement doit être de quelques secondes, voire de la minute. Mais cela peut être de l'heure, pour certains polymères.
    Question 4. Les métaux sont à l'état microcristallin. Les cristaux sont en général très petits, de l'ordre du micron. Et ils sont enchevêtrés.
    Question 5. Les cristaux cristallin peuvent difficilement prendre une forme prédéfinie. Si on veut mouler une matière, on a intérêt à ce qu'elle soit amorphe.

  6. #5
    Physs98

    Re : Thermodynamique et cristaux

    Merci pour votre réponse !
    Aussi dans le graphique de droite, il est mentionné qu'avec refroidissement rapide, la viscosité du liquide augmente jusqu'à ce que les atomes se figent. Pourquoi cela ? Ce détail est-il important ? Merci

  7. A voir en vidéo sur Futura
  8. #6
    Sethy

    Re : Thermodynamique et cristaux

    En physique, il faut essayer de faire des liens avec son expérience de la vie de tous les jours.

    Pense à la cire d'une bougie. Chaude, elle est liquide (qu'est-ce qu'un liquide ?) quand elle se refroidit elle devient plus visqueuse (que se forme-t-il un cristal ou une masse amorphe ?) pour enfin se solidifier (qu'est-ce qui caractérise un solide ?).

  9. #7
    Physs98

    Re : Thermodynamique et cristaux

    Ah mais oui évidemment, à basse température on a une masse amorphe, à haute température un liquide, entre les 2 forcément quelque chose de plus en plus visqueux lors du refroidissement !

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  11. #8
    Sethy

    Re : Thermodynamique et cristaux

    Mais est-ce que l'eau, lorsqu'elle gèle se comporte-t-elle de la même manière ? Y a-t-il aussi ce passage visqueux ?

    Pourquoi ?

  12. #9
    Physs98

    Re : Thermodynamique et cristaux

    Selon des données sur internet, la viscosité de l'eau est inversement proportionnelle à la température. Aprés vis à vis du quotidien, je n'ai pas trop d'idée pour confirmer la règle pour l'eau lol.

    D'autre part, les solides cristallins sont-ils liés entre eux pas des liaisons moins fortes que les solides amorphes ? Car j'ai lu que la liaison covalente est difficilement compatible avec l'empilement compact, qui est je pense caractéristique des cristaux. Merci

  13. #10
    Sethy

    Re : Thermodynamique et cristaux

    Citation Envoyé par Physs98 Voir le message
    Selon des données sur internet, la viscosité de l'eau est inversement proportionnelle à la température. Aprés vis à vis du quotidien, je n'ai pas trop d'idée pour confirmer la règle pour l'eau lol.
    Tu n'as jamais mis des glaçons dans une boisson ?

    Il me semble que les traditions se perdent à la plaine.

  14. #11
    Physs98

    Re : Thermodynamique et cristaux

    Si biensûr, mais désolé je ne vois pas ou vous voulez en venir ...

  15. #12
    Sethy

    Re : Thermodynamique et cristaux

    Que la glace est cristalline et qu'elle fond à une température bien déterminée (qui ne dépend que de la pression), sans passer par la phase visqueuse.

  16. #13
    Physs98

    Re : Thermodynamique et cristaux

    Ah d'accord je vois, c'est caractéristique d'un refroidissement lent donc ?

    Est-ce que les forces de liaison sont-elles plus fortes dans un solide cristallin ou amorphe ? Est-ce qu'il se peut que l'entropie d'un solide cristallin soit plus élevée que dans un solide amorphe ? Si je ne dit pas de bêtise, le ferromagnétisme s'observe dans des solides amorphes et ce dernier à tendance à baisser l'entropie, mais se peut-il pour autant que cette baisse d'entropie soit significativement grande pour considérer c'est le solide amorphe qui sera le plus "ordonné" d'un point de vue entropie.

  17. #14
    Kiraxel

    Re : Thermodynamique et cristaux

    Citation Envoyé par Physs98 Voir le message

    Est-ce que les forces de liaison sont-elles plus fortes dans un solide cristallin ou amorphe ? .
    De ce que je me rappelle de mes cours, les forces de liaison sont plus fortes dans un solide cristallin. Beaucoup plus fortes.
    Mais cela, c'est dans la théorie d'un monocristal. Un cristal parfait. Or tous les matériaux (ou presque) sont des cristaux présentant des défauts, des cristallites, des joints de grains etc. bref des défauts dans le solide qui sont autant de points de faiblesse.
    Au final, ce sont les matériaux amorphes qui offrent les meilleures résistances mécaniques. C'est notablement pour cela qu'on effectue la trempe de l'acier : on préfère avoir un matériau amorphe qu'un matériau cristallin offrant des points de faiblesse...

  18. #15
    HarleyApril

    Re : Thermodynamique et cristaux

    L'acier est un amorphe ?
    J'ai un gros doute ...

  19. #16
    mach3

    Re : Thermodynamique et cristaux

    Citation Envoyé par Kiraxel Voir le message
    C'est notablement pour cela qu'on effectue la trempe de l'acier : on préfère avoir un matériau amorphe qu'un matériau cristallin offrant des points de faiblesse...
    N'importe quoi, l'acier trempé n'est pas amorphe. Le but de la trempe de l'acier c'est de figer les dislocations via une transition polymorphique (une transition solide-solide), ce qui le rend dur (la plasticité étant permise par le déplacement des dislocations).
    Pour obtenir un métal amorphe, il faut partir du fondu (alors que pour la trempe de l'acier, on part d'acier solide), et les procédés de trempes sont très techniques (splat-cooling par exemple) car il faut une vitesse de refroidissement extrêmement élevée, dans les 100 000 000 K/s (sinon le métal cristallise).
    Les métaux amorphes ne sont fabriqués que depuis les années 60, alors que la trempe de l'acier remonte à l'antiquité...

    Pour les propriétés mécaniques, le fait qu'un amorphe soit meilleur qu'un polycristallin est a nuancé (tout dépend de l'usage...) :

    Citation Envoyé par wikipedia
    Amorphous metals have higher tensile yield strengths and higher elastic strain limits than polycrystalline metal alloys, but their ductilities and fatigue strengths are lower
    m@ch3
    Never feed the troll after midnight!

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