Thermodynamique des matériaux

La première préoccupation de l'ingénieur ou du chercheur confronté à un problème de matériau est de connaître la nature, la composition et la proportion des phases qui coexistent au sein de ce matériau (ce dernier pouvant constituer le tout ou partie d'un système plus ou moins complexe). Ce type de problème se pose en premier chef à l'élaborateur mais aussi, bien qu'à un degré moindre, à l'utilisateur qui peut éventuellement être confronté à l'évolution des propriétés du matériau dans les conditions d'emploi, ces dernières étant dictées par la nature de l'environnement, par les contraintes mécaniques et par la température d'utilisation.

Les propriétés effectives d'un matériau ne sont pas celles où les phases constitutives seraient d'une part chacune parfaitement homogène en composition et d'autre part en équilibre entre elles. D'ailleurs une telle situation du système, qui en tout état de cause est difficilement accessible, n'est, en général, pas souhaitable. Citons à titre d'exemple les alliages d'aluminium utilisés en aéronautique où leur bonne tenue mécanique est essentiellement due à la formation d'une dispersion fine de précipités au sein de la matrice d'aluminium. Une telle dispersion de précipités n'est en fait pas stable car, si la température le permet, les précipités de plus petite taille se dissolvent dans la matrice et par diffusion font grossir les précipités de plus grande taille (phénomène de coalescence).

Partant du fait que les matériaux usuels sont intrinsèquement pratiquement toujours hors d'équilibre, il peut sembler a priori peu utile de définir les conditions dans lesquelles le matériau considéré serait en équilibre interne. Cependant, la connaissance des paramètres de l'équilibre (traduite essentiellement par la composition et la proportion des phases) constitue une référence en tant qu'état ultime résultant des transformations qui peuvent se développer soit au cours du procédé d'élaboration du matériau, soit au cours de son utilisation. Cet état de référence s'avère d'ailleurs d'autant plus utile que les matériaux sont plus complexes, complexité due au nombre de constituants et de phases constitutives. C'est en effet pour ces matériaux complexes où l'ingénieur ou le chercheur trouve, par la définition des conditions d'équilibre, le support de base nécessaire aux investigations permettant de répondre au cahier des charges du matériau.

Notons aussi que la température étant le paramètre thermodynamique qui agit de manière très sensible sur la cinétique des transformations (tant physiques que chimiques), ce sont les procédés d'élaboration à haute température ainsi que les conditions d'emploi aux températures élevées qui amèneront le matériau dans un état plus ou moins proche des conditions d'équilibre.

D'un point de vue général, un système atteint un état d'équilibre stable lorsque son énergie, ou plus exactement son énergie libre (ou enthalpie libre), est minimum. Un système est en équilibre stable lorsque toute perturbation de l'un ou de plusieurs paramètres définissant cet état ne détruit pas la nature de l'équilibre initial. Toutefois cette règle comporte des exceptions, par exemple lorsque les phases solide, liquide et vapeur d'un corps pur sont en équilibre stable au point triple. Cet équilibre entre trois phases n'est possible que pour une température et une pression de vapeur déterminées (rappelons que ces derniers paramètres sont pour un corps pur les seules variables thermodynamiques considérées).

Dans les études des propriétés de la matière, la physique s'intéresse à des échantillons qui contiennent un grand nombre de particules. Celles-ci peuvent être des atomes, des molécules mais aussi des ions, des protons, des neutrons et autres types de particules. Le plus souvent leur nombre est de l'ordre du nombre d'Avogadro (NAv = 6,02 Ã? 1023). C'est effectivement pour une telle abondance de particules qu'en général l'observation et la mesure physique sont possibles. On dit alors que le système étudié est macroscopique. Toutefois le grand nombre de particules concernées engendre la complexité et celle-ci est telle qu'il est impossible de décrire les propriétés du matériau en se basant sur une description mécanique complète où la position dans l'espace et la quantité de mouvement de chaque particule constitutive seraient connues à chaque instant. La contrepartie de cette complexité se trouve dans la possibilité d'utiliser des méthodes statistiques qui permettent de définir l'état d'un système sur la base d'un nombre limité de grandeurs moyennes appelées grandeurs thermodynamiques.