MATIÈRE (physique)État liquide

Carte mentale

Élargissez votre recherche dans Universalis

La structure des liquides à l'échelle moléculaire

La fonction de distribution de paire

La diffusion des rayonnements de courte longueur d'onde, rayons X ou neutrons, révèle que les liquides se caractérisent par un certain ordre à courte distance mais sont désordonnés à longue distance. Dans le cas d'un liquide formé de particules sphériques (atomes, molécules), la seule variable géométrique servant à décrire le système est la distance r entre les centres des particules. La structure du liquide est décrite par une fonction de distribution de paire g(r) qui permet de définir la probabilité de trouver une deuxième particule à une distance r de la première. Ainsi, si l'on prend comme origine le centre d'une particule et que l'on considère deux sphères de rayons r et dr centrées en ce point, le nombre moyen de particules ayant leur centre entre ces deux sphères est de :

où N est le nombre moyen de particules contenu dans un volume V de liquide. Dans le cas de liquides dont les molécules ont une forme non sphérique, on doit, outre la distance r, considérer des variables angulaires définissant l'orientation relative des deux molécules. Il est cependant toujours possible de définir une fonction g(r) qui représente une moyenne sur toutes les orientations. Ainsi, dans tous les cas, la fonction de distribution de paire a la forme donnée par la figure 2. À grande distance, elle tend vers 1, ce qui signifie que le liquide est représenté par la densité moyenne de particules N/V. À très courte distance, g(r) est évidemment nulle, puis passe par un maximum très marqué pour une distance r0 qui représente la distance moyenne entre les centres de deux molécules voisines.

Fonction de distribution de paire de l'argon solide

Dessin : Fonction de distribution de paire de l'argon solide

Fonction de distribution de paire de l'argon liquide. Les points sont calculés pour un ensemble de sphères dures de diamètre s. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

Afficher

La fonction de distribution de paire est obtenue expérimentalement à partir de l'analyse de la variation angulaire de l'intensité de rayons X diffusée. Elle permet le calcul de nombreuses propriétés du liquide. On peut en particulier démontrer que la compressibilité isotherme χT obéit à l'équation :

k est la constante de Boltzmann et T la température absolue.

Les potentiels intermoléculaires et les modèles de l'état liquide

Pour comprendre théoriquement l'état liquide, il convient d'avoir en mémoire qu'il existe toujours entre deux molécules neutres des forces présentant un caractère attractif à courte distance, que l'on nomme forces de Van der Waals. Elles se manifestent par un minimum de la courbe de variation de l'énergie d'interaction u(r) avec la distance. Dans le cas le plus simple, celui de deux atomes de gaz rare, l'énergie d'interaction ne dépend que de la distance, et sa variation est donnée par l'équation empirique de Lennard-Jones (fig. 3a). Pour des systèmes plus complexes, d'autres phénomènes peuvent venir s'ajouter aux précédents pour modifier fortement la forme de la courbe u(r) (fig. 3b). On retrouve cependant le minimum très marqué aux courtes distances interatomiques.

Potentiels de paire

Dessin : Potentiels de paire

Quelques potentiels de paire. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

Afficher

Potentiels de paire

Dessin : Potentiels de paire

Quelques potentiels de paire. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

Afficher

L'énergie d'interaction qui existe entre les particules d'un liquide permet d'en comprendre qualitativement les propriétés. Tout d'abord, elle explique la présence des phases liquide et solide à des températures même proche du zéro absolu où, en l'absence de cette énergie, l'agitation thermique serait suffisante pour donner immédiatement l'état gazeux. Elle permet également de comprendre le phénomène de tension superficielle des liquides. En effet, l'énergie d'interaction conduit chaque molécule à chercher à s'entourer du plus grand nombre de voisines, le liquide a donc tendance à présenter la surface libre le plus petite possible.

Du point de vue quantitatif, si l'on suppose que l'énergie d'interaction de n molécules peut se décomposer en une somme des énergies d'interaction de paire (ce qui n'est pas tout à fait vrai), la connaissance de u(r) et de g(r) permet de décrire complètement le liquide du point de vue thermodynamique. À titre d'exemple, l'énergie interne vaut, pour un liquide monoatomique :

Le premier terme de cette somme représentant la contribution de l'agitation thermique est le même que dans les gaz parfaits ; le second est la valeur moyenne de l'énergie d'interaction des molécules.

Les méthodes de la chimie quantique permettent de déterminer théoriquement u(r) pour des molécules de petite taille. En revanche, le calcul analytique de g(r), qui s'effectue à partir de u(r), n'est possible qu'au prix de nombreuses hypothèses simplificatrices. On préfère donc déterminer numériquement g(r) au moyen de méthodes statistiques qui ne sont p [...]

1  2  3  4  5
pour nos abonnés,
l’article se compose de 6 pages

Médias de l’article

États désordonnés de la matière

États désordonnés de la matière
Crédits : Encyclopædia Universalis France

vidéo

Diagramme d'équilibre

Diagramme d'équilibre
Crédits : Encyclopædia Universalis France

graphique

Liquides : coefficient de viscosité

Liquides : coefficient de viscosité
Crédits : Encyclopædia Universalis France

tableau

Tension superficielle

Tension superficielle
Crédits : Encyclopædia Universalis France

tableau

Afficher les 6 médias de l'article


Écrit par :

Classification

Autres références

«  MATIÈRE, physique  » est également traité dans :

MATIÈRE (physique) - Vue d'ensemble

  • Écrit par 
  • Jean-Marc LÉVY-LEBLOND
  •  • 2 003 mots

Le mot « matière » cache sous sa généralité abstraite une origine concrète fort éclairante. En latin archaïque, materia appartient à la langue rustique et désigne la substance dont est fait le tronc de l'arbre, en tant qu'elle est productrice (de branches, de feuilles). L'élargissement successif des sens du mot, d'abord dans la langue commune, à des matériaux variés, puis, dans […] Lire la suite

MATIÈRE (physique) - États de la matière

  • Écrit par 
  • Vincent FLEURY
  •  • 5 803 mots
  •  • 4 médias

D'Aristote à Réaumur, au xviiie siècle, la nature des solides ou des fluides a posé de grandes énigmes aux savants de jadis. Les découvertes de plus en plus fines de la science moderne sur l'organisation des molécules et des liaisons atomiques dans les matériaux ou dans les composés étudiés au laboratoire, comm […] Lire la suite

MATIÈRE (physique) - État solide

  • Écrit par 
  • Daniel CALÉCKI
  •  • 8 607 mots
  •  • 13 médias

La matière se présente principalement sous trois états simples : gazeux, liquide et solide. Ce qui distingue l'état solide des deux autres états est l'incapacité d'une masse solide à épouser la forme du récipient dans lequel on la place ; en revanche, un gaz s'empresse d'envahir tout le volume qu'on lui offre et un liquide prend la forme de la partie du récipient qui le contient. Ce qui caractéris […] Lire la suite

MATIÈRE (physique) - État gazeux

  • Écrit par 
  • Henri DUBOST, 
  • Jean-Marie FLAUD
  •  • 8 284 mots
  •  • 9 médias

L'état sous lequel se présente la matière, solide, liquide ou gazeux, dépend des conditions de température et de pression. Suivant l'usage généralement admis, on désigne par gaz tout corps existant dans cet état dans les conditions normales de température et de pression (P0 = 1 atm, T0 = 0 0C), et par vapeur la phase gazeuse d'un corps solide ou liquide dans les mêmes condit […] Lire la suite

MATIÈRE (physique) - Plasmas

  • Écrit par 
  • Patrick MORA
  •  • 7 680 mots
  •  • 4 médias

L'état plasma peut être considéré comme le quatrième état de la matière, obtenu, par exemple, en portant un gaz à très haute température (104 K ou plus). L'énergie d’agitation thermique des molécules et atomes constituant le gaz est alors suffisante pour que, lors de collisions entre ces particules, un électron puisse être arraché à […] Lire la suite

MATIÈRE (physique) - Transitions de phase

  • Écrit par 
  • Nino BOCCARA
  •  • 6 912 mots
  •  • 7 médias

Les premières transitions de phase observées ont été des changements d'état tels que la fusion de la glace ou la vaporisation de l'eau. Lors d'un changement d'état, le système, au sens de la thermodynamique, se présente comme la réunion de deux sous-systèmes homogènes possédant des propriétés distinctes. On appelle phase chacun de ces sous-systèmes. Plus préci […] Lire la suite

ANTIMATIÈRE

  • Écrit par 
  • Bernard PIRE, 
  • Jean-Marc RICHARD
  •  • 6 914 mots
  •  • 4 médias

Dans le chapitre « Antimatière en laboratoire »  : […] Les particules de l'espace interplanétaire arrivant dans l'atmosphère y subissent des collisions et modifient ainsi l'énergie des particules qu'elles rencontrent. Si leur vitesse est suffisante, elles peuvent créer des paires électron- positon au cours de ces chocs, en libérant leur énergie cinétique. Ce sont les positons créés par ce processus qui ont été observés par Anderson. C'est seulement en […] Lire la suite

ATOME

  • Écrit par 
  • José LEITE LOPES
  •  • 9 246 mots
  •  • 15 médias

L'atome est le terme ultime de la division de la matière dans lequel les éléments chimiques conservent leur individualité. C'est la plus petite particule d'un élément qui existe à l'état libre ou combiné. On connaît 90 éléments naturels auxquels s'ajoutent le technétium (Tc,  Z  = 43), le prométhéum (Pm, Z  = 61) ainsi que les transuraniens obtenus artificiellement depuis 1940. Les corps simples s […] Lire la suite

BOHR ATOME DE

  • Écrit par 
  • Bernard PIRE
  •  • 370 mots
  •  • 1 média

Deux ans après avoir soutenu sa thèse sur la théorie électronique des métaux, le physicien danois Niels Bohr (1885-1962) écrit en 1913 trois articles fondamentaux qui révolutionnent la compréhension de la structure de la matière. Le premier, paru le 5 avril dans le Philosophical Magazine , est titré « Sur la constitution des atomes et des molécules ». Bohr prend pour point de départ la découvert […] Lire la suite

ATOMIQUE PHYSIQUE

  • Écrit par 
  • Philippe BOUYER, 
  • Georges LÉVI
  •  • 6 703 mots
  •  • 1 média

La physique atomique est née des expériences effectuées à la fin du xix e  siècle qui ont montré que la matière était discontinue et formée d'atomes possédant une structure interne ; celle-ci étant à l'origine des raies observées dans les spectres d'émission et d'absorption du rayonnement par les différents éléments, l'objectif premier de la physique atomique a été de comprendre et d'interpréter […] Lire la suite

Voir aussi

Pour citer l’article

Jean-Louis RIVAIL, « MATIÈRE (physique) - État liquide », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 18 mai 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/matiere-physique-etat-liquide/