Solide et liquide

Le 28 août 2006, par Jeff,

Texte écrit pour fsg, Septembre 2004

> Parceque en fait, ce qui est > important dans cette histoire, c’est le pas de temps auquel on perçoit > l’objet, et donc son comportement. A l’échelle de la seconde, la mer de > glace est un solide ; à l’échelle de l’année, c’est un liquide. Idem > pour le manteau. C’est bien ça ?

Vi, c’est une façon de dire les choses.

En fait on peut raffiner/compliquer un petit poil :

  • D’abord, même dans la vie de tout les jours il existe des solides déformables. L’exemple le plus classique, c’est la pâte à modeler, ou mieux encore la silicone (dans une fac de géol ca se trouve dans les labos de modélisation analogique). Ces corps sont incontestablement des solides... pourtant, si on exerce une force modérée mais continue, constante, ils se déforment (ma fille de 18 mois est en train de le découvrir :-) ).
    En fait, ce qui est important ici c’est la notion de taux de déformation (vitesse de déformation). A faible vitesse de défo, la deformation de n’importe quel corps est ductile ; a vitesse plus élevée, elle est élastique/cassante. Ca se voit dans le cas de la pâte à modeler (si je tire assez vite sur un morceau, je le casse ; si je le tire doucement, je le déforme) mais aussi dans le cas du manteau (si je fais un séisme, à courte échelle de temps, il se comporte de façon élastique ; si j’exerce des forces gravitaires à longue échelle de temps, il convecte). C’est vrai aussi de la glace que tu cites en exemple (elle se déforme ductilement à longue période de temps).
    De ce point de vue, la notion de "solide" de la vie de tout les jours est à peu près synonyme de "subissant une déformation elastico-cassante aux échelles de temps humaines".
    Enfin, la déformation ductile est décrite, comme tu l’indiques, par un paramètre physique qui est la viscosité, et indique la force qu’il faut transmettre à un corps pour le déformer ductilement.
  • Ensuite, la notion "intuitive" de liquide/solide peut se décomposer en deux notions physiques : mécanique et thermodynamique.
    • Au sens mécanique, solide ou liquide n’a pas vraiment de signification (c’est ce que je raconte au paragraphe du dessus) ; il y a en fait un continuum de comportements mécaniques à différentes constantes de temps, ou le domaine cassant est plus ou moins étendu. Il faut donc parler de "comportement cassant" ou "comportement ductile" (sous entendu, "aux échelles de temps considérées").
    • Au sens thermodynamique, en revanche, "liquide" et "solide" ont plus de signification ; un "solide" possède un arrangement atomique défini et fixe (qui ne change pas au cours du temps), tandis que dans un liquide, les atomes sont arrangés de façon aléatoire et surtout changent de position au cours du temps. Le passage de l’état solide à l’état liquide se fait en absorbant de l’énergie (c’est pour ça que le glaçon refroidit le pastis). "solide" et "liquide" sont donc des notions thermodynamiques.

Evidemment, la confusion vient du fait que dans la vie de tout les jours, la plupart des "solides" (thermodynamiques) sont aussi des corps cassants (aux échelle de temps.. etc) (mécaniques) ; et la plupart des liquides thermo sont aussi des corps ductiles (méca) aux échelles... etc. Mais si on change les échelles de temps ou si on regarde des corps exotiques, ce n’est plus forcément le cas. Il peut y avoir des liquides sans arrangement atomiques définis et fixes, mais néanmoins au comportement cassant (des verres, par exemple).

Une autre explication

(Ecrite pour un forum de Planet-Terre)

Une partie du problème à mon avis vient du fait que la notion de "solide" ou "liquide" est un peu ambigüe et recouvre,en fait, deux concepts. Bon, les physiciens des matériaux vont me haïr, mais essayons de simplifier :

1) Au point de vue thermodynamique, la notion de solide vs. liquide correspond à des états thermodynamiques. En (très) gros, un solide a un arrangement fixé, plus ou moins régulier, de ses atomes. Pour passer d’un état à un autre, il faut fournir (ou dissiper) de l’énergie.

2) Au point de vue de la physique des roches, la notion de solide ou liquide n’existe pas. Ce qui importe est de savoir si une roche se déforme de façon "cassante" ou "ductile". TOUs les matériaux peuvent se déformer selon l’un ou l’autre mode — la déformation cassante sera favorisée à basse température OU/ET pour des vitesses de déformation rapide ; la déformation ductile sera préférée pour des températures élevées et des déformations plus lente.

Dans le cas de la déformation ductile, on utilise un paramètre —la viscosité— pour quantifier la facilité avec laquelle un corps se déforme : un corps à faible viscosité se déformera facilement, un corps à forte difficulté sera plus difficile à déformer. TOUS les corps ont une viscosité, qui ne "s’applique" que dans les conditions ductiles.

Du point de vue "de la vie de tout les jours", cependant, la différence est plus tranchée. Aux échelles de temps observables, les corps sont soit ductiles, soit cassants, et il est très rare de voir des corps dont les propriétés permettent de voir les deux comportements. Parmi les rares exemples, il y a des choses comme la pâte à modeler (ou la silicone des labos de modélisation), qui se casse si on la déforme vite et se déforme ductilement si on appuie doucement. C’est très facile à montrer en classe (tirez brutalement sur un boudin de pâte, il se casse ; écrasez-le doucement, il se déforme ductilement). Evidemment, dans la vie de tout les jours la majorité des corps solides se compote de façon cassante aux échelles de temps observables ; la majorité des corps liquides se comporte de façon ductile aux échelles .. etc. Notez que ceci n’a pourtant rien d’obligatoire (il n’y a pas ou peu de rapport entre le fait d’être solide, et le fait d’avoir un comportement cassant — pensez à la pâte à modeler, une fois de plus).

Mais à l’échelle géologique, on considère des durées telles que les deux comportements peuvent être observés — pour un même corps. De la glace se déforme de façon cassante pour des courtes échelles de temps (tapez à coup de marteau sur un glaçon, il se casse !) ; de façon ductile sur 100-1000 ans (cf. les glaciers). Les roches de la croûte ou du manteau se déforment de façon cassante à l’échelle de la seconde (faille, séisme, coup de marteau...), de façon ductile à 10 000 - 10 000 000 ans. Tout ceci ne les empêche pas d’être (thermodynamiquement, puisque c’est le seul contexte pour lequel ce mot ait un sens !) des solides : pour les faire fondre, il faut leur apporter de l’énergie.

Une autre analogie : la cire de bougie. Selon la température et la vitesse de déformation, vous pouvez voir ses deux modes de déformation (cassante ou plastique). Pourtant il s’agit bien d’un solide, dans les deux cas. Pour vous en convaincre, apportez-lui de l’énergie (= chauffez !) : elle fond et devient un liquide (au point de vue thermodynamique).

L’essentiel du problème est donc sémantique : il vient d’une confusion, dans le langage de tout les jours (et de tout le monde !), entre "solide" et "cassant" — deux notions qui en fait appartiennent à deux mondes différents.

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