PHYSIQUE STATISTIQUE II PHQ-440
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Université de Sherbrooke Faculté des sciences PLAN DE COURS Trimestre d’été 2001 Département de physique PHYSIQUE STATISTIQUE II PHQ-440 Titre : COURS PROFESSEUR Physique Statistique I Nom : Mario POIRIER Sigle : PHQ-440 Bureau : 1088-1 Crédits : 3 Travaux dirigés : 1 heure/sem Horaire de disponibilité : à déterminer Travail personnel : 5 heures/sem Session : 4 PLACE DU COURS DANS LE PROGRAMME Type de cours : Cours préalables : obligatoire PHY-340 PHY-440 PHYSIQUE STATISTIQUE II MISE EN CONTEXTE DU COURS Les deux cours de physique statistique inscrits au programme familiarisent l'étudiant aux concepts physiques et aux méthodes de base qui sont nécessaires à la description de systèmes faisant intervenir un nombre très grand de particules. La mécanique statistique constitue avec la mécanique quantique et la relativité l'un des piliers de la physique moderne. Elle a pour but d'expliquer le comportement de systèmes macroscopiques (incluant un très grand nombre de particules) à partir de leurs propriétés microscopiques. C'est de façon générale la mécanique quantique qui décrit les propriétés et l'évolution des systèmes physiques à l'échelle microscopique. La mécanique statistique est donc construite sur cette description quantique. Il est important que les étudiants perçoivent d'emblée la physique statistique comme une théorie fondamentale, et non pas comme une simple tentative de justifier a posteriori la thermodynamique. La démarche consiste donc à présenter la mécanique statistique élémentaire et à expliciter son articulation avec la thermodynamique et la théorie cinétique pour en dégager un point de vue unifié et moderne. La physique statistique permet ainsi de comprendre des phénomènes que les autres branches ne peuvent expliquer en raison d'une approche déterministe. Des applications concrètes peuvent être trouvées dans tous les domaines de la physique: physique des solides, électromagnétisme, astrophysique, cosmologie, superfluides, etc. Les deux cours de physique statistique sont obligatoires pour tous les étudiants. Le deuxième cours, Physique Statistique II, complète la description statistique des systèmes à l'équilibre thermodynamique amorcée dans le premier cours. Les deux distributions statistiques fondamentales sont ensuite appliquées à divers problèmes dans différents domaines de la physique. OBJECTIFS GÉNÉRAUX Le cours PHQ-440 vise à -approfondir la physique statistique -faire maîtriser les fondements des deux principales distributions statistiques -rendre les étudiants aptes à appliquer ces statistiques à l'étude des gaz parfaits quantiques et classiques OBJECTIFS SPÉCIFIQUES A la fin du cours PHQ 440, et pour atteindre les objectifs généraux, l'étudiant devra être capable de: expliquer les concepts de fonction de partition, d'entropie statistique et d'équilibre thermodynamique décrire les différents ensembles statistiques et leur relation avec la thermodynaique déduire le rôle de la mécanique quantique dans des phénomènes observés à l'échelle macroscopique PHY-440 PHYSIQUE STATISTIQUE II expliquer le principe ergodique et les ensembles statistiques appliquer les statistiques de Bose-Einstein, de Fermi-Dirac et de Maxwell-Boltzmann à l'étude des gaz parfaits quantiques et classiques analyser certains phénomènes physiques appartenant à différents domaines de recherche ou d'application en choisissant la statistique appropriée (le paramagnétisme, la loi de radiation de Planck, la chaleur spécifique des solides, la théorie cinétique des gaz, l'équation de van der Waals et la transition gaz-liquide, le ferromagnétisme, les propriétés électroniques et magnétiques des métaux, les naines blanches, l'hélium à basse température, le rayonnement cosmique à 3K) analyser l'évolution d'un gaz classique dilué (équation de Boltzmann) expliquer les aspects historiques du développement de la physique statistique PLAN DE LA MATIÈRE L'horaire est établi en fonction de 13 semaines effectives de cours Objectifs Semaine 1 décrire l’équilibre thermodynamique Chap. 8 Contenu système isolé systèmes en contact avec un réservoir à T, P conditions de stabilité: éq. de Clausius-Clapeyron décrire des systèmes ayant plusieurs espèces conditions générales d’équilibre 2 chimiques équilibre chimique: loi d’action des masses décrire les ensembles statistiques ensembles microcanonique, canonique et grand canonique relations avec la thermodynamique PHY-440 PHYSIQUE STATISTIQUE II 3 décrire les statistiques quantiques Chap. 9 limite classique analyser les gaz de photons Chap. 9 analyser les gaz de photons Chap. 9 Chap. 10 Sect. 1-2 7 Sect. 9-12 Chap.7 Sect. 9-13 émission de rayonnement chaleur spécifique des solides: modèles d’Einstein et de analyser les gaz de bosons gaz de bosons indépendants analyser les gaz de fermions gaz d’électrons dans un métal Debye condensation de Bose-Einstein gaz de Fermi dégénéré chaleur spécifique Sect. 16-17 Chap.9 rayonnement fossile analyser les gaz de phonons Chap. 9 8 loi de Stefan-Boltzmann émission induite: coefficients d’Einstein Sect. 14-15 6 loi du rayonnement de Planck pression de rayonnement Sect. 13 5 fonctions de distribution quantiques: statistiques de photons, Fermi-Dirac, Bose-Einstein, Maxwell-Boltzmann Sect. 1-8 4 gaz parfaits: particules identiques et exigences de symétrie paramagnétisme de Pauli analyser les gaz classiques Fontion de partition et propriétés thermodynamiques Entropie: tests expérimentaux de Sackur-Tétrode Conséquences physiques de l’énumération quantique des états. Théorie cinétique des gaz dilués PHY-440 PHYSIQUE STATISTIQUE II 9 analyser les gaz non-parfaits Chap.8 systèmes de particules en intéraction équation de Van der Waals transformation de phases Sect.6 ferromagnétisme Chap.10 Sect.3-7 10 Chap. 11 Sect. 1,2,4 11 appliquer à des systèmes en contact travail magnétique thermique refroidissement magnétique décrire des systèmes hors d’équilibre théorie cinétique des processus de transport Chap.12 12-13 supraconductivité temps de collision, viscosité, section efficace conductivité thermique, diffusion et conductivité électrique décrire des systèmes hors d’équilibre Chap.13 théorie du transport équation de Boltzmann en absence de collisions formulation différentielle de l’équation de Boltzmann calcul de la conductivité électrique METHODES PEDAGOGIQUES 1. Exposé magistral 2. Questions durant l'exposé magistral 3. Résolution d'exercices et devoirs en classe: participation des étudiants et étudiantes à la solution d'exercices au tableau.. EVALUATION PHY-440 PHYSIQUE STATISTIQUE II 1. Moyens d'évaluation: Devoirs, tests et examen (final) 2. Type de questions: Problèmes à résoudre, questions à développement. 3. Pondération: 20% pour les devoirs. 30% pour les tests 50% pour le final. 4. Moments prévus pour l'évaluation: Dates d'examens fixées par la Faculté (mi-session et fin de session) Dates de remise des devoirs fixées par le professeur durant le cours. Test à toutes les deux semaines durant la séance d'exercices prévue à l'horaire. Critère d'évaluation: Les devoirs, tests et examens visent à vérifier l'acquisition des connaissances, leur compréhension et leur application. 5. BIBLIOGRAPHIE Référence suggérée: Fundamentals of Statistical and Thermal Physics, F. Reif, McGraw-Hill 1965. 175 R43 1965 Autres ouvrages de référence: Physique Statistique, Introduction H. Ngô et C. Ngô, Masson 1988. Statistical Physics, F. Reif Berkeley Physics Course Vol.5 McGraw-Hill 1967. Eléments de Physique Statistique, B. Diu, C. Guthmann, D. Lederer et B. Roulet, Hermann 1989. Thermal Physics, C. Kittel et H. Kroemer Freeman 1980 QC
