Introduction à la thermodynamique et à la physique statistique

Introduction à la
thermodynamique et à la
physique statistique
Clément BARUTEAU
Ecole Normale Supérieure de Cachan
2002

i
Un hommage et un grand remerciement à Christian Boulet, professeur de
physique statistique à l’université d’Orsay . . .
. . . ainsi qu’à Cécile Huguet, professeur de physique-chimie en classe de MPSI3
au lycée Descartes de Tours . . .
pour la qualité de leurs cours et leur talent pédagogique incomparable.

ii
Un grand merci à Gwénaël boué, Guilhem lavaux et Rémi avriller – de
gauche à droite sur la photo – pour avoir pris le temps de relire les différents
chapitres de ce livre ; leurs critiques pertinentes m’ont été d’une aide précieuse.
Un remerciement spécial à Guilhem pour m’avoir fait découvert L
A
T
E
X.

iii
Introduction
Ce livre est une introduction à la physique statistique, enseignée en deuxième
cycle universitaire. Il comporte en premier lieu des rappels de thermodynamique
classique, qui font l’objet du cours de premier cycle universitaire. Ils sont – pour
la plupart – essentiels à la compréhension des chapitres suivants, seuls les rappels
sur les machines thermiques et les changements d’état pourront être considé-
rés comme complémentaires. Le cours de physique statistique commence dès le
second chapitre. Son contenu est relativement classique : après un chapitre intro-
ductif destiné aux outils de la physique statistique, nous nous intéressons dans
l’ordre aux situations suivantes : microcanonique, canonique puis canonique gé-
néralisée (ensembles grand-canonique et isotherme-isobare), avant d’étudier les
statistiques quantiques (fermions, bosons, photons).