physique statistique ii phq 440

Université
de
Sherbrooke
Faculté
des
sciences
Département
de
physique
PLAN
DE
COURS
Trimestre
d’été
2003
PHYSIQUE
STATISTIQUE
II
PHQ
440
Titre
COURS
Sigle:
Physique
Statistique II
Crédits:
PHQ-440
3
Travaux
dirigés:
PROFESSEUR
Nom:
Mario
POIRIER
Bureau:
1084-4
Horaire
de
disponibilité
:
à
déterminer
1
heure/sem
Travail
personnel:
5
heures/sem
Session:
4
PLACE
DU
COURS DANS
LE
PROGRAMMK]
Type
de
cours:
obligatoire
Cours
préalables:
PHQ
340

PHQ-440 PHYSIQUE
STATISTJQUE
II
J
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. n est
important
que
les étudiants perçoivent
d’emblée
la
physique
statistique
comme
une
théorie
fondamentale,
et
non
pas
comme
une simple
tentative
de
justifier
à
postériori
la
thermodynamique.
La
démarche
consiste
donc
à présenter
la
mécanique
//
statistique
élémentaire
et
à expliquer
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
mieux
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
I
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
expliquer
le
principe
ergodique
et les
ensembles statistiques

PHQ-440
PHYSIQUE STATISTIQUE
fl
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
Planclç
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)
hors
d’équilibre
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
Semaine
Objectifs
Contenu
1
décrire
l’équilibre
thermodynamique
système isolé
systèmes
en
contact
avec
un
réservoir
à
T,
P
Chap.
S
conditions
de
stabilité:
éq.
de
Clausius-Clapeyron
décrire
des
systèmes
ayant
plusieurs
espèces
conditions
générales
d’équilibre
chimiques
équilibre
chimique: loi
d’action
des
masses
2
décrire
les
ensembles
statistiques
ensembles
microcanonique, canonique
et
grand
canonique
relations
avec
la thermodynamique
3
décrire
les
statistiques quantiques
gaz
parfaits: particules identiques
et
exigences
de
symétrie
fonctions
de
distribution quantiques:
statistiques
de
Chap.
9
photons,
Fermi-Dirac,
Bose-Einstein,
?vlaxwell-Boltzmann
Sect.
l-S limite
classique

PHQ-440
PHYSIQUE
STATISTIQUE
H
C’
4
analyser
les
gaz
de
photons
loi
du
rayonnement
de
Planck
loi
de
Stefan-Boltzmann
Chap.
9
pression
de
rayonnement
Sect.
13
5
analyser
les
gaz
de photons rayonnement
fossile
émission
de
rayonnement
Chap.
9
émission
induite:
coefficients d’Einstein
SecÉ.
14-15
6
analyser
les
gaz
de
phonons
chaleur
spécifique
des
solides: modèles d’Einstein
et de
Debye
Chap.
10
Sect.
1-2
analyser
les
gaz
de
bosons
gaz
de
bosons
indépendants
condensation
de Bose-Einstein
7
analyser
les
gaz
de
fermions
gaz d’électrons
dans
un métal
gaz
de Fermi
dégénéré
Chap.
9
chaleur
spécifique
Sect.
16-17
paramagnétisme
de
Pauli
8
analyser
les gaz
classiques
Fontion
de partition
et
propriétés
thermodynamiques
Entropie:
tests
expérimentaux
de
Sackur-Tétrode
Chap.9
Conséquences
physiques
de
l’énumération quantique
des
Sect.
9-12
états.
Chap.7
Théorie cinétique
des
gaz dilués
Sect.
9-13
9
analyser
les gaz
non-parfaits
systèmes
de
particules
en intéraction
équation
de Van
der
Waals
Chap.S
transformation
de
phases
SecL6
ferromagnétisme
Chap.l0
Sect.3-7

PHQ-440
PHYSIQUE
STATISTIQUE
II
10
appliquer
à
des
systèmes en
contact
travail
magnétique
Chap.
1 1
thermique
refroidissement
magnétique
Sect.
1,2,4
supraconductivité
11
décrire
des
systèmes
hors
d’équilibre théorie cinétique
des
processus
de
transport
temps
de
collision,
viscosité,
section
efficace
Chap.12
conductivité
thermique,
diffusion
et
conductivité
électrique
12—13
décrire
des
systèmes
hors
d’équilibre théorie
du
transport
équation
de
Boltzmann
en
absence
de
collisions
Chap.13 formulation différentielle
de
l’équation
de
Boltzmann
calcul
de
la
conductivité électrique
METHODES
PEDAGOGIQUES
j
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
I
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.