2 Le gaz parfait à l’équilibre
2.1 Hypothèses
Densité de probabilité : On considère la densité de la probabilité qu’un ensemble de NPparticules dans un volume unitaire soit défini
à l’instant t tel que chaque particule iest positionnée en −→
riàd−→
riprès avec une vitesse −→
viàd−→
viprès : F(−→
r1,−→
v1,...,−→
rNP,−→
vNP)d−→
r1d−→
v1. . . d−→
rNPd−→
vNP
Indépendance et non différenciation des particules : En considérant les distances entre molécules bien plus grandes que leur
champ d’action, on peut poser F=
NP
∏
i=1
F0(−→
ri,−→
vi,t)et définir le nombre de particules en −→
riàd−→
riprès avec une vitesse −→
viàd−→
viprès
hdNPi=NPF0(−→
r,−→
v,t)d−→
r d−→
v
Stationnarité : A l’équilibre thermodynamique, la description du gaz est indépendante du temps.
Ainsi hdNPi=NPF0(−→
r,−→
v)d−→
r d−→
v
Uniformité : A l’équilibre thermodynamique, la densité de probabilité individuelle n’est pas dépendante du vecteur position de
la particule individuelle. Ainsi hdNPi=NPF0(−→
v)d−→
v
Isotropie des vitesses : A l’équilibre thermodynamique, la densité de probabilité individuelle des vitesses est isotrope. Ainsi
hdNPi=NPF0(v)d3v
Dans la suite du cours, on considère la densité de particules par unité de volume N=NP
V.
2.2 Température du gaz et énergie cinétique
En fonction de la température, on considère l’énergie cinétique de translation (par unité de volume) du gaz par E=3
2NkBT
C.
Principe d’équipartition : Une particule à dode particules a pour énergie cinétique EC=do
2kBT.
Dans le modèle du gaz parfait, on considère les particules comme des points : elles ont alors 3 degrés de liberté.
Chaleur spécifique : En considérant ∆U=∆E=do
2NkB∆Tdans un volume constant, on peut définir ∆U=mcV∆Tavec la
chaleur spécifique massique cV=do
2
NkB
m. La chaleur spécifique par atome d’un gaz parfait est CV=3
2kB.
2.3 Distribution de Maxwell-Boltzmann
En espace cartésien des vitesses : d3N=N m
2πkBT!3
2
exp −mv2
2kBT!dvxdvydvz
En espace sphérique des vitesses : d3N=N m
2πkBT!3
2
exp −mv2
2kBT!v2sin(θ)dv dθdϕ
En espace sphérique des vitesses avec isotropie : dN =4πN m
2πkBT!3
2
exp −mv2
2kBT!v2dv
2.4 Vitesses
Vitesse la plus probable : vP=r2kBT
m
Vitesse moyenne : vmoy =v=r8kBT
πm
Vitesse quadratique moyenne : v2=3kBT
m
2