A introduction

Plan du cours
• Introduction
• Notions de mécanique : force, énergie, travail, puissance…
• Température et chaleur
• Systèmes, transformations et échanges thermodynamiques
• Premier principe de la thermodynamique
• Second principe de la thermodynamique
• Brève introduction aux probabilités et à la statistique
• Notions élémentaires de mécanique statistique
• Théorie de l’information
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Introduction : notion de modèle
• Observer
• Énoncer un modèle
• Confronter les conclusions du modèle aux observations
• Corriger le modèle
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Origine et évolution de la
thermodynamique
• Dès l’antiquité, sources de travail :
• homme
• animaux de trait
• vent
• Aux XVIIe et XVIIIe siècles, apparition de la machine à
vapeur
• Denis Papin (1647-1712)
• Thomas Newcomen (1663-1729)
• James Watt (1736-1819)
La relation entre travail et chaleur reste peu claire.
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Machine de Newcomen
4
Machine de Watt
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Machine à vapeur
Pour un travail identique à celui fourni par la machine de
Newcomen, celle de Watt a une consommation de charbon
réduite de 75%.
Jusqu’à quel point peut-on réduire la consommation ?
Quel est le lien entre chaleur et travail ?
Quel intérêt cela a-t-il de nos jours ?
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Benjamin Thompson, comte
Rumford (1753-1814)
An inquiry concerning the
source of heat which is
excited by friction (1798).
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Rumford
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Carnot
En 1824, Carnot (1792-1832) publie ses Réflexions sur la
puissance motrice du feu et sur les machines propres à
développer cette puissance.
Sans indiquer de façon explicite que chaleur et travail sont
deux formes d’énergie, il démontre le rendement théorique
des machines à vapeur ou de toute autre machine similaire.
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Sadi Carnot
La puissance motrice de
la chaleur est
indépendante des agens
mis en œuvre pour la
réaliser ; sa quantité est
fixée uniquement par les
températures des corps
entre lesquels se fait en
dernier résultat le
transport du calorique.
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Expérience de Joule
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James Prescott Joule (1818-1889)
Expérience de Joule
By a dynamometrical apparatus attached to his machine, the
author has ascertained that, in all the above cases, a
quantity of heat, capable of increasing the temperature of a
pound of water by one degree of Fahrenheit's scale, is equal
to the mechanical force capable of raising a weight of about
eight hundred and thirty pounds to the height of one foot.
On the calorific effects of magneto-electricity and on the mechanical value of
heat (1843).
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2d principe à la Clausius
Über die bewegende
Kraft der Wärme und
die Gesetze, welche sich
daraus für die
Wärmelehre selbst
ableiten lassen (1850).
Rudolf Clausius (1822-1888)
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2d principe à la Kelvin
It is impossible, by means
of inanimate material
agency, to derive
mechanical effect from any
portion of matter by
cooling it below the
temperature of the coldest
of the surrounding objects.
On the Dynamical Theory of Heat
(1852).
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William Thomson, lord Kelvin (1824-1907)
Thomson & Thompson
William Thomson,
Lord Kelvin
Benjamin Thompson,
Comte Rumford
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2d principe à la Planck
Es ist unmöglich, eine
Maschine zu konstruieren
welche, arbeitend in einem
kompletten Zyklus keinen
Effekt produziert,
anders als das Anheben eines
Gewichts und das Abkühlen
der Hitze in einem
Vorratsbehälter.
Thermodynamik (1897).
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Max Planck (1858-1948)
Mécanique statistique
La thermodynamique n’établit aucun lien entre les propriétés
des systèmes étudiés et leur constitution en termes d’atomes
et de molécules.
Ce lien est l’objet de la mécanique statistique, dont nous
n’aborderons que les rudiments.
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Mécanique statistique
James Clerk Maxwell (1831-1879)
18
Le démon de Maxwell
Theory of heat (1870).
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L’entropie selon Boltzmann
S  k log W
Ludwig Boltzmann (1844-1906)
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L’entropie selon Gibbs
S  k B N  pi ln pi
i
Josiah Willard Gibbs (1839-1903)
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De nos jours…
La thermodynamique classique ne peut décrire que les
systèmes en équilibre.
Beaucoup d’efforts ont été fournis au XXe siècle pour faire
progresser la compréhension des systèmes hors d’équilibre
et la description des phénomènes irréversibles.
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Phénomènes irréversibles
Paul Ehrenfest (1880-1933)
Tatiana Ehrenfest (1876-1964)
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Phénomènes irréversibles
Lars Onsager (1903-1976)
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Phénomènes irréversibles
Ilya Prigogine (1917-2003)
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La théorie de l’information
La théorie de l’information prend naissance au XXe siècle,
avec le développement des (télé)communications. À la suite
des précurseurs Nyquist et Hartley, Shannon lui donne une
assise solide.
Nous aborderons dans ce cours le codage en l’absence de
bruit et mentionnerons sans les discuter plus avant les
codages de Huffman et de Ziv et Lempel.
Nous discuterons brièvement le cas du codage en présence
de bruit.
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Les débuts…
• Certain factors
affecting telegraph
speed (1924).
• Certain topics in
telegraph transmission
theory (1928).
Harry Nyquist (1889-1976)
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Les débuts…
Transmission of
information (1928).
Ralph Hartley (1888-1970)
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Enfin Shannon vint
A mathematical theory of
communication (1948).
Claude Shannon (1916-2001)
H   pi log pi
i
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La théorie du codage
Pour une transmission efficace de l’information, il est fait
appel au codage.
On distingue le codage de source, destiné à réduire la
redondance (Huffman, Ziv, Lempel…), et le codage de
canal, destiné à se prémunir des erreurs de transmission
(Hamming, Berrou, Glavieux…)
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Codages de source
David Huffman (1925-1999)
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Codages de source
Jacob Ziv (1931- )
Abraham Lempel (1936- )
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Codage de canal
Richard W. Hamming (1915-1998)
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Codage de canal
Turbocodes
Vous avez échappé à
l'appellation
originelle de : codes
à concaténation
parallèle de codes
convolutifs récursifs
systématiques, avec
décodage itératifs.
(C. Berrou)
Alain Glavieux (1949-2004 ) et Claude Berrou (1951- )
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