Formulaire par cours
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Constantes physiques et formules utiles
| Nombre d’Avogadro \(N_A\) | \(6{,}022\times10^{23}\) particules/mol | \(N = n\,N_A\) (\(n\) en moles) |
|---|---|---|
| Constante de Boltzmann \(k\) | \(1{,}381\times10^{-23}\) J/K | \(R = N_Ak = 8{,}314\) J/(mol K) |
| Constante de Planck \(h\) | \(6{,}626\times10^{-34}\) J s | \(\hbar = h/2\pi = 1{,}055\times10^{-34}\) J s |
| Charge élémentaire \(e\) | \(1{,}602\times10^{-19}\) C | \(1\ \text{eV} = 1{,}602\times10^{-19}\) J |
| Températures et pressions | \(0\ ^\circ\text{C} = 273\ \text{K}\) ; \(1\ \text{atm} = 101\,325\ \text{Pa}\) | Toujours des kelvins dans les formules |
| Exponentielle → puissance de 10 | \(e^{x} = 10^{\,0{,}4343\,x}\) ; \(\ln(1+\epsilon)\approx\epsilon\) pour \(\epsilon\) petit | Pour les très grands nombres : travailler avec \(\ln\) ou \(\log_{10}\) puis écrire \(10^{(\ldots)}\) |
Cours 1 - Statistique des systèmes
| Moyenne | \(\displaystyle\bar f = \sum_{i=1}^{n} p_i f_i\) \(\overline{f+g} = \bar f + \bar g\) ; \(\overline{(cf)} = c\bar f\) pour \(c\in\mathbb R\) \(\overline{fg} = \bar f\cdot\bar g\) \(\bar n = pN\) |
\(p_i\) : probabilité de l’état \(i\), \(\sum p_i = 1\) toujours vrai (linéarité) pour des variables indépendantes nombre moyen d’éléments satisfaisant le critère, grand \(N\) |
|---|---|---|
| Critère unique | \(p + q = 1\) Critères indépendants : \(P = P_1\,P_2\) |
\(p\) : critère satisfait, \(q\) : non satisfait. Penser au complémentaire \(1-P\). |
| Dénombrement | \(\displaystyle C_N^n = \binom{N}{n} = \frac{N!}{n!\,(N-n)!}\) \(\displaystyle A_N^n = \frac{N!}{(N-n)!} = N(N-1)\cdots(N-n+1)\) \(N!\) permutations de \(N\) éléments distincts |
tirage simultané (l’ordre ne compte pas) tirage successif, ordre compté (\(= n!\,C_N^n\)) \(0! = 1! = 1\) |
| Loi binomiale | \(\displaystyle P_N(n) = \frac{N!}{n!\,(N-n)!}\,p^{\,n}q^{\,N-n}\) | exactement \(n\) éléments sur \(N\) satisfont le critère ; éléments indépendants |
| Critères multiples | \(\displaystyle P_N(n_1,n_2,\ldots,n_m) = \frac{N!}{n_1!\,n_2!\cdots n_m!}\,p_1^{\,n_1}p_2^{\,n_2}\cdots p_m^{\,n_m}\) | critères mutuellement exclusifs ; \(n_1+\cdots+n_m = N\) et \(p_1+\cdots+p_m = 1\) |
| Formule de Stirling | \(\displaystyle m! \approx \sqrt{2\pi m}\left(\frac{m}{e}\right)^{m}\) \(\ln(m!) \approx m\ln m - m + \tfrac12\ln(2\pi m)\) \(m! \approx 10^{\,0{,}4343\,(m\ln m - m + \frac12\ln 2\pi m)}\) |
grands \(m\) (erreur < 1 % dès \(m\ge10\)) forme simplifiée pour \(m\) énorme : \(\ln m!\approx m\ln m - m\), soit \(m!\approx(m/e)^m\) |
| Écart type | \(\displaystyle\sigma = \sqrt{\overline{(f-\bar f)^2}}\) ; \(\text{Variance} = \sigma^2 = \overline{f^2}-\bar f^{\,2}\) \(\text{Variance}(f+g) = \text{Variance}(f)+\text{Variance}(g)\) \(\sigma = \sqrt{Npq}\) ; \(\displaystyle\frac{\sigma}{\bar n} = \sqrt{\frac{q}{pN}}\propto\frac{1}{\sqrt N}\) |
définition générale variables indépendantes (les variances s’additionnent, pas les \(\sigma\)) pour le critère unique ; fluctuation relative |
| Loi gaussienne | \(\displaystyle P_N(n) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}\,\sigma}\,e^{-\frac{(n-\bar n)^2}{2\sigma^2}} = A\,e^{-B(n-\bar n)^2}\) \(\displaystyle A = \frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma} = P_N(\bar n)\), \(\displaystyle B = \frac{1}{2\sigma^2}\) \(p_\sigma\approx0{,}68\), \(p_{2\sigma}\approx0{,}95\), \(p_{3\sigma}\approx0{,}997\) |
approximation de la binomiale pour un très grand nombre d’éléments, avec \(\bar n = pN\), \(\sigma = \sqrt{Npq}\) ; aire totale = 1 probabilité d’être à moins de \(\sigma\), \(2\sigma\), \(3\sigma\) de la moyenne |
| Marche aléatoire | \(\overline{S_n} = n\,\bar s\) et \(\sigma_n = \sigma\sqrt n\) \(\displaystyle p_n(L) = C_n^{\,k}\,p_d^{\,k}p_g^{\,n-k}\), \(k = \frac{L+n}{2}\) Pas 3D de longueur \(a\), direction aléatoire : \(\bar s_z = 0\), \(\sigma_z = a/\sqrt3\) |
\(\bar s\), \(\sigma\) : moyenne et écart type d’une seule étape ; \(n\) étapes pas de même longueur, \(L\) et \(n\) de même parité projection sur un axe : \(\overline{\cos^2\theta} = 1/3\) |
Cours 2 - Énergie interne et états accessibles
| Formes d’énergie | \(u(x) = u_0 + \tfrac12\kappa x^2\) \(\displaystyle\varepsilon_c = \frac{p^2}{2m} = \frac{p_x^2+p_y^2+p_z^2}{2m}\) ; \(\displaystyle\varepsilon_{r,i} = \frac{L_i^2}{2I_i}\) \(\displaystyle\varepsilon = u_0 + \sum_{\text{ddl}}\beta\xi^2\), \(\displaystyle\varepsilon_{therm} = \sum_{\text{ddl}}\beta\xi^2\) |
potentielle près de l’équilibre (\(u_0\lt0\) si liée) cinétique ; rotation (\(L\) moment cinétique, \(I\) moment d’inertie) chaque terme \(\beta\xi^2\) = un degré de liberté |
|---|---|---|
| Degrés de liberté \(\nu\) | Gaz monoatomique : \(\nu = 3\) (translations) Gaz diatomique : \(\nu = 5\) (3 translations + 2 rotations) Solide : \(\nu = 6\) (3 cinétiques + 3 potentiels) |
\(\nu = 3\) à très basse \(T\) et \(\nu = 7\) à très haute \(T\) (vibration) pour un gaz diatomique ; ddl gelés si \(kT\ll\) énergie du 1er état excité |
| Équipartition | \(\overline{\varepsilon_{\text{ddl}}} = \tfrac12kT\) ; \(\displaystyle\varepsilon_{therm} = \frac{\nu}{2}kT\) \(\displaystyle E_{therm} = \frac{N\nu}{2}kT\) ; \(\displaystyle E = Nu_0 + \frac{N\nu}{2}kT\) \(\displaystyle \frac{\overline{p^2}}{2m} = \frac32kT\ \Rightarrow\ p_{rms} = \sqrt{3mkT},\ v_{rms} = \sqrt{\frac{3kT}{m}}\) |
par ddl ; par particule pour le système ; énergie interne totale 3 ddl de translation (estimation \(p_0\approx2p_{rms}\) dans les exercices) |
| Travail | \(\Delta W = F\Delta x\) ; \(\Delta W = p\Delta V\) (\(\displaystyle\Delta W = \int p\,dV\)) \(\Delta W = -\vec B\cdot\Delta\vec\mu\) ; \(\Delta W = -\vec E\cdot\Delta\vec p\) |
travail fourni par le système ; \(\mu\) moment magnétique, \(p\) moment dipolaire électrique |
| 1re loi de la thermodynamique | \(\Delta E = \Delta Q - \Delta W + \mu\Delta N\) \(\Delta E_1 = \mu_1\Delta N\), \(\Delta E_2 = -\mu_2\Delta N\) |
\(\Delta Q\) reçue, \(\Delta W\) fournie par le système, \(\Delta N\) reçues ; \(\mu\) potentiel chimique. Chaleur : conduction, radiation, convection |
| Nombre d’états | \(\Omega = \omega\times\omega\times\cdots = \omega^N\) \(\displaystyle\Omega = \frac{\omega^N}{N!}\approx\left(\frac{e\omega}{N}\right)^N = \omega_c^{\,N}\), \(\displaystyle\omega_c = \frac{e\omega}{N}\) \(\Omega(E,\Delta E) = g(E)\,\Delta E\) ; \(\Omega_{A+B} = \Omega_A\Omega_B\) |
particules distinctes particules identiques (Stirling : \(N!\approx(N/e)^N\)) densité d’états \(g(E) = d\Omega/dE\) ; systèmes combinés |
| Équiprobabilité | \(\displaystyle p_{\text{un état}} = \frac{1}{\Omega}\) ; \(\displaystyle P_i = \frac{\Omega_i}{\Omega}\) | à l’équilibre, tous les états accessibles sont équiprobables |
| Discrétisation (Heisenberg) | \(\Delta x\,\Delta p_x\ge h\) \(\displaystyle\omega = \frac{[x][p_x]}{h}\) (1D) ; \(\displaystyle\omega = \frac{V_rV_p}{h^3}\) (3D) \(\displaystyle\omega = \frac{V}{h^3}\iiint dp^3 = \frac{4\pi V}{3h^3}\left(p_2^3 - p_1^3\right)\) |
un état occupe au minimum \(h\) (1D) ou \(h^3\) (3D) \(V_p = \tfrac43\pi p_0^3\) pour \(0\le p\le p_0\) |
| Nombre d’états accessibles | Gaz : \(\displaystyle\omega_c\propto\frac{V}{N}\left(\frac{E_{therm}}{N\nu}\right)^{\nu/2}\), \(\displaystyle\Omega = \omega_c^N\propto\left(\frac{V}{N}\right)^N\left(\frac{E_{therm}}{N\nu}\right)^{N\nu/2}\) Solide : \(\displaystyle\omega_c\propto\left(\frac{E_{therm}}{N\nu}\right)^{\nu/2}\), \(\displaystyle\Omega = \omega_c^N\propto\left(\frac{E_{therm}}{N\nu}\right)^{N\nu/2}\) \(g(E)\propto\) mêmes expressions ; avec \(E_{therm} = N\nu kT/2\) : \(g\propto(V/N)^N(kT/2)^{N\nu/2}\) (gaz) |
correction \(e/N\) seulement pour les gaz solide : particules localisées, pas de facteur \(V\) |
| Comparer deux états du système | \(\displaystyle\log_{10}\frac{\Omega_f}{\Omega_i} = \frac{N\nu}{2}\log_{10}\frac{E_f}{E_i} + N\log_{10}\frac{V_f}{V_i}\) | \(E_f/E_i = T_f/T_i\) si \(u_0\) constant ; réponse sous la forme \(10^{(\ldots)}\) |
Cours 3 - Entropie et interaction thermique
| Interaction entre systèmes | \(E_1 + E_2 = E_0\) ; \(\Omega_0 = \Omega_1\Omega_2 \propto E_1^{n_1/2}(E_0 - E_1)^{n_2/2}\) \(\displaystyle E_1^* = \frac{n_1}{n_1+n_2}E_0\) |
\(n = N\nu\) : ddl de chaque système ; répartition la plus probable (maximum de \(\Omega_0\)), pic de largeur relative \(\propto 1/\sqrt{n_1+n_2}\) |
|---|---|---|
| Entropie | \(S = k\ln\Omega\) ; \(S_0 = S_1 + S_2\) \(\displaystyle\left(\frac{\partial S}{\partial V}\right)_{E,N} = \frac{p}{T}\) ; \(\displaystyle\left(\frac{\partial S}{\partial N}\right)_{E,V} = -\frac{\mu}{T}\) ; \(dQ = T\,dS\) |
additive car \(\Omega_0 = \Omega_1\Omega_2\) ; dérivées issues de \(dS = dE/T + (p/T)dV - (\mu/T)dN\) ; \(dQ = TdS\) à \(V\), \(N\) constants |
| 2e loi de la thermodynamique | \(\Delta\Omega \ge 0\) ; \(\Delta S_0 \ge 0\) | système isolé ; maximum à l'équilibre, variations nulles |
| Définition de la température | \(\displaystyle\left(\frac{\partial S}{\partial E}\right)_{V,N} = \frac{1}{T}\) | équilibre thermique \(dS_0 = 0 \Leftrightarrow T_1 = T_2\) ; la chaleur va du chaud vers le froid |
| Énergie thermique (équipartition) | \(\displaystyle\frac{E_{therm}}{N\nu} = \frac12kT\) ; \(\displaystyle E_{therm} = \frac{N\nu}{2}kT\) | démontré avec \(1/T = dS/dE\) sur \(\Omega\propto E_{therm}^{N\nu/2}\) |
| Nombre d'états et chaleur ou entropie | \(\displaystyle\Delta S = S_f - S_i = k\ln\Omega_f - k\ln\Omega_i = k\ln\frac{\Omega_f}{\Omega_i}\) \(\displaystyle\frac{\Omega_f}{\Omega_i} = e^{\Delta S/k} = e^{\Delta Q/kT}\) |
\(T\) constante pendant l'échange ; \(e^x = 10^{0{,}4343x}\) |
| Capacité thermique | \(\displaystyle C_y = \left(\frac{dQ}{dT}\right)_y\) ; molaire \(C = C_y/n\) ; chaleur spécifique \(c = C_y/m\) \(\displaystyle\Delta S = \int\frac{C\,dT}{T} = m\,c\ln\frac{T_f}{T_i}\) ; \(\displaystyle\Delta S_{phase} = \frac{Q_{latente}}{T_{phase}}\) |
\(y = p\) (pression constante) ou \(V\) ; \(c\) supposée constante ; table 8.1 (eau 4,19 kJ/(kg K)) |
| Loi des gaz parfaits | \(pV = NkT\) ; \(pV = nRT\) (forme molaire) | \(R = N_Ak = 8{,}314\) J/(mol K) ; obtenue de \((\partial S/\partial V)_{E,N} = p/T\) |
| Capacités d'un gaz parfait | \(\displaystyle C_V = \frac{\nu}{2}R\) ; \(C_p = C_V + R\) ; \(\displaystyle\gamma = \frac{C_p}{C_V} = \frac{\nu+2}{\nu}\) | par mole ; chap. 8, ex. 41 |
| 3e loi de la thermodynamique | \(S(T = 0\ \text{K}) = 0\) J/K \(\displaystyle S(T) = \int_0^T\frac{dQ}{T'} = \int_0^T\frac{C_p(T')\,dT'}{T'}\) |
\(\Omega = 1\) à 0 K ; \(C_p \to 0\) quand \(T\to0\) ; ex. \(C = a\sqrt T \Rightarrow S = 2a\sqrt T\) |
| Chaleur d'une réaction | \(\Delta S = S_{produits} - S_{réactifs}\) ; \(\Delta Q = T\,\Delta S\) | à \(T\) constante ; \(\Delta Q \lt 0\) : exothermique |
Cours 4 - Les processus thermodynamiques
| Coefficients | \(\displaystyle\kappa = -\frac1V\left(\frac{\partial V}{\partial p}\right)_T\) (compressibilité isotherme) ; \(\displaystyle\beta = \frac1V\left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)_p\) (expansion thermique) | gaz parfait : \(\beta = 1/T\), \(\kappa = 1/p\) |
|---|---|---|
| Dérivées partielles (processus non diffusifs) |
\(\displaystyle\left(\frac{\partial S}{\partial T}\right)_p = \frac{C_p}{T}\) ; \(\displaystyle\left(\frac{\partial S}{\partial V}\right)_T = \frac{\beta}{\kappa}\) ; \(\displaystyle\left(\frac{\partial T}{\partial V}\right)_S = -\frac{T\beta}{C_V\kappa}\) \(\displaystyle\left(\frac{\partial S}{\partial T}\right)_V = \frac{C_V}{T}\) ; \(\displaystyle\left(\frac{\partial S}{\partial V}\right)_p = \frac{C_p}{TV\beta}\) ; \(\displaystyle\left(\frac{\partial T}{\partial V}\right)_p = \frac{1}{V\beta}\) \(\displaystyle\left(\frac{\partial S}{\partial p}\right)_T = -V\beta\) ; \(\displaystyle\left(\frac{\partial T}{\partial p}\right)_S = \frac{TV\beta}{C_p}\) ; \(\displaystyle\left(\frac{\partial p}{\partial V}\right)_S = -\frac{C_p}{VC_V\kappa}\) \(\displaystyle\left(\frac{\partial S}{\partial p}\right)_V = \frac{C_V\kappa}{T\beta}\) ; \(\displaystyle\left(\frac{\partial T}{\partial p}\right)_V = \frac{\kappa}{\beta}\) ; \(\displaystyle\left(\frac{\partial p}{\partial V}\right)_T = -\frac{1}{V\kappa}\) |
table 11.1 du manuel ; \(C_p\), \(C_V\) du système entier ; choisir la dérivée dont la variable fixée est celle du processus |
| Processus isobares | \(dE = (C_p - pV\beta)\,dT\) gaz parfait : \(W = p\Delta V = nR\Delta T\) ; \(Q = nC_p\Delta T\) ; \(\Delta E = nC_V\Delta T\) ; \(\displaystyle\Delta S = nC_p\ln\frac{T_f}{T_i}\) ; \(\displaystyle\frac{T_f}{T_i} = \frac{V_f}{V_i}\) |
\(dp = 0\), \(dN = 0\) |
| Processus isothermes | \(\displaystyle dE = \left(\frac{T\beta}{\kappa} - p\right)dV\) ; \(\displaystyle dE = \left(T - \frac{p\kappa}{\beta}\right)dS\) gaz parfait : \(\Delta E = 0\) ; \(\displaystyle Q = W = nRT\ln\frac{V_f}{V_i}\) ; \(\displaystyle\Delta S = nR\ln\frac{V_f}{V_i}\) ; \(\displaystyle\frac{V_f}{V_i} = \frac{p_i}{p_f}\) |
\(dT = 0\), \(dN = 0\) |
| Processus isochores | \(W = 0\) ; \(Q = \Delta E = nC_V\Delta T\) ; \(\displaystyle\Delta S = nC_V\ln\frac{T_f}{T_i}\) ; \(\displaystyle\frac{T_f}{T_i} = \frac{p_f}{p_i}\) | \(dV = 0\) ; gaz parfait |
| Processus adiabatiques | \(\displaystyle\frac{dT}{T} = \frac{V\beta}{C_p}dp\) ; \(\displaystyle\frac{dT}{T} = -\frac{\beta}{\kappa C_V}dV\) ; \(\displaystyle\frac{dV}{V} = -\frac{\kappa C_V}{C_p}dp\) \(pV^\gamma = \) cste où \(\displaystyle\gamma = \frac{\nu+2}{\nu}\) ; \(TV^{\gamma-1} = \) cste ; \(T\,p^{1/\gamma-1} = \) cste \(Q = 0\) ; \(\Delta S = 0\) ; \(\displaystyle W = -\Delta E = \frac{p_iV_i - p_fV_f}{\gamma-1} = nC_V(T_i - T_f)\) |
\(dQ = 0\) donc \(dS = 0\) ; \(T\uparrow \Rightarrow p\uparrow\), \(T\uparrow \Rightarrow V\downarrow\), \(V\uparrow \Rightarrow p\downarrow\) ; gaz parfait pour les formules en \(\gamma\) |
| Détente libre | \(\displaystyle\Delta T = \left(\frac{p\kappa - T\beta}{\kappa C_V}\right)\Delta V\) | \(\Delta E = 0\), \(\Delta W = 0\) ; \(= 0\) pour un gaz parfait, refroidit un gaz réel ; \(\Delta S \gt 0\) |
| Conduction thermique | \(\displaystyle\frac{\Delta Q}{\Delta t} = -kA\frac{\Delta T}{\Delta x}\) ; \(\displaystyle j_Q = -k\frac{\Delta T}{\Delta x}\) Résistance thermique \(\displaystyle R = \frac{\Delta x}{kA}\) ; \(\displaystyle\dot Q = \frac{\Delta T}{R}\) ; série \(R = \sum R_i\) ; parallèle \(\displaystyle\frac1R = \sum\frac1{R_i}\) |
\(k\) en W/(m K) (table 12.1 : cuivre 380, verre 0,95, air 0,023) ; \(R\) en K/W |
| Équation de la chaleur | \(\displaystyle\frac{\partial E}{\partial t} = -A\frac{\partial j_Q}{\partial x}\Delta x\) ou \(\displaystyle\frac{\partial\rho_E}{\partial t} = -\frac{\partial j_Q}{\partial x}\) \(\displaystyle\frac{\partial^2T}{\partial x^2} = \frac1K\frac{\partial T}{\partial t}\) où \(\displaystyle K = \frac{k}{\rho_m c}\) |
\(d\rho_E = \rho_m c\,dT\) ; \(K\) : diffusivité (m²/s) ; étalement \(\sim\sqrt{Kt}\), temps \(\sim L^2/K\) |
Cours 5 - Les machines thermiques
| Bilan d'un cycle | \(Q_h = W + Q_c\) ; \(\displaystyle W = \oint p\,dV\) ; \(\displaystyle Q = \oint T\,dS\) ; \(Q_{net} = W_{net}\) | aires intérieures des diagrammes p-V et T-S ; \(\Sigma\Delta E = 0\), \(\Sigma\Delta S = 0\) sur un cycle | |||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Rendement d'un moteur | \(\displaystyle e = \frac{W}{Q_h} = \frac{Q_h - Q_c}{Q_h}\) | réfrigérateur : \(e = Q_c/W\) ; pompe à chaleur : \(Q_h/W\) | |||||||||||||||||||||||||
| Table 13.1 (gaz parfait, \(n\) moles) |
\(pV = nRT\), \(C_V = \frac{\nu}{2}R\), \(C_p = C_V + R\), \(\gamma = (\nu+2)/\nu\) ; adiabatique \(W = (p_iV_i - p_fV_f)/(\gamma-1)\) | ||||||||||||||||||||||||||
| Rendement de Carnot | \(\displaystyle e_{Carnot} = \frac{Q_h - Q_c}{Q_h} = 1 - \frac{Q_c}{Q_h} = 1 - \frac{T_c}{T_h}\) Pour un cycle de Carnot \(\displaystyle\frac{Q_h}{T_h} = \frac{Q_c}{T_c}\) |
isotherme \(T_h\), adiabatique, isotherme \(T_c\), adiabatique ; réversible (\(\Delta S = 0\)) ; limite supérieure de tout moteur | |||||||||||||||||||||||||
| Rendement de Otto | \(\displaystyle e_{essence} = 1 - \frac{T_c}{T_h} = 1 - \frac{1}{(V_{max}/V_{min})^{\gamma-1}}\) | \(TV^{\gamma-1} = \) cste sur les adiabatiques ; \(V_{max}/V_{min} = 8\), \(\gamma = 1{,}4\) : 0,56 théorique, 0,15 à 0,20 réel | |||||||||||||||||||||||||
| Travail de deux isothermes | \(\displaystyle W = nR\,(T_h - T_c)\ln\frac{V_{max}}{V_{min}}\) | linéaire en \(\Delta T\), logarithmique en rapport de volumes | |||||||||||||||||||||||||
Cours 6 - Gestion de la chaleur dans les systèmes électroniques
| Loi de Fourier | \(\displaystyle\dot Q_{cond} = kA\frac{T_H - T_B}{L} = \frac{T_H - T_B}{R_{cond}}\) où \(\displaystyle R_{cond} = \frac{L}{kA}\) | 1D, régime permanent, \(k\) constante, sans source ; \(k\) en W/(m K) | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Loi de Newton | \(\displaystyle\dot Q_{conv} = hA(T_H - T_B) = \frac{T_H - T_B}{1/(hA)} = \frac{T_H - T_B}{R_{conv}}\) où \(\displaystyle R_{conv} = \frac{1}{hA}\) | \(h\) en W/(m² K), dépend du fluide, de la géométrie et de l'écoulement (ordre de 10) | |||||||||
| Transfert thermique par rayonnement | \(\dot Q_{rad} = \varepsilon\,\sigma\,A\,(T_H^4 - T_B^4)\) | \(\sigma = 5{,}67\times10^{-8}\) W/(m² K⁴) ; \(0 \le \varepsilon \le 1\) ; \(T\) en K ; négligeable en électronique | |||||||||
| Réseaux de résistances | Série : \(R_{total} = R_{conv,1} + R_{cond,1} + \cdots + R_{conv,2}\) Parallèle : \(\displaystyle\frac{1}{R_{total}} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2}\) \(\displaystyle\dot Q = \frac{T_i - T_j}{R_{total,\,i-j}}\) |
même flux en série, même \(\Delta T\) en parallèle ; composite = groupes série et parallèle | |||||||||
| Pour une convection naturelle |
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plaque de longueur \(L\) à \(T_s\) dans un fluide au repos à \(T_\infty\) ; poussée d'Archimède | |||||||||
| Pour une convection forcée |
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air de vitesse \(V_\infty\) ; identifier le régime avant de calculer \(h\) | |||||||||
| Nombre de Reynolds | \(\displaystyle Re = \frac{VL}{\nu}\) | \(\nu\) : viscosité cinématique ; \(Re \lt 100\) laminaire, \(Re \gt 2000\) turbulent (cours) | |||||||||
| Refroidir | \(\dot Q_{conv} = hA(T_H - T_B)\) : augmenter \(A\), diminuer \(T_B\), augmenter \(h\) | dissipateur (ailettes), fluide froid, ventilateur / turbulence |
Cours 7 - La statistique quantique
| Probabilité d'un état (petit système dans un réservoir) | \(\displaystyle P_s = C\exp\!\left(-\frac{\Delta E + p\,\Delta V - \mu\,\Delta N}{kT}\right)\) ; \(\displaystyle \sum_s P_s = 1\) | \(\Delta E, \Delta V, \Delta N\) pris au réservoir \((T, p, \mu)\) ; vient de \(S_R = S_{R0} - (\Delta E + p\Delta V - \mu\Delta N)/T\) et \(\Omega_R = e^{S_R/k}\) |
|---|---|---|
| Cas classique (Boltzmann) | \(P_s = C e^{-\beta\varepsilon_s}\) avec \(\beta = 1/kT\) et \(\displaystyle C = \frac{1}{\sum_s e^{-\beta\varepsilon_s}}\) \(\displaystyle \frac{P_i}{P_j} = e^{-\beta(\varepsilon_i - \varepsilon_j)}\) Niveaux \(\varepsilon_n = n\varepsilon\) : \(C = 1 - e^{-\beta\varepsilon}\) |
particules en nombre fixe (\(\Delta N = 0\)), \(p\upsilon_s \ll \varepsilon_s\) ; le niveau de référence des énergies n'a pas d'importance ; \(kT = 0{,}0253\) eV à 293 K, \(k = 8{,}617\times10^{-5}\) eV/K |
| Cas quantique (un état, \(n\) particules) | \(P_n = C e^{-n\beta(\varepsilon - \mu)} = Ce^{-nx}\), \(x = \beta(\varepsilon - \mu)\), \(\displaystyle C = \frac{1}{\sum_n e^{-nx}}\) Fermions (\(n = 0, 1\)) : \(\displaystyle C = \frac{1}{1 + e^{-x}}\) ; bosons (\(n \ge 0\), \(x \gt 0\)) : \(C = 1 - e^{-x}\) |
état de volume fixe (\(\Delta V = 0\)) ; \(\varepsilon\) énergie d'une particule dans l'état, \(\mu\) potentiel chimique ; \(P_1/P_0 = e^{-x}\) |
| Niveaux dégénérés et bandes | \(P(\varepsilon_s) = n_s P_s\) ; \(\displaystyle \frac{P(\varepsilon_i)}{P(\varepsilon_j)} = \frac{n_i}{n_j}e^{-\beta(\varepsilon_i - \varepsilon_j)}\) \(\displaystyle P_{bande} = \int_{bande} g(\varepsilon)P(\varepsilon)\,d\varepsilon\) |
\(n_s\) : nombre d'états de même énergie ; \(g(\varepsilon)\) densité d'états ; une bande étroite devant \(kT\) se traite comme un niveau dégénéré |
| Température d'excitation | \(\displaystyle T_e = \frac{\varepsilon_1 - \varepsilon_0}{k}\) ; \(\displaystyle \frac{P_1}{P_0} = e^{-T_e/T}\) | \(T \ll T_e\) : système confiné au fondamental, le degré de liberté est gelé ; \(C_V = \tfrac{\nu}{2}R\) avec \(\nu\) qui passe 3 → 5 → 7 (gaz diatomique) ; solides : loi de Dulong et Petit \(C_V = 3R\) |
| Équipartition | \(\displaystyle \bar\varepsilon = \sum_s P_s\varepsilon_s = \frac{\int e^{-\beta b\xi^2} b\xi^2\,d\xi}{\int e^{-\beta b\xi^2}\,d\xi} = \frac{1}{2\beta} = \frac{1}{2}kT\) \(\varepsilon = b|\xi|^{\alpha}\) : \(\bar\varepsilon = kT/\alpha\) |
par degré de liberté quadratique (position ou quantité de mouvement) ; vrai pour un système classique |
| Vitesse quadratique moyenne (mouvement brownien) | \(\displaystyle \bar\varepsilon_{trans} = \tfrac{1}{2}m\overline{v^2} = \tfrac{3}{2}kT\) ; \(\displaystyle v_{rms} = \sqrt{\overline{v^2}} = \sqrt{\frac{3kT}{m}}\) | 3 degrés de liberté de translation ; en 2D (particule à une surface) \(v_{rms} = \sqrt{2kT/m}\) ; distance parcourue en un temps \(t\) : environ \(v_{rms}t\) |
| Nombre d'occupation | \(\displaystyle \bar n = \sum_n nP_n = -\frac{\partial}{\partial x}\ln\!\left(\sum_n e^{-nx}\right)\), \(x = \beta(\varepsilon - \mu)\) \(\displaystyle \bar n_{fermions} = \frac{1}{e^{x} + 1}\) ; \(\displaystyle \bar n_{bosons} = \frac{1}{e^{x} - 1}\) ; \(\displaystyle \bar n = \frac{1}{e^{\beta(\varepsilon-\mu)} \pm 1}\) |
+ fermions (Fermi-Dirac, spin demi-entier : e, trou, p, n, μ), − bosons (Bose-Einstein, spin entier : photon, α, deutéron, He-4, π) ; fermions : \(\bar n = 1/2\) à \(\varepsilon = \mu\) ; bosons : il faut \(\mu \lt \varepsilon\) ; la somme se tronque pour d'autres règles d'occupation (0, 1, 2 : « goofions ») |
| Fluctuations | \(\sigma^2 = \overline{n^2} - \bar n^2 = \bar n(1 \mp \bar n)\) | − fermions (petites sauf près de \(\mu\)), + bosons (plus grandes que \(\bar n\)) |
| Cas classique et comparaison | \(\displaystyle \bar n_{classique} = NP_s = NCe^{-\beta\varepsilon_s}\) ; \(\displaystyle e^{\beta\mu} = \frac{N}{\sum_s e^{-\beta\varepsilon_s}}\) \(\varepsilon - \mu \gg kT\) : \(\bar n_{cl} \approx \bar n_B \approx \bar n_F \approx e^{-\beta(\varepsilon - \mu)}\) \(\varepsilon - \mu \lesssim kT\) : \(\bar n_{bosons} \gt \bar n_{classique} \gt \bar n_{fermions}\) |
haute énergie ou faible occupation : les trois statistiques coïncident ; à basse énergie elles diffèrent à cause du comptage des occupations multiples |
| Comptage des arrangements (\(n\) particules, \(m\) états) | \(\Omega_D = m^n\) ; \(\Omega_{cl} = m^n/n!\) ; \(\Omega_{bosons} = C_{n+m-1}^{\,n}\) ; \(\Omega_{fermions} = C_m^{\,n}\) | 2 particules, 2 états : 4 / 2 / 3 / 1 ; 3 particules, 3 états : 27 / 4,5 / 10 / 1 ; la correction \(1/n!\) est exacte pour l'occupation simple seulement |
| Limite du cas classique | \(\displaystyle \frac{V_rV_p}{h^3} \gg N\) → \(\displaystyle \frac{rp}{h} \gg 1\) avec \(\displaystyle r \approx \left(\frac{V}{N}\right)^{1/3}\), \(p \approx \sqrt{3mkT}\) |
nombre d'états quantiques ≫ nombre de particules ; équivaut à \(r \gg h/p\) (longueur d'onde de de Broglie) ; N₂ de l'air : 120 (classique) ; électrons du cuivre : 0,04 (dégénéré) |
| Potentiel chimique (complément) | \(\displaystyle N = \sum_s \bar n_s\) ; faible densité : \(\displaystyle \mu = kT\ln\frac{N}{\sum_s e^{-\beta\varepsilon_s}}\) Bosons dégénérés : \(\mu \approx -kT/N\) ; fermions dégénérés : \(\displaystyle \mu_{T=0} = \varepsilon_F \approx \frac{h^2}{2m}\left(\frac{N}{V}\right)^{2/3}\) |
\(\mu\) est fixé par le nombre total de particules ; \(\varepsilon_F\) énergie de Fermi (cuivre : ordre de 10 eV, soit \(10^5\) K) |