Thermodynamique

La thermodynamique est la science qui traite des transferts d’énergie d’un état initial (I) à un état final (F) (principe 1)[1]. Pour l’évolution entre l’état initial et final, cette science est préoccupée par les échanges de chaleur et la variable entropie (principe 2). La thermodynamique est fondée sur quatre postulats décrivant le cadre mathématique des deux principes fondamentaux (principes 1 et 2). Les autres principes (0 et 3) sont redondants[2],[3],[4],[5],[6],[7].

Système thermodynamique typique

Sources[8],[9].

Un système thermodynamique est constitué d'un grand nombre de particules (typiquement, le nombre d'Avogadro NA). Pour l'étude de ce système, la thermodynamique s'intéresse à des propriétés d'ensemble et non aux comportements individuels[10] de chaque entité. Il s'agit d'une approche « phénoménologique » dans la mesure où elle établit des relations entre des propriétés macroscopiques sans faire intervenir les mécanismes microscopiques sous-jacents.

La physique statistique, quant à elle, prend comme point de départ les lois de la physique qui régissent le mouvement des atomes. Le développement de la physique statistique a vu le jour après celui de la thermodynamique.  À cause de l'échelle microscopique de ces systèmes, on perd le contrôle sur les paramètres.

Comme l'étude d'un système thermodynamique ignore le comportement microscopique des systèmes qu'elle se propose d'étudier, on doit « fabriquer » des grandeurs macroscopiques comme la température, la chaleur et l'entropie.

Ces variables rendent cohérente la description thermodynamique macroscopique de la matière.

Ainsi, une bonne utilisation de la thermodynamique repose en partie sur la capacité de faire une distinction entre les différentes échelles.  Cela passe par la détermination d'un système, d'une représentation et d'une variance appropriés. Par exemple, s’il n’y avait pas suffisamment de particules dans un système « mal défini », il serait difficile de faire la différence entre le travail et la chaleur[11]. Pourtant, les deux variables sont différentes à notre échelle d'humain. D'un autre côté, si on analysait le comportement de chaque atome et que l'on sommait séparément les résultats, ce serait différent et moins pertinent que de seulement faire une analyse macroscopique. Pour faire une bonne séparation, on admet que les déplacements des particules individuelles sont négligeables devant le mouvement d'ensemble ou ne l’affecte pas. On peut ainsi définir la chaleur (transfert d'énergie qui n’affecte pas la position du barycentre du système ni ses contours), par opposition au travail, l'énergie interne, et l'entropie normalisée par la température[12]. Les erreurs d'échelle sont communément faites, même par des experts. Par exemple, le GIEC de l'ONU compte les experts climatiques de 158 pays. Ces experts ont défini les objectifs climatiques de 2050 en degrés Celsius et en concentration de CO2. On ne peut pas prendre la température d'un atome avec un thermomètre, ni celle d'une planète (encore moins celle du Soleil). Ce sont des erreurs très faciles à faire, vu le niveau d'abstraction relié aux différentes échelles. Une façon de détecter les erreurs de changements d'échelle est d'envisager le calcul d'erreurs.

Caractéristiques

Sources[8],[9].

Voici les caractéristiques essentielles d’un système thermodynamique :

  1. Le système est macroscopique : il comporte un très grand nombre de particules (typiquement un nombre proche de NA) ;
  2. Le système est fermé, c’est-à-dire que le système à l’instant t est constitué des mêmes particules qu’à l’instant t = 0 (même lorsque l’on souhaite étudier un système ouvert, on commence par se ramener à un système fermé).

Le but de la thermodynamique est de caractériser l’état du système au temps originaire et final. L’évolution du système est décrite par l’entropie. On observe généralement trois types de transformation dans la nature[13] :

  1. Brutale ;
  2. Quasi statique ;
  3. Cyclique.

Caractérisation du système thermodynamique

Représentation

Source[14].

Lorsque l’on détermine les variables permettant de caractériser le système, on fait la « représentation du système ».

Variance

Tandis que le nombre des variables suffisantes et nécessaires s’appelle la « variance du système ».

Variables intensives et extensives

Sources[15],[16].

Une variable intensive est une variable homogène de degré 0 par rapport à la quantité de matière.  Autrement dit, elle est indépendante de la quantité de matière.

Une variable extensive est une variable homogène de degré 1 par rapport à la quantité de matière. Autrement dit, elle varie proportionnellement avec la quantité de matière.

Principes de la thermodynamique

Les deux premiers principes sont les principaux[17],[18],[19],[20].

Premier principe de la thermodynamique

Pour comparer l’état initial et l'état final du système on se sert du premier principe de la thermodynamique.

Énoncé

Pour tout système thermodynamique on peut définir à une constante près une fonction U, appelée énergie interne et ayant les propriétés suivantes :

  • U est une fonction d'état (elle ne dépend que des états initial et final de la transformation). Elle est décrite par des variables nécessaires et suffisantes ;
  • U est extensive ;
  • U se conserve dans un système isolé.

Au cours d'une transformation infinitésimale entre un état initial et un état final, la variation U de l'énergie interne d'un système fermé vérifie[21] :

où :

désigne la variation de l'énergie cinétique ;
la variation de l'énergie potentielle extérieure ;
le travail des forces du milieu extérieur sur le système (la dérivée est partielle puisqu'il y a plusieurs chemins possibles) ;
la quantité de chaleur reçue du milieu extérieur au système (la dérivée est partielle puisqu'il y a plusieurs chemins possibles).

Explication du premier principe

Le premier principe de la thermodynamique, ou principe de conservation de l'énergie, affirme que l'énergie est toujours conservée. Autrement dit, l’énergie totale d’un système isolé reste constante[22]. Les événements qui s’y produisent ne se traduisent que par des transformations de certaines formes d’énergie en d’autres formes d’énergie. L’énergie ne peut donc pas être produite ex nihilo ; elle est en quantité invariable dans la nature. Elle ne peut que se transmettre d’un système à un autre. On ne crée pas l’énergie, on la transforme.
Ce principe est aussi une loi générale pour toutes les théories physiques (mécanique, électromagnétisme, physique nucléaire...) On ne lui a jamais trouvé la moindre exception, bien qu'il y ait parfois eu des doutes, notamment à propos des désintégrations radioactives. On sait depuis le théorème de Noether que la conservation de l'énergie est étroitement reliée à une uniformité de structure de l'espace-temps.
Elle rejoint un principe promu par Lavoisier : « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme ».

Deuxième principe de la thermodynamique

Pour décrire l’évolution de la transformation entre l’état final et initial, on se sert du deuxième principe de la thermodynamique et de l’entropie.

Énoncé

Il existe une fonction S appelée entropie, telle que :

  • S est extensive ;
  • S est une fonction d’état à l’équilibre ;
  • au cours de l’évolution d’un système fermé, l’entropie du système vérifie l’inégalité suivante aux points d'échange :

où :

désigne la variation d'entropie (J/K) ;
la chaleur reçue (J) ;
T la température (K) ;
le ou les points d'échange.

Note : quand l’entropie maximale est atteinte, la température est la même partout dans le système.

Explication du deuxième principe

Le deuxième principe de la thermodynamique, ou principe d'évolution des systèmes, affirme la dégradation de l'énergie : l'énergie d'un système passe nécessairement et spontanément de formes concentrées et potentielles à des formes diffuses et cinétiques (frottement, chaleur, etc.) Il introduit ainsi la notion d'irréversibilité d'une transformation et la notion d'entropie. Il affirme que l'entropie d'un système isolé augmente, ou reste constante.
Ce principe est souvent interprété comme une « mesure du désordre » et comme l'impossibilité du passage du « désordre » à l'« ordre » sans intervention extérieure. Cette interprétation est fondée sur la théorie de l'information de Claude Shannon et la mesure de cette « information » ou entropie de Shannon.
Ce principe a une origine statistique : à la différence du premier principe, les lois microscopiques qui gouvernent la matière ne le contiennent qu'implicitement et de manière statistique. En revanche, il est assez indépendant des caractéristiques mêmes de ces lois, car il apparaît également si l'on suppose des lois simplistes à petite échelle.

Principe 0

Énoncé du principe 0

Si A est en équilibre thermique avec B, et B avec C, alors C est en équilibre thermique avec A[23].

Explications

Le principe zéro de la thermodynamique concerne la notion d'équilibre thermique et est à la base de la thermométrie. Si deux systèmes sont en équilibre thermique avec un troisième, alors ils sont aussi ensemble en équilibre thermique.

Principe 3

Énoncés du troisième principe

Source[24].

Version 1 selon le postulat 4

L'entropie S d'un système thermodynamique en équilibre interne se rapproche d'une constante universelle S0, indépendante de la phase, quand la température absolue T tend vers zéro. Alternativement, on peut dire que S → S0 dans un état pour lequel la quantité tend vers 0, où {e} représente les membres restants d'un ensemble complet de variables extensives. Par convention, et en accord avec la mécanique statistique, la valeur de cette constante universelle S → S0 est considérée comme nulle. L'entropie étant une fonction de la température qui augmente de façon monotone, cette convention fait que l'entropie est une quantité positive. On reconnaît le postulat 4 dans l'énoncé du troisième principe.

Version 2 selon l'intuition

Source[25].

Il n'y a aucune séquence finie de processus cycliques qui peut réussir à refroidir un corps au zéro absolu.

Explications

Le troisième principe de la thermodynamique est associé à la descente vers son état quantique fondamental d'un système dont la température s'approche d'une limite qui définit la notion de zéro absolu. En thermodynamique classique ce principe sert, pour l'établissement de tables de données thermodynamiques, au calcul de l'entropie molaire S d'un corps pur (par intégration sur la température, à partir de S = 0 à 0 K).

Postulats au soutien des principes de la thermodynamique

Les principes de la thermodynamique sont décrits d’une façon plus générale à l’aide de quatre postulats[26],[27].

Postulat 1

Il existe des états d'équilibres macroscopiques qui sont complètement caractérisés par la spécification de l'énergie interne et des paramètres extensifs .

Postulat 2

Il existe une fonction appelée l'entropie . L'entropie est une fonction des paramètres extensifs, elle est définie pour tous les états d'équilibres et elle a la propriété suivante : les valeurs assumées des paramètres extensifs en l'absence de contraintes extérieurs sont celles qui maximisent l'entropie sur la variété des états d'équilibre contraints.

Postulat 3

Lorsque l'entropie de chaque sous systèmes constituants est une fonction homogène de premier ordre des paramètres extensifs, l'entropie du système global est la somme des entropies des systèmes constituants. L'entropie est alors continue et différentiable. Elle est alors une fonction monotone croissante de l'énergie.

Postulat 4

L'entropie de tout système disparaît dans l'état pour lequel :

Système thermodynamique typique : la chaleur se déplace du chaud vers le froid et le travail est extrait.

Histoire

Étude des propriétés de la chaleur et des machines thermiques

Les notions de chaleur et de température sont les plus fondamentales de la thermodynamique. Il est possible de définir la thermodynamique comme la science de tous les phénomènes qui dépendent de la température et de ses changements.

Chaleur et température

Chacun a une connaissance intuitive de la notion de température. Un corps est chaud ou froid, selon que sa température est plus ou moins élevée. Mais une définition précise est plus difficile. L’un des grands succès de la thermodynamique classique au XIXe siècle est d'avoir donné une définition de la température absolue d’un corps, qui a mené à la création de l'échelle kelvin. Celle-ci donne la température minimale pour tous les corps : zéro kelvin, soit −273,15 °C. Il s'agit du zéro absolu, dont le concept apparaît pour la première fois en 1702 avec le physicien français Guillaume Amontons.

La chaleur est plus difficile à définir. Une ancienne théorie, défendue notamment par Lavoisier, attribuait à un fluide spécial (invisible, impondérable ou presque) les propriétés de la chaleur, le calorique, qui circulerait d’un corps à un autre. Plus un corps est chaud, plus il contiendrait de calorique. Cette théorie est fausse au sens où le calorique ne peut pas être identifié à une quantité physique conservée. La thermodynamique définit la chaleur comme un transfert d'énergie désordonnée d'un système vers le milieu extérieur. En effet l'énergie thermique correspond à l'énergie cinétique de molécules se déplaçant et subissant des chocs de manière aléatoire (appelés mouvement brownien). L'énergie transférée est dite désordonnée au niveau microscopique, par opposition au transfert d'énergie ordonnée au niveau macroscopique réalisé par le biais d'un travail.

Machines thermiques

La thermodynamique classique a pris son essor comme science des machines thermiques ou science de la puissance motrice du feu.

Sadi Carnot a initié les études modernes des machines thermiques dans un mémoire fondateur, Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance (1824). Le cycle de Carnot, étudié dans ce mémoire, reste le principal exemple théorique d’étude des machines thermiques. Plutôt que « puissance motrice », on dit aujourd’hui que les machines thermiques fournissent un travail, et on s’interroge sur la façon d’utiliser la chaleur pour produire du travail continu.

La chaleur est produite par le mouvement des corps macroscopiques. Il suffit de frotter ses mains pour s’en rendre compte. Inversement, la chaleur peut mettre des corps macroscopiques en mouvement. On peut les appeler des machines à feu ou machines thermiques. Dans un système macroscopique, elles conservent leur mouvement tant qu’une différence de température entre une partie chaude et une partie froide est maintenue.

Exemples

Cette section présente quelques exemples où la puissance thermique joue un rôle.

  • Une bougie allumée met en mouvement l’air qui l’entoure. Un courant ascendant est créé au-dessus de la flamme. Il est perpétuellement renouvelé par un courant d’air froid arrivant par en dessous. On peut les observer dans une pièce calme avec une plume de duvet ou en approchant une autre flamme. Il s'agit d'un courant de convection.
  • L’eau dans une casserole sur le feu se met en mouvement comme l’air au-dessus de la bougie et comme tous les fluides au-dessus de surfaces suffisamment chaudes. Si on met un couvercle, un nouveau phénomène se produit. La vapeur soulève le couvercle, qui retombe ensuite pour être à nouveau soulevé, sans cesse jusqu’à épuisement du feu ou de l'eau, donc de la production de vapeur. On raconte que l’invention des machines à vapeur est liée à cette simple observation que l'on peut faire dans toutes les cuisines. Le mouvement du couvercle est trop petit pour être intéressant. Il s’arrête aussitôt commencé, car la vapeur qui le pousse s’échappe tout de suite. Mais si on remplace le couvercle par un piston dans un cylindre, on obtient un système avec piston qui peut être poussé par la vapeur ou tout autre gaz sur une longue course. Les machines à vapeur et les moteurs thermiques ne sont pas toujours construits sur le principe du piston et du cylindre. Les autres solutions ne sont pas très différentes. On peut considérer que l’expérience du couvercle de la casserole est à l’origine des inventions de tous les moteurs thermiques.
  • Avant les travaux de Sadi Carnot, les hommes connaissaient la turbine à vapeur. Elle se compose d'une boule de métal en rotation sur un axe. L’eau qu’elle contient est chauffée par en dessous. Deux jets de vapeur tangentiels et opposés mettent alors la boule en mouvement. Ce système n’a pas été amélioré avant les temps modernes. Les réacteurs des avions d’aujourd’hui (turbines à gaz) fonctionnent en grande partie sur le même principe que cet ancêtre de la turbine.
  • La puissance motrice du feu a été beaucoup plus développée pour faire des armes. La balle, l’obus, ou tout autre projectile, est poussé dans le canon par un gaz très chaud produit par la combustion de la poudre ou de tout autre explosif. Le canon forme un cylindre dans lequel circule un projectile qui joue le rôle du piston.
  • Les fluides de la surface terrestre, l’atmosphère et les océans, sont mis en mouvement par la chaleur du Soleil. Pour les océans, la gravitation joue aussi un rôle dans les marées. La puissance du vent est donc une forme de la puissance motrice du feu.

Science des grands systèmes en équilibre

Définir la thermodynamique comme la science de l’équilibre des grands systèmes est une approche à la fois très rigoureuse et très générale.

Équilibre statistique et loi des grands nombres

Si l’on jette un même dé, bien équilibré, un grand nombre de fois, on est sûr par avance que les fréquences d’apparition de chacune des faces seront proches d'un sixième. Plus le nombre de lancers est grand, plus les fréquences sont égales parce que le dé « explore » également toutes les possibilités qui lui sont offertes. La même chose se produit si on verse une goutte de colorant dans un verre d’eau. Si on attend assez longtemps, le verre est devenu uniformément coloré parce que toutes les molécules ajoutées « explorent » également toutes les possibilités, les régions à l’intérieur du verre, qui leur sont offertes.

Ces observations peuvent être généralisées. Lorsqu’un système est très grand, et lorsqu’il y a un sens à parler de l’équilibre du système, on peut prédire avec certitude la destinée de l’ensemble alors même que les destinées des nombreux individus sont imprévisibles.

Petitesse des atomes

On sait aujourd’hui que les atomes, très petits, existent. Dans chaque échantillon de matière, il y a un très grand nombre d’atomes, par exemple des milliards de milliards dans un minuscule grain de sable. La physique des corps macroscopiques est donc toujours une physique des grands systèmes.

Équilibres thermiques

L’étude des équilibres thermiques a une immense portée. Toutes les formes de la matière (gaz, liquides, solides, semi-fluides...) et tous les phénomènes physiques (mécaniques, électriques et magnétiques, optiques...) peuvent être étudiés en raisonnant sur l’équilibre des grands systèmes. La thermodynamique, que l’on identifie alors plutôt à la physique statistique, est une des bases les plus solides sur laquelle est édifiée notre compréhension de la matière.

Grandeurs extensives et intensives

Les variables d'état sont des grandeurs (indépendantes) qui servent à définir le système et dont il suffit de fixer la valeur pour reconstituer un système exactement identique. Parmi les grandeurs physiques qui déterminent l'état thermodynamique d'un système, et peuvent donc servir de variable d'état, on distingue les variables extensives et intensives.

Un système peut toujours être divisé — par la pensée — en parties qui occupent des régions disjointes de l'espace.

Une variable d'état est extensive lorsque sa valeur pour le système entier est la somme de ses valeurs pour chacune de ses parties. Exemples :

Une variable d'état est intensive lorsque dans un système homogène sa valeur est la même pour le système entier et pour chacune de ses parties. Exemples :

Une grandeur physique peut aussi n'être ni extensive ni intensive, le carré du volume par exemple.

Les grandeurs extensives sont proportionnelles à la quantité de matière : volume, énergie interne, enthalpieetc. Les grandeurs intensives sont indépendantes de la quantité de matière : pression, température, viscositéetc.

Notes et références

  1. (en) P K Nag, Basic and Applied Thermodynamic, New Delhi, Tata Mc Graw Hill, , 781 p. (ISBN 0-07-047338-2), p. 1
  2. (en) Jean Philippe Ansermet et Sylvain D Brechet, Principles of Thermodynamic, Cambridge, UK, University Printing House, , 548 p. (ISBN 9781108426091), p. 3-5, 8, 26-31
  3. (en) Wolfgang Nolting, Theoretical Physic 5 - Thermodynamic, Berlin, Springer, , 292 p. (ISBN 978-3-319-47910-1), p. 2-7, 18, 29, 38
  4. Michel Pullicino, Thermodynamique - PCSI/MPSI/PTSI, Paris, Nathan, , 158 p. (lire en ligne [PDF])
  5. Georges Faverjon, Thermodynamique MPSI, Paris, Bréal, , 196 p. (ISBN 2749502306)
  6. Michel Pullicino, Thermodynamique - PCSI/MPSI/PTSI, Paris, Nathan, coll. « Classe Prépa », , 287 p. (ISBN 978-2-09-160329-2)
  7. (en) Herbert Callen, Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics, Philadelphie, John Wiley & Sons, , 512 p.
  8. a et b (en) Andre Thess, The Entropy Principle - Thermodynamic for the unsatisfied, Llmenau, Germany, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, , 197 p. (ISBN 978-3-642-13348-0), p. 11-
  9. a et b P K Nag, op. cit., p. 2-.
  10. Ibid., p. 1-3.
  11. Herbert Callen, op. cit., p. 25, paragraphe 1.9.
  12. Olivier Bonnefoy, Thermodynamique, Saint-Étienne, Privé, , 110 p. (lire en ligne [PDF]), p. 6
  13. Philippe Ribière, Préparation EPNER, EPNER, , 86 p. (lire en ligne [PDF]), p. 7-9
  14. Ibid., p. 7-.
  15. Olivier Bonnefoy, op. cit., p. 9-.
  16. Philippe Ribière, op. cit., p. 7-.
  17. JP Durandeau et MB Mauhourat, Thermodynamique MPSI, Paris, Hachette, , 261 p. (ISBN 9782011817563), p. 85-
  18. (en) Myron Kaufman, Principles of thermodynamic, New York, Basel, Marcel Decker Inc, , 405 p. (ISBN 0-8247-0692-7), Section 2.9-
  19. P K Nag, op. cit., p. 83-.
  20. Georges Faverjon, op. cit., p. 71-.
  21. Philippe Ribière, op. cit., p. 16.
  22. Ceci est vrai tant qu'il ne se produit pas un phénomène d'équivalence masse-énergie E=m.c2 ou bien encore en disant que la masse est de l'énergie.
  23. (en) Peter Atkins, The laws of thermodynamics, Oxford, Presses de l'université Oxford, , 121 p. (ISBN 978-0-19-957219-9), p. 5
  24. (en) Dr Thomas Sekerka, Thermal Physics, Pitsburg, PA, Elsevier, , 610 p. (ISBN 978-0-12-803304-3), p. 49-
  25. Peter Atkins, op. cit., p. 82-.
  26. Herbert B Callen, op. cit., p. 283, 284.
  27. Olivier Bonnefoy, op. cit., p. 15-16.

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes

Bibliothèque virtuelle

  • Roger Balian, Physique fondamentale et énergétique : les multiples visages de l'énergie : cours donné par l'auteur (Service de physique théorique du CEA, Saclay) à la première École d'été « e2phy » : L'énergie sous toutes ses formes : données scientifiques, contraintes, enjeux, 27-, site universitaire de Caen.
  • Roger Balian, Entropie, information : un concept protéiforme : texte d'une conférence donnée par l'auteur (Service de physique théorique du CEA, Saclay) à l'Université de tous les savoirs (239e conférence : Les États de la matière, , Conservatoire national des arts et métiers, Paris, vidéo de la conférence [vidéo]). Publiée par Yves Michaud (éditeur) ; Université de tous les savoirs (vol. 4), Odile Jacob (2001) p. 947-959 / Repris en édition de poche : Université de tous les savoirs (vol. 17), Poches Odile Jacob (2002) p. 205-220
  • Roger Balian, Le temps macroscopique : texte d'une conférence sur l'irréversibilité et l'entropie donnée par l'auteur (Service de physique théorique du CEA, Saclay) lors du premier colloque « Physique et interrogations fondamentales » : Le Temps et sa Flèche organisé par la Société française de physique le à Paris. Publié par : Étienne Klein & Michel Spiro (éd.) ; Le Temps et sa Flèche, Les Éditions Frontières (1994), p. 155-211. Repris en poche par Flammarion, coll. « Champs » (1995).
  • Roger Balian, Entropy, a Protean Concept : texte (en anglais) d'une conférence introductive donnée par l'auteur (Service de physique théorique du CEA, Saclay) au séminaire Poincaré du consacré à l'entropie. Publié dans : J. Dalibard, B. Duplantier et V. Rivasseau (éd.) ; Poincaré seminar 2003, Progress in Mathematical Physics 38, Birkhäuser (2004), 119-144.
  • (histoire des sciences) le texte fondateur de Sadi Carnot (1824), extrait en ligne et commenté sur le site BibNum.

Bibliographie

Vulgarisation

  • Bernard Brunhes, La dégradation de l'énergie, Paris, éd. Flammarion, coll. « Bibliothèque de philosophie scientifique », (réimpr. éd. Flammarion, coll. « Champs », no 251, 1991), 394 p. (OCLC 6492528).
  • Bernard Diu, Les atomes existent-ils vraiment, Paris, O. Jacob, coll. « Sciences », , 321 p. (ISBN 978-2-738-10421-2, notice BnF no FRBNF35862414).
  • Philippe Depondt, L'entropie et tout ça : le roman de la thermodynamique, Paris, Cassini, coll. « Le Sel et le Fer », , 311 p. (ISBN 978-2-842-25044-7).
  • P. W. Atkins (trad. F. Gallet), Chaleur et désordre : le deuxième principe de la thermodynamique, Paris, Pour la Science Diffusion Belin, coll. « Univers des Sciences », , 214 p. (ISBN 978-2-902-91840-9, OCLC 20448357). Par le célèbre professeur de chimie-physique de l'université d'Oxford, un ouvrage de vulgarisation de la thermodynamique des points de vue macroscopique et microscopique. Niveau premier cycle universitaire.

Ouvrages de référence

  • Pierre Infelta et Michael Grätzel, Thermodynamique principes et applications, Boca Raton, Brown Walker Press, (réimpr. 2010), 454 p. (ISBN 978-1-581-12995-3, OCLC 690405121). Cours niveau bac+1 à bac+3. Problèmes avec solutions. Avec Thermodynamique statistique (ISBN 1-58112-994-7) (livre électronique, ebook).
  • Georges Gonczi, Comprendre la thermodynamique : cours avec exercices résolus et commentés : niveau L, Paris, Ellipses, coll. « Physique-LMD, Universités-Écoles d'ingénieurs », , 260 p. (ISBN 978-2-729-82363-4, OCLC 70812214). Cours au niveau bac+1 ou bac+2 avec exercices résolus et commentés.
  • Georges Bruhat, A Kastler, R Vichnievsky et al., Cours de physique générale : à l'usage de l'enseignement supérieur scientifique et technique, Paris, Masson, , 6e éd., 887 p.. Georges Bruhat, mort en déportation durant la Seconde Guerre mondiale, était directeur du Laboratoire de physique de l'École normale supérieure de la rue d'Ulm. Ce cours de référence, devenu un « classique », est accessible à partir du premier cycle universitaire. Cette 6e édition a été revue et augmentée par Alfred Kastler, prix Nobel de physique 1966 pour ses travaux en physique atomique, notamment sur le pompage optique (utile au développement des lasers).
  • Yves Rocard, Thermodynamique, Paris, Masson, , 2e éd. (1re éd. 1952), 551 p. (OCLC 6501602, lire en ligne). Père de l'ancien Premier ministre Michel Rocard, l'auteur prit, après la Seconde Guerre mondiale, la suite de Georges Bruhat comme directeur du Laboratoire de physique de l'École normale supérieure de la rue d'Ulm. Cet autre cours de référence, devenu également un « classique », est accessible à partir du premier cycle universitaire.
  • Prigogine et Isabelle Stengers, La nouvelle alliance : métamorphose de la science, Paris, Gallimard, coll. « Folio/essais » (no 26), , 439 p. (ISBN 978-2-070-32324-1 et 2-070-32324-2, OCLC 300154208, notice BnF no FRBNF34875644), p. 400. Histoire de la naissance de la thermodynamique et du concept d'entropie et d'irréversibilité en physique.

Initiation à la physique statistique

  • Frederic Reif, Physique statistique, Cours de Physique de Berkeley (vol. 5), Armand Colin (1972), 398 p., réédité par Dunod. Ce volume 5 du célèbre Cours de Physique de Berkeley des années 1960 est un incontournable. Introduction accessible à un étudiant du premier cycle universitaire.
  • Bernard Jancovici, Thermodynamique et physique statistique, Ediscience (1969), 186 p. Réédité (sans les exercices) par Nathan Université dans sa collection « 128 Sciences » (1996), 128 p. L'auteur, professeur de physique théorique de l'université de Paris Sud-Orsay, a longtemps enseigné la physique statistique à l'ENS Ulm (MIP et DEA de physique théorique). Ce petit ouvrage est un cours d'introduction à la thermodynamique via la physique statistique élémentaire. Niveau premier cycle universitaire.
  • Percy W. Bridgman, The Nature of Thermodynamics, Harvard University Press (1941), 230 p. Réflexions sur le sens des deux principes de la thermodynamique. L'auteur, Bridgman, a reçu le prix Nobel de physique 1946 pour ses travaux sur les fortes pressions. Ce livre contient quelques équations, accessible au niveau du premier cycle universitaire.
  • (en) Mark W. Zemansky et Richard H. Dittman, Heat and thermodynamics: an intermediate textbook, Auckland Singapore, McGraw-Hill, , 6e éd. (1re éd. 1937), 544 p. (ISBN 978-0-070-66647-4, OCLC 450205456). La première moitié de ce volume est un cours de thermodynamique purement macroscopique selon une approche expérimentale : le point de départ est le concept de température usuelle. Ce livre constitue une mine d'applications. Cette première partie de l'ouvrage est accessible au niveau du premier cycle universitaire. (La seconde moitié du livre est consacrée à l'approche de la thermodynamique via la physique statistique. Cette partie est plutôt du niveau du deuxième cycle universitaire.)
  • (en) Herbert B. Callen, Thermodynamics and an introduction to thermostatistics, New York, John Wiley & Sons, , 2e éd., 493 p. (ISBN 978-0-471-86256-7 et 978-0-471-61056-4, OCLC 11916089). Ce livre est le compagnon idéal de l'ouvrage précédent. En effet, la première partie (2/3) de ce volume est un cours de thermodynamique purement macroscopique selon une approche axiomatique : les postulats sont énoncés dès le premier chapitre, le concept de température en est déduit au chapitre suivant. Cette première partie de l'ouvrage est accessible au niveau du premier cycle universitaire, quoique certains développements formels soient d'un niveau plus élevé. (La seconde partie (1/3) du livre est consacrée à l'approche de la thermodynamique via la physique statistique. Cette partie est plutôt du niveau du deuxième cycle universitaire.)
  • Ryogo Kubo, Thermodynamics, John Wiley & Sons, 1960, ouvrage classique de thermodynamique, niveau deuxième cycle universitaire.
  • A.B. Pippard, Elements of Classical Thermodynamics - For Advanced Students of Physics, Cambridge University Press (1957), 173 p. Réédition : (ISBN 0-521-09101-2). Niveau deuxième cycle universitaire.

Niveau deuxième cycle universitaire

  • Bernard Diu, Claudine Guthmann, Danielle Lederer et al., Éléments de physique statistique, Paris, Hermann, , 1028 p. (ISBN 978-2-705-68531-7, OCLC 892826767).
  • Roger Balian, Du microscopique au macroscopique : cours de physique statistique de l'École polytechnique, Palaiseau Paris, École polytechnique Ellipses, , 639 p., 2 vol. (ISBN 978-2-729-89000-1 et 978-2-729-89001-8). Un cours de physique statistique, qui s'appuie sur la connaissance préalable de la mécanique quantique. Une version révisée et plus détaillée, comprenant des chapitres sur la thermodynamique hors équilibre et la cinétique, a été publiée en anglais en deux volumes sous le titre From microphysics to macrophysics: methods and applications of statistical physics (Springer Verlag, 2007). Roger Balian, chercheur au Service de physique théorique du CEA (Saclay), est membre de l'Académie des sciences. Niveau deuxième cycle universitaire.
  • (en) Frederic Reif, Fundamentals of statistical and thermal physics, New York, McGraw-Hill, , 651 p. (ISBN 978-0-070-51800-1). Ouvrage classique de physique statistique. Niveau deuxième cycle universitaire.
  • (en) Linda E. Reichl, A modern course in statistical physics, New York, John Wiley & Sons, , 2e éd., 822 p. (ISBN 978-0-471-59520-5). Un ouvrage moderne déjà classique. Linda Reichl est professeur de physique statistique à l'université d'Austin, Texas (États-Unis). Niveau deuxième cycle universitaire.
  • (en) Kerson Huang , Statistical mechanics, New York, John Wiley & Sons, , 2e éd., 493 p. (ISBN 978-0-471-81518-1 et 978-0-471-85913-0). Ouvrage classique de physique statistique. Niveau deuxième cycle universitaire.
  • (en) Ryōgo Kubo, Hiroshi Ichimura, Tsunemaru Usui et Natsuki Hashitsume, Statistical mechanics : an advanced course with problems and solutions, Amsterdam New York, North Holland, coll. « personal library », (1re éd. 1965), 425 p. (ISBN 978-0-444-87103-9). Ouvrage classique de physique statistique. Niveau deuxième cycle universitaire.
  • (en) Alexandre Khintchine (trad. G. Gamow), Mathematical foundations of statistical mechanics [« Matematicheskie osnovanii︠a︡ statisticheskoĭ mekhaniki »], New York, Dover Publications,‎ (ISBN 978-0-486-60147-2). Ouvrage classique sur les fondements de la physique statistique, notamment l'hypothèse ergodique. Niveau deuxième cycle universitaire.

Aspects historiques

  • Anouk Barberousse, La Mécanique statistique. De Clausius à Gibbs, coll. « Histoire des sciences », Belin, 2002, 240 p. (ISBN 2-7011-3073-5).
    Cette collection originale propose une histoire du développement de la théorie cinétique des gaz basée sur des extraits des grands textes fondateurs (traduits en français) mis en perspective contemporaine par une historienne des sciences (CNRS). Accessible dès le niveau premier cycle universitaire.
  • (en) Stephen G. Brush, The Kind of Motion we call Heat - A History of the Kinetic Theories of Gases in the 19th Century (2 vol.), North-Holland, 1976. vol. 1 : Physics and the Atomists (ISBN 0-444-87008-3), 300 p. vol. 2 : Statistical Physics and Irreversible Processes (ISBN 0-444-87009-1), 470 p.
    Histoire érudite du développement de la théorie cinétique des gaz, par un professeur de mécanique des fluides de l'université du Maryland. Après une courte introduction générale (partie A), le premier volume adopte une approche classée par auteur (partie B). Le second volume (partie C) discute plus spécifiquement certains problèmes, et se termine par une bibliographie (partie D) qui renvoie à la littérature originale. Accessible dès le niveau premier cycle universitaire.
  • (en) Carlo Cercignani, Ludwig Boltzmann : the man who trusted atoms, Oxford New York, Oxford University Press, , 329 p. (ISBN 978-0-198-50154-1 et 978-0-198-57064-6, OCLC 38910156).
    Biographie scientifique de Boltzmann, par un professeur de physique mathématique de l'université de Milan, spécialiste de l'équation de Boltzmann. Niveau plutôt deuxième cycle universitaire.
  • (en) Paul Ehrenfest et Tatiana Ehrenfest, The conceptual foundations of the statistical approach in mechanics, New York, Dover Publications, , 114 p. (ISBN 978-0-486-66250-3, lire en ligne).
    Réédition d'un article classique paru initialement en 1912 (en allemand). Niveau deuxième cycle universitaire. Il existe une version française de ce texte, parue en 1915, dans le tome IV (Mécanique) de l'Encyclopédie des sciences mathématiques pures et appliquées, dont l'intitulé exact est le suivant : « Exposé, d'après l'article allemand de P. Ehrenfest et T. Ehrenfest (Leyde) par E. Borel (Paris) ». Réédition Jacques Gabay, 1991 (ISBN 2-87647-114-0).
  • (en) Peter M. Harman, Energy, Force & Matter - The Conceptual Developpments of 19th Century Physics, Cambridge University Press, 1982.
    Histoire du développement de la physique au XIXe siècle par un professeur d'histoire des sciences de l'université de Lancaster. Accessible dès le niveau premier cycle universitaire.
  • (en) Peter M. Harman, The Natural Philosophy of James-Clerk Maxwell, Cambridge University Press, 1998, 232 p. (ISBN 0-521-00585-X).
    La philosophie naturelle de Maxwell, fondateur de la théorie de l'électrodynamique et auteur d'importantes contributions en théorie cinétique des gaz, par un responsable de l'édition des œuvres scientifiques du maître. Accessible dès le niveau premier cycle universitaire.
  • Robert Locqueneux, Préhistoire et histoire de la thermodynamique classique (une histoire de la chaleur), Cahiers d'histoire et de philosophie des sciences, no 45, Société française d'histoire des sciences et des techniques, , 333 p. (ISSN 0221-3664).
    Essai sur les théories de la chaleur aux XVIIIe et XIXe siècles. Niveau premier cycle universitaire.
  • Jean-Pierre Maury, Carnot et la machine à vapeur, Paris, PUF, coll. « Philosophies », , 127 p. (ISBN 978-2-130-39880-6, OCLC 416641388, notice BnF no FRBNF34905835).
    Histoire du développement des machines à vapeur depuis leur naissance au XVIIe siècle jusqu'aux travaux théoriques de Carnot (Réflexions sur la puissance motrice du feu, 1824) qui posent les fondements de la thermodynamique. Niveau premier cycle universitaire.