Physique statistique : modèles mathématiques, méthodes numériques

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• Publié par: Ubbi
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Extrait

P h y s i que s t at i s t i que : m odèl es m at hém at i ques , m ét hodes n um ér i ques G a b r i e l S T O L T Z C E R M I C S , E N P C ( M a r n e - l a - V a l l é e , F r a n c e ) I M P M C , U n i v e r s i t é P a r i s 6 e t 7 ( F r a n c e ) h t t p : / / c e r m i c s . e n p c . f r / ∼ s t o l t z / S t r a s b o u r g , 1 9 f é v r ie r 2 0 0 8 – p . 1 / 3 8P l a n d e l ’ e xp o sé I n t r o d u c t i o n à l a p h y s i q u e s t a t i s t i q u e D e s c r i p t i o n d e s s y s t è m e s m i c r o s c o p i q u e s E n s e m b l e s t h e r m o d y n a m i q u e s E n s e m b l e m i c r o c a n o n i q u e ( d y n a m i q u e H a m i l t o n i e n n e ) E c h a n t i l l o n n a g e d e l ’ e n s e m b l e c a n o n i q u e C a l c u l d e d i f f é r e n c e s d ’ é n e r g i e l i b r e L e s d i f f é r e n t e s t e c h n i q u e s ( p r é s e n t a t i o n g é n é r a l e ) U n c a s p a r t i c u l i e r d e m é t h o d e a d a p t a t i v e : A B F C o n v e r g e n c e d ’ A B F p a r m é t h o d e d ’ e n t r o p i e S t r a s b o u r g , 1 9 f é v r ie r 2 0 0 8 – p . 2 / 3 8P h ysi q u e st a t i st i q u e ( 1 ) ( a ) C r i s t a l d ’ a r g o n s o l i d e ( t e m p é r a t u r e b a s s e ) ( b ) F l u i d e d ’ a r g o n ( t e m p é r a t u r e h a u t e ) S t r a s b o u r g , 1 9 f é v r ie r 2 0 0 8 – p . 3 / 3 8P h ysi q u e st a t i st i q u e ( 2 ) L e c r i s t a l d ’ a r g o n f o n d - i l o u n e f o n d - i l p a s ? Q u e l l e e s t s o n é q u a t i o n d ’ é t a t ? l a p h y s i q u e q u a n t i q u e p e r m e t d e p r o p o s e r u n e m o d é l i s a t i o n d u s y s t è m e à l ’ é c h e l l e m o l é c u l a i r e ( r é s e a u , i n t e r a c t i o n s e n t r e p a r t i c u l e s ) l a p h y s i q u e s t a t i s t i q u e f a i t l e l i e n a v e c l a d e s c r i p t i o n m a c r o s c o p i q u e 700 1800 600 1600 1400 500 1200 400 1000 300 800 600 200 400 100 200 0 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Pression (MPa) Pression (MPa) D i a g r a m me p r e s s i o n / d e n s i t é d e l ’ a r g o n à T = 3 0 0 K . S t r a s b o u r g , 1 9 f é v r ie r 2 0 0 8 – p . 4 / 3 8 3 Densité (kg/m ) 3 Densité (kg/m )U n e p r o t é i n e : l ’ u b i q u i t i n e Q u e l l e e s t l a s t r u c t u r e d e l a p r o t é i n e ? Q u e l l e s s o n t s e s c o n f o r m a t i o n s t y p i q u e s e t c o m m e n t e n c h a n g e - t - e l l e ? S t r a s b o u r g , 1 9 f é v r ie r 2 0 0 8 – p . 5 / 3 8D e scr i p t i o n d ’ u n syst è m e cl a ssi q u e D e s c r i p t i o n m i c r o s c o p i q u e d ’ u n s y s t è m e c l a s s i q u e d e N p a r t i c u l e s : ∗ ( q , p ) = ( q , . . . , q , p , . . . , p ) ∈ T M 1 N 1 N P o s i t i o n s q ∈ M ( c o n fi g u r a t i o n ) , i m p u l s i o n s p = M q ˙ ( M m a t r i c e d e m a s s e ) ∗ 3 N 3 N 3 N 3 N P a r e x e m p l e , T M = R × R o u T × R I l e x i s t e d e s s i t u a t i o n s p l u s c o m p l i q u é e s : c a s d e s c o n t r a i n t e s m o l é c u l a i r e s o ù q ∈ M = { q ∈ M | σ ( q ) = 0 } σ E n e r g i e d u s y s t è m e N 2 p i H ( q , p ) = + V ( q , . . . , q ) 1 N 2 m i i = 1 T o u t e l a p h y s i q u e e s t c o n t e n u e d a n s l ’ e x p r e s s i o n d e V . S t r a s b o u r g , 1 9 f é v r ie r 2 0 0 8 – p . 6 / 3 8E x e m p l e d ’ é n e r g i e p o t e n t i e l l e : l e s g a z r a r e s P o t e n t i e l d e p a i r e : V ( q , . . . , q ) = V ( | q − q | ) 1 N 0 j i 1 ≤ i < j ≤ N C a s d u fl u i d e d e L e n n a r d - J o n e s : d é c r i t b i e n l e s g a z r a r e s d a n s d e s c o n d i t i o n s t h e r m o d y n a m i q u e s u s u e l l e s 0.5 0.4 P o u r u n e d i s t a n c e r = | q − q | 1 2 0.3 0.2 1 2 6 σ σ 0.1 V ( r ) = 4 ǫ − 0 r r 0 −0.1 −0.2 −0.3 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 Distance interatomique r − 1 0 P a r a m è t r e s p o u r l ’ a r g o n : σ = 3 . 4 0 5 × 1 0 m , ǫ / k = 1 1 9 . 8 K B P a r t i e i n t e r a c t i o n s à l o n g u e p o r t é e ≡ i n t e r a c t i o n s d e V a n d e r W a a l s S t r a s b o u r g , 1 9 f é v r ie r 2 0 0 8 – p . 7 / 3 8 Energie potentielle V(r)O r d r e s d e g r a n d e u r s e t o b j e ct i f s Q u e l q u e s o r d r e s d e g r a n d e u r . . . D i s t a n c e s t y p i q u e s : q u e l q u e s Å , é n e r g i e s t y p i q u e s à t e m p é r a t u r e − 2 1 a m b i a n t e ∼ k T ≃ 4 × 1 0 J B E t s u r t o u t n o m b r e d e m o l é c u l e s d a n s u n é c h a n t i l l o n m a c r o s c o p i q u e 2 3 ∼ N = 6 , 0 2 × 1 0 a t o m e s ! A O n n e p e u t d o n c p a s c o n s i d é r e r t o u s l e s d e g r é s d e l i b e r t é s d ’ u n s y s t è m e m a c r o s c o p i q u e . . . r é g i m e c i n é t i q u e o ù o n d é c r i t l e s y s t è m e p a r u n e d e n s i t é d e p r o b a b i l i t é d ’ u n e s e u l e p a r t i c u l e l i m i t e t h e r m o d y n a m i q u e q u a n d e l l e e x i s t e u t i l i s e r l a n o t i o n d ’ e n s e m b l e t h e r m o d y n a m i q u e ( p l u s o n a d e d e g r é s d e l i b e r t é s , l e c o m p o r t e m e n t d u s y s t è m e s e r a p p r o c h e d e s o n c o m p o r t e m e n t m o y e n ) E n p r a t i q u e , o n u t i l i s e a u s s i l a s i m u l a t i o n m o l é c u l a i r e p o u r f a i r e d e l a m i c r o s c o p i e n u m é r i q u e S t r a s b o u r g , 1 9 f é v r ie r 2 0 0 8 – p . 8 / 3 8O b j e ct i f s ( 2 ) – C a l cu l d e g r a n d e u r s t h e r m o d yn a m i q u e s G r a n d e u r s t h e r m o d y n a m i q u e s d ’ é q u i l i b r e ( p r e s s i o n , . . . ) = m o y e n n e : A = A ( q , p ) d ( q , p ) ⋆ T M I n t é g r a l e e n g r a n d e d i m e n s i o n ! O n a s o u v e n t r e c o u r s e n p r a t i q u e à d e s m o y e n n e s e r g o d i q u e s C h o i x d ’ u n e n s e m b l e t h e r m o d y n a m i q u e ≡ m e s u r e d e p r o b a b i l i t é d : m i c r o c a n o n i q u e ( N V E , é n e r g i e c o n s t a n t e ) ; c a n o n i q u e ( N V T , “ t e m p e r a t u r e c o n s t a n t e ” ) : m e s u r e d e B o l t z m a n n - G i b b s A u t r e s c h o i x p o s s i b l e s ( g r a n d - c a n o n i q u e , i s o b a r e , . . . ) C e r t a i n e s p r o p r i é t é s n e p e u v e n t p a s ê t r e c a l c u l é e s a i n s i ( é n e r g i e l i b r e , e n t r o p i e ) ! O n p e u t é g a l e m e n t c a l c u l e r d e s p r o p r i é t é s d e t r a n s p o r t S t r a s b o u r g , 1 9 f é v r ie r 2 0 0 8 – p . 9 / 3 8E x e m p l e s d ’ o b se r v a b l e s P r e s s i o n : N 2 1 p i A ( q , p ) = − q ∇ V ( q ) i q i 3 | M | m i i = 1 T e m p é r a t u r e : A = T a v e c N V T N 2 1 p i A ( q , p ) = 3 N k m B i i = 1 . C h a l e u r s p é c i fi q u e à v o l u m e c o n s t a n t : N a 2 2 C = ( H − H ) V 2 N k T B S t r a s b o u r g , 1 9 f é v r ie r 2 0 0 8 – p . 1 0 / 3 8