Comment décrire le comportement d’un système physique composé d’un grand nombre (10^23) particules ? La thermodynamique classique permet d’appréhender certains aspects de ce problème mais ne répond pas à toutes les questions.
Ce cours commence par présenter une première tentative pour aller plus loin : une approche « mécanique » par la cinétique des gaz. L’étude de la distribution des vitesses permet de faire émerger une quantité qui ressemble à l’entropie.
On propose ensuite un intermède avec une brève introduction à la théorie de l’information, qui montre l’intérêt de l’entropie dans des domaines variés tels que la compression de fichier ou l’inférence statistique.
Le cours revient ensuite à la physique statistique plus traditionnelle, en montrant l’intérêt d’une approche non plus « mécanique » mais « ensembliste » pour l’étude des grands systèmes. On commence par l’étude d’un système isolé (ensemble microcanonique), puis celle d’un système en équilibre avec un thermostat (ensemble canonique), et d’un système en équilibre avec un thermostat et un réservoir de particules (ensemble grand-canonique). La physique quantique s’immisce dans le débat quand il faut tenir compte de l’indiscernabilité des particules.
Plusieurs applications du formalisme développé sont alors traitées : réaction chimique en phase gazeuse, gaz réels, solutions, adsorption, gaz parfaits d’électrons, rayonnement du corps noir…
