Physique statistique

Exercice 18 ⭐️⭐️⭐️ Classique, MP/L2

Un dispositif, équivalent à un condensateur plan, est constitué de deux plaques parallèles identiques de grandes dimensions, d’aire S\displaystyle S, distantes de ℓ\displaystyle \ell, (ℓ≪S)\displaystyle \left(\ell\ll\sqrt{S}\right). La première, située en z=−ℓ/2\displaystyle z=-\ell/2 est au potentiel U/2\displaystyle U/2. La seconde, située en z=ℓ/2\displaystyle z=\ell/2, est au potentiel −U/2\displaystyle -U/2. Ces plaques se trouvent dans un milieu globalement neutre contenant des charges ±e\displaystyle \pm e des deux signes, et la répartition volumique des charges obéit à la loi ρ(z)=−aV(z)\displaystyle \rho(z)=-aV(z) avec a>0\displaystyle a>0. On étudie le champ et le potentiel entre les plaques, en négligeant les effets de bord.

  1. Déterminer V,E→\displaystyle V,\overrightarrow{E}. Comparer à ce qui se passe lorsqu’il y a du vide entre les deux plaques.

  2. Le dispositif est en équilibre thermique à la température T\displaystyle T. Justifier la relation ρ=−aV\displaystyle \rho=-aV avec la statistique de Boltzmann, dans le cas où ∣U∣≪kBTe\displaystyle \left|U\right|\ll\frac{k_{B}T}{e}.

Relation entre ρ\displaystyle \rho et V\displaystyle V 👉 Equation de Poisson.

  1. Les plaques étant de grandes dimensions, le potentiel et le champ ne dépendent que de z\displaystyle z, en négligeant les effets de bord. L’équation de Poisson ΔV+ρε0=0\displaystyle \Delta V+\frac{\rho}{\varepsilon_{0}}=0 s’écrit : V"−aV/ε0=0\displaystyle V"-aV/\varepsilon_{0}=0.

a\displaystyle a est en F.m−3\displaystyle \textrm{F.m}^{-3}, d’où a/ε0\displaystyle a/\varepsilon_{0} en m−2\displaystyle \textrm{m}^{-2}, l’équation est homogène. En tenant compte des conditions aux limites : V(z)=−U2sinh⁡(aε0ℓ2)sinh⁡(aε0z)V(z)=-\frac{U}{2\sinh\left(\sqrt{\frac{a}{\varepsilon_{0}}}\frac{\ell}{2}\right)}\sinh\left(\sqrt{\frac{a}{\varepsilon_{0}}}z\right).

E→(z)=aε0U2sinh⁡(aε0ℓ2)cosh⁡(aε0z)uz→.\overrightarrow{E}(z)=\sqrt{\frac{a}{\varepsilon_{0}}}\frac{U}{2\sinh\left(\sqrt{\frac{a}{\varepsilon_{0}}}\frac{\ell}{2}\right)}\cosh\left(\sqrt{\frac{a}{\varepsilon_{0}}}z\right)\overrightarrow{u_{z}}.

Dans le cas du vide , c’est le condensateur plan usuel : E→=Uℓuz→\displaystyle \overrightarrow{E}=\frac{U}{\ell}\overrightarrow{u_{z}} est uniforme et V(z)=Uz\displaystyle V(z)=Uz varie linéairement. On retrouve ce cas lorsque ℓ≪ε0a\displaystyle \ell\ll\sqrt{\frac{\varepsilon_{0}}{a}}.

  1. L’énergie potentielle d’une charge q dans le potentiel V\displaystyle V est Ep=qV\displaystyle E_{p}=qV. D’après Boltzmann, ρ+(z)=Aexp⁡(−eV(z)kBT)\displaystyle \rho^{+}(z)=A\exp\left(-\frac{eV(z)}{k_{B}T}\right) et ρ−=Bexp⁡(eV(z)kBT)\displaystyle \rho^{-}=B\exp\left(\frac{eV(z)}{k_{B}T}\right).

Avec ∣U∣≪kBTe\displaystyle \left|U\right|\ll\frac{k_{B}T}{e}, et un d.l. d’ordre 1 en eV(z)kBT:ρ(z)=ρ+(z)+ρ−(z)≃−(A−B)eV(z)kBT\displaystyle \frac{eV(z)}{k_{B}T} : \rho(z)=\rho^{+}(z)+\rho^{-}(z)\simeq-\left(A-B\right)\frac{eV(z)}{k_{B}T}. On retrouve la relation donnée avec a=(A−B)ekBT\displaystyle a=\left(A-B\right)\frac{e}{k_{B}T}.

Remarque : ρ(z)=ρ+(z)+ρ−(z)\displaystyle \rho(z)=\rho^{+}(z)+\rho^{-}(z) est impair comme V\displaystyle V, donc B=−A\displaystyle B=-A. On obtient dans le cas général ρ(z)=2Bsinh⁡(eV(z)kBT)\displaystyle \rho(z)=2B\sinh\left(\frac{eV(z)}{k_{B}T}\right), B\displaystyle B étant un coefficient de normalisation dépendant du nombre de charges présentes.

Exercice 70 ⭐️⭐️ Expérience de Kappler, MP/L2

L’expérience de Kappler en 1931 a pour objectif de déterminer la constante de Boltzmann kB\displaystyle k_{B}.
Un petit miroir est suspendu à un fil de quartz, de constante de torsion C\displaystyle C, confondu avec l’axe (Oz)\displaystyle \left(Oz\right). Quand le miroir tourne d’un angle θ\displaystyle \theta, il subit un couple de rappel −Cθuz→\displaystyle -C\theta\overrightarrow{u_{z}}.
Le miroir est éclairé par un faisceau lumineux qui arrive en incidence normale sur le miroir lorsqu’il est en équilibre.

  1. E\displaystyle E (en N.m−2\displaystyle ^{-2}) est le module d’Young du quartz. La constante de rappel C\displaystyle C dépend de E\displaystyle E, de la longueur du fil ℓ\displaystyle \ell et de son rayon r\displaystyle r. On sait qu’elle est inversement proportionnelle à ℓ\displaystyle \ell. En déduire la dépendance de E\displaystyle E avec r\displaystyle r, et en introduisant un coefficient de proportionnalité de l’ordre de l’unité, en déduire un ordre de grandeur de r\displaystyle r.
    Données : C=9,43.10−16N.m.rad−1,E=7,5.104 N.mm−2\displaystyle C=9,43.10^{-16}\textrm{N.m.rad}^{-1},E=7,5.10^{4}\textrm{ N.mm}^{-2}, ℓ\displaystyle \ell est de l’ordre de 1 m.

  2. Quand le miroir tourne de θ\displaystyle \theta, que vaut d\displaystyle d, la distance que parcourt le point d’impact du faisceau sur un écran situé à une distance L=1,00\displaystyle L=1,00 m du miroir ?

  3. L’ensemble est en équilibre thermique à la température T=287\displaystyle T=287 K. Exprimer ⟨θ2⟩\displaystyle \left\langle \theta^{2}\right\rangle. On mesure en fait ⟨d2⟩\displaystyle \left\langle d^{2}\right\rangle. Comment en déduire kB\displaystyle k_{B} ?
    A.N. ⟨d2⟩=1,68.10−5m2\displaystyle \left\langle d^{2}\right\rangle =1,68.10^{-5}\textrm{m}^{2}. Calculer kB\displaystyle k_{B}.

  1. [C]=M.L2.T−2,[E]=M.L−1.T−2\displaystyle \left[C\right]=M.L^{2}.T^{-2},\left[E\right]=M.L^{-1}.T^{-2} ; une équation de la forme C=αEℓr4C=\alpha\frac{E}{\ell}r^{4} où α\displaystyle \alpha est un scalaire, vérifie l’équation aux dimensions. En supposant que α\displaystyle \alpha est de l’ordre de l’unité, r∼(Cℓ/E)1/4r\sim\left(C\ell/E\right)^{1/4} et r\displaystyle r est de l’ordre du μ\displaystyle \mum, ce qui est très faible.

  2. Le faisceau incident est de direction fixe. Quand le miroir tourne de θ\displaystyle \theta, l’angle d’incidence passe de 0\displaystyle 0 à θ\displaystyle \theta, ainsi que l’angle de réflexion ; donc le faisceau réfléchi tourne de 2θ\displaystyle 2\theta et d=Ltan⁡(2θ).d=L\tan\left(2\theta\right).

  3. L’ensemble fil+miroir est un système en équilibre thermique à T\displaystyle T. Le théorème d’équipartition de l’énergie appliqué à ce système, indique que la valeur moyenne de chaque terme quadratique énergétique est égal à kBT/2\displaystyle k_{B}T/2. Donc pour l’énergie potentielle élastique du fil de torsion
    ⟨Ep⟩=⟨12Cθ2⟩=12kBT\displaystyle \left\langle E_{p}\right\rangle =\left\langle \frac{1}{2}C\theta^{2}\right\rangle =\frac{1}{2}k_{B}T. On en déduit pour des petits angles correspondants à des fluctuations thermiques avec d=L2θ\displaystyle d=L2\theta.
    kB=C⟨θ2⟩T=C⟨d2⟩4L2T.k_{B}=\frac{C\left\langle \theta^{2}\right\rangle }{T}=\frac{C\left\langle d^{2}\right\rangle }{4L^{2}T}.

A.N. kB=1,38.10−23J.K−1\displaystyle k_{B}=1,38. 10^{-23} J.K^{-1}.

Exercice 71 ⭐️⭐️ Systèmes à 2 niveaux, MP/L2/Classique

Un système, composé d’un grand nombre N\displaystyle N de particules identiques discernables indépendantes, est en équilibre avec un thermostat à la température T\displaystyle T. Chacune de ces particules possède deux niveaux d’énergie possibles, ε1\displaystyle \varepsilon_{1} et ε2\displaystyle \varepsilon_{2} avec ε1<ε2\displaystyle \varepsilon_{1}<\varepsilon_{2}. Dans la suite, β=(kBT)−1\displaystyle \beta=\left(k_{B}T\right)^{-1} où kB\displaystyle k_{B} est la constante de Boltzmann.

  1. Evaluer le nombre de particules N1\displaystyle N_1 dans l’état d’énergie ε1\displaystyle \varepsilon_{1} et le nombre de particules N2\displaystyle N_2 dans l’état d’énergie ε2\displaystyle \varepsilon_{2}. En déduire l’expression de l’énergie interne. Étudier les limites “basse” et “haute” température (notions à préciser).

On se place dans toute la suite le cas où ε1=−ε2\displaystyle \varepsilon_{1}=-\varepsilon_{2}.

  1. Exprimer l’écart quadratique ΔE\displaystyle \Delta E de l’énergie totale du système en fonction de N,T,kB,ε2\displaystyle N,T,k_{B},\varepsilon_{2}. On rappelle la relation ΔEE‾=1NΔεε‾\displaystyle \frac{\Delta E}{\overline{E}}=\frac{1}{\sqrt{N}}\frac{\Delta\varepsilon}{\overline{\varepsilon}}.

  2. Calculer la capacité thermique C\displaystyle C de ce système ainsi que C/R\displaystyle C/R pour N=NA\displaystyle N=\mathscr{\mathfrak{\mathcal{N}}}_{A}. Représenter l’allure des variations de C/R\displaystyle C/R en fonction de x=ε2/kBT\displaystyle x=\varepsilon_{2}/k_{B}T.

  3. Quelle relation retrouve-t-on entre les fluctuations de l’énergie totale et la capacité thermique ?

  4. Les particules sont des atomes dont le moment magnétique individuel est μ→\displaystyle \overrightarrow{\mu}.
    La projection de μ→\displaystyle \overrightarrow{\mu} sur l’axe (Oz)\displaystyle \left(Oz\right) peut prendre deux valeurs ±μB=9.10−24\displaystyle \pm\mu_{B}=9.10^{-24}A.m2\displaystyle ^{2}. Quelle est l’expérience qui a montré pour la première fois la quantification de la projection du moment magnétique atomique sur un axe ?
    Quelles sont les expressions de ε1\displaystyle \varepsilon_{1} et ε2\displaystyle \varepsilon_{2} ? À température ambiante, à quelle condition sur B0\displaystyle B_{0} se trouve-t-on dans la condition “basse température” ou “haute température” ? Commenter.
    kB=1,38.10−23\displaystyle k_{B}=1,38.10^{-23} J.K−1.\displaystyle ^{-1}.

Enérgie interne (ou énergie totale moyenne) 👉 E‾=N1ε1+N2ε2=Nε‾\displaystyle \overline{E}=N_{1}\varepsilon_{1}+N_{2}\varepsilon_{2}=N\overline{\varepsilon}.

  1. La probabilité pour une particule de se trouver dans l’état d’énergie ε1\displaystyle \varepsilon_{1} est p1=e−βε1e−βε1+e−βε2\displaystyle p_{1}=\frac{e^{-\beta\varepsilon_{1}}}{e^{-\beta\varepsilon_{1}}+e^{-\beta\varepsilon_{2}}}, d’où N1=Np1=Ne−βε1e−βε1+e−βε2.N_{1}=Np_{1}=N\frac{e^{-\beta\varepsilon_{1}}}{e^{-\beta\varepsilon_{1}}+e^{-\beta\varepsilon_{2}}}. De même, N2=Np2=Ne−βε2e−βε1+e−βε2.N_{2}=Np_{2}=N\frac{e^{-\beta\varepsilon_{2}}}{e^{-\beta\varepsilon_{1}}+e^{-\beta\varepsilon_{2}}}.

U=E‾=N1ε1+N2ε2=Nε1e−βε1+ε2e−βε2e−βε1+e−βε2.\displaystyle \begin{aligned}U&=\overline{E}=N_{1}\varepsilon_{1}+N_{2}\varepsilon_{2}\\&=N\frac{\varepsilon_{1}e^{-\beta\varepsilon_{1}}+\varepsilon_{2}e^{-\beta\varepsilon_{2}}}{e^{-\beta\varepsilon_{1}}+e^{-\beta\varepsilon_{2}}}.\end{aligned}
U=Nε1+ε2e−β(ε2−ε1)1+e−β(ε2−ε1).U=N\frac{\varepsilon_{1}+\varepsilon_{2}e^{-\beta\left(\varepsilon_{2}-\varepsilon_{1}\right)}}{1+e^{-\beta\left(\varepsilon_{2}-\varepsilon_{1}\right)}}.
Pour kBT≪ε2−ε1,U→Nε1\displaystyle k_{B}T\ll \varepsilon_{2}-\varepsilon_{1}, U\rightarrow N\varepsilon_{1}, tous les atomes sont dans l’état fondamental.
Pour kBT≫ε2−ε1,U→Nε1+ε22\displaystyle k_{B}T\gg \varepsilon_{2}-\varepsilon_{1}, U\rightarrow N\frac{\varepsilon_{1}+\varepsilon_{2}}{2}, les atomes sont répartis également dans les deux niveaux.

  1. La valeur moyenne de l’énergie d’une particule est
    ε‾=p1ε1+p2ε2=ε2tanh⁡(βε2)\displaystyle \overline{\varepsilon}=p_1\varepsilon_{1}+p_2\varepsilon_{2}=\varepsilon_{2}\tanh\left(\beta\varepsilon_{2}\right).
    De même,
    ε2‾=p1ε12+p2ε22=(p1+p2)ε12=ε22,\displaystyle \begin{aligned}\overline{\varepsilon^{2}}&=p_{1}\varepsilon_{1}^{2}+p_{2}\varepsilon_{2}^{2}\\&=\left(p_{1}+p_{2}\right)\varepsilon_{1}^{2}=\varepsilon_{2}^{2},\end{aligned} d’où
    (Δε)2=ε2‾−ε‾2=ε22[1−tanh⁡2(βε2)]=ε22cosh⁡2(βε2),\displaystyle \begin{aligned}\left(\Delta\varepsilon\right)^{2}&=\overline{\varepsilon^{2}}-\overline{\varepsilon}^{2}\\&=\varepsilon_{2}^{2}\left[1-\tanh^{2}(\beta\varepsilon_{2})\right] \\&=\frac{\varepsilon_{2}^{2}}{\cosh^{2}(\beta\varepsilon_{2})},\end{aligned}
    U=E‾=−Nε2tanh⁡(βε2)\displaystyle U=\overline{E} =-N\varepsilon_{2}\tanh\left(\beta\varepsilon_{2}\right). Avec ΔEE=1NΔεε‾\displaystyle \frac{\Delta E}{E}=\frac{1}{\sqrt{N}}\frac{\Delta\varepsilon}{\overline{\varepsilon}} , il vient ΔE=Nε2cosh⁡(βε2).\Delta E=\sqrt{N}\frac{\varepsilon_{2}}{\cosh(\beta\varepsilon_{2})}.

  2. La capacité thermique
    C=dU/dT=−Nε2(−ε2kBT2)1cosh⁡2(βε2)=Nε22kBT2cosh⁡2(βε2)..\displaystyle \begin{aligned}C&=dU/dT\\&=-N\varepsilon_{2}\left(-\frac{\varepsilon_{2}}{k_{B}T^{2}}\right)\frac{1}{\cosh^{2}\left(\beta\varepsilon_{2}\right)}\\&=\frac{N\varepsilon_{2}^{2}}{k_{B}T^{2}\cosh^{2}\left(\beta\varepsilon_{2}\right).}.\end{aligned}
    C/R=ε22(kBT)2cosh⁡2(βε2)=(βε2)2cosh⁡2(βε2)\displaystyle C/R=\frac{\varepsilon_{2}^{2}}{\left(k_{B}T\right)^{2}\cosh^{2}\left(\beta\varepsilon_{2}\right)}=\frac{\left(\beta\varepsilon_{2}\right)^{2}}{\cosh^{2}\left(\beta\varepsilon_{2}\right)}

  3. On vérifie le théorème de fluctuation-réponse : ΔE2=CkBT2.\Delta E^{2}=Ck_{B}T^{2}.

  4. L’énergie potentielle est Ep=−μ→.B→\displaystyle E_{p}=-\overrightarrow{\mu}.\overrightarrow{B}.
    Il s’agit de l’expérience de Stern et Gerlach (animation à voir ici sur l’excellent site https://toutestquantique.fr). Ici ε2=μBB0\displaystyle \varepsilon_{2}=\mu_{B}B_{0} et ε1=−μBB0\displaystyle \varepsilon_{1}=-\mu_{B}B_{0}.
    La condition “basse T\displaystyle T” est μBB0≫kBT\displaystyle \mu_{B}B_{0}\gg k_{B}T, soit B0≫4.102\displaystyle B_{0}\gg4.10^{2} T, non réalisable. On est nécessairement dans la limite haute température.

Exercice 72 ⭐️⭐️⭐️ Résistivité des métaux, MP/L2

À température T\displaystyle {T} usuelle, la résistivité ρ\displaystyle \rho d’un métal dépend de la probabilité pour un électron d’être diffusé lors des vibrations du réseau cristallin. La résistivité est ainsi proportionnelle au déplacement quadratique moyen d’un atome par rapport à sa position d’équilibre ρ=α(x2+y2+z2)‾\displaystyle \rho=\alpha\overline{\left(x^{2}+y^{2}+z^{2}\right)}, où α\displaystyle \alpha est une constante. Dans la suite, les interactions entre atomes sont négligées.

  1. Un atome de masse m\displaystyle m est soumis à une force de rappel centrale F→=−mω2r→\displaystyle \overrightarrow{F}=-m\omega^{2}\overrightarrow{r} proportionnelle au déplacement de l’atome par rapport à sa position d’équilibre. Quelle est l’énergie potentielle ep\displaystyle e_{p} associée ?

  2. Approche quantique
    Les trois degrés de liberté des N\displaystyle {N} atomes du réseau cristallin sont décrits comme 3N\displaystyle 3 {N} oscillateurs quantiques indépendants et discernables (phonons). Pour chaque oscillateur, les niveaux d’énergie quantifiés possibles sont εn=(n+12)ℏω\displaystyle \varepsilon_{n}=(n+\frac{1}{2})\hbar\omega appartenant à N\displaystyle \mathbb{N}. Tous les oscillateurs ont la même pulsation ω\displaystyle \omega
    a. Exprimer l’énergie moyenne d’un oscillateur. On pourra utiliser la fonction de partition z=∑n=0∞e−βεn\displaystyle z=\sum_{n=0}^{\infty}e^{-\beta \varepsilon_{n}}.
    b. Dans chaque état d’énergie, l’énergie cinétique moyenne et l’énergie potentielle moyenne sont égales. En déduire le déplacement quadratique moyen d’un atome, puis l’expression de la résistivité.
    c. Tracer sommairement l’allure de la résistivité en fonction de la température dans le cadre de ce modèle.
    d. Commenter la courbe donnant la résistance d’une sonde de Platine en fonction de la température.

  3. Approche classique ou limite continue :
    a. Quelle limite (haute température ou basse température) de l’approche quantique permet de retrouver l’approche continue classique ? Justifier que dans la gamme de température étudiée en 2d, un calcul classique est justifié pour le Platine. Dans la suite, on se place dans ce cadre.
    b. Exprimer ρ\displaystyle \rho en fonction des données. Conclure.

  4. Le déplacement quadratique moyen ℓ\displaystyle \ell d’un atome est de l’ordre du centième de nanomètre. En déduire l’ordre de grandeur de la température à partir de laquelle un calcul classique est suffisant. Données : masse molaire du Cuivre M=64\displaystyle M=64 g.mol−1\displaystyle ^{-1}, du Platine M=195\displaystyle M=195 g.mol−1\displaystyle ^{-1}.

Energie moyenne d’un oscillateur harmonique 👉 Remarquer que ε‾=−∂∂βln⁡(z)\displaystyle \overline{\varepsilon}=-\frac{\partial}{\partial\beta}\ln\left(z\right).

  1. En coordonnées cartésiennes,
    F→=−mω2(xux→+yuy→+zuz→)=−grad →ep=−(∂ep∂xux→+∂ep∂yuy→+∂ep∂zuz→).\displaystyle \begin{aligned}\overrightarrow{F}&=-m\omega^{2}\left(x\overrightarrow{u_{x}}+y\overrightarrow{u_{y}}+z\overrightarrow{u_{z}}\right)\\&=-\overrightarrow{\textrm{grad }}e_{p}\\&=-\left(\frac{\partial e_{p}}{\partial x}\overrightarrow{u_{x}}+\frac{\partial e_{p}}{\partial y}\overrightarrow{u_{y}}+\frac{\partial e_{p}}{\partial z}\overrightarrow{u_{z}}\right).\end{aligned}
    À une constante près, ep=12mω2(x2+y2+z2).e_{p}=\frac{1}{2}m\omega^{2}\left(x^{2}+y^{2}+z^{2}\right).

  2. a. Soit β=(kBT)−1\displaystyle \beta=\left(k_{B}T\right)^{-1}. L’énergie moyenne d’un oscillateur est
    ε‾=∑n=0∞(ℏω/2+nℏω)e−β(ℏω/2+nℏω)\displaystyle \overline{\varepsilon}=\sum_{n=0}^{\infty}(\hbar\omega/2+n\hbar\omega)e^{-\beta(\hbar\omega/2+n\hbar\omega)}.
    En posant
    z=e−βℏω/2∑n=0∞e−βnℏω=e−βℏω/2/(1−e−βℏω)=1/[2sinh⁡(βℏω/2)].\displaystyle \begin{aligned}z&=e^{-\beta\hbar\omega/2}\sum_{n=0}^{\infty}e^{-\beta n\hbar\omega}\\&= e^{-\beta\hbar\omega/2}/\left(1-e^{-\beta\hbar\omega}\right)\\&=1/\left[2\sinh\left(\beta\hbar\omega/2\right)\right].\end{aligned}
    ε‾=−∂∂βln⁡(z)=(ℏω/2)coth⁡(βℏω/2).\overline{\varepsilon}=-\frac{\partial}{\partial\beta}\ln\left(z\right)=\left(\hbar\omega/2\right)\coth\left(\beta\hbar\omega/2\right).
    b. Pour chaque oscillateur
    ep‾=ε‾/2⇒(x2+y2+z2)‾=3ε‾/(mω2)\displaystyle \overline{e_{p}}=\overline{\varepsilon}/2\Rightarrow\overline{\left(x^{2}+y^{2}+z^{2}\right)}=3\overline{\varepsilon}/\left(m\omega^{2}\right). D’où ρ=(3αℏ/2mω)coth⁡(βℏω/2).\rho=\left(3\alpha\hbar/2m\omega\right)\coth\left(\beta\hbar\omega/2\right).
    c. À haute température (βℏω→0),ρ∼3αkBT/(mω2)\displaystyle \left(\beta\hbar\omega\rightarrow0\right), \rho\sim3\alpha k_{B}T/\left(m\omega^{2}\right), la résistivité varie linéairement avec la température. À basse température (βℏω→∞)\displaystyle \left(\beta\hbar\omega\rightarrow\infty\right), ρ∼3αℏ/2mω\displaystyle \rho\sim3\alpha\hbar/2m\omega, la résistivité ne dépend pas de la température dans ce domaine.
    d. Sur le graphe, la résistance varie linéairement. Or la résistance est proportionnelle à la résistivité, on retrouve la limite “haute température”. On en déduit que ℏω≪kBT\displaystyle \hbar\omega\ll k_{B}T, pour T≥73K\displaystyle T\geq73 K.

  3. a. L’approche continue est justifiée pour les hautes températures, quand kBT\displaystyle k_{B}T est grand devant les écarts d’energie entre deux niveaux successifs. D’après 3d. on est bien dans ce cas pour le platine dans le domaine de température étudié.
    b. Chaque terme quadratique énergétique a une valeur moyenne égale à kBT/2\displaystyle k_{B}T/2. Donc 12mω2(x2+y2+z2‾)=32kBT\displaystyle \frac{1}{2}m\omega^{2}\left(\overline{x^{2}+y^{2}+z^{2}}\right)=\frac{3}{2}k_{B}T, soit x2+y2+z2‾=3kBTmω2\displaystyle \overline{x^{2}+y^{2}+z^{2}}=\frac{3k_{B}T}{m\omega^{2}} et ρ=α3kBTmω2.\rho=\alpha\frac{3k_{B}T}{m\omega^{2}}.

  4. mℓ2ω2/2=3kBT/2⇒ω=(3kBT/mℓ2)1/2\displaystyle m\ell^{2}\omega^{2}/2=3k_{B}T/2\Rightarrow\omega=\left(3k_{B}T/m\ell^{2}\right)^{1/2}. La condition βℏω≪1\displaystyle \beta\hbar\omega\ll1 donne T≫3ℏ2/(mkBℓ2)\displaystyle T\gg3\hbar^{2}/\left(mk_{B}\ell^{2}\right). Pour du cuivre (M=64\displaystyle M=64 g.mol−1\displaystyle ^{-1}), T≫60\displaystyle T\gg60 K, pour du platine T≫20\displaystyle T\gg20 K.
    Remarque — À très basse température, le modèle étudié ici ne suffit pas à décrire la résistivité des métaux.

Exercice 111 ⭐️⭐️⭐️⭐️ Membrane d’une cellule 1, ENS MP 2019, Spé/L2

Dans une cellule vivante à température ambiante, on observe une différence de potentiel de part et d’autre de la membrane qui sépare l’intérieur de la cellule, le cytoplasme, de l’extérieur. Par ailleurs, on observe une différence de concentration des ions K+\displaystyle \textrm{K}{}^{+} comme illustré ci-dessous.

  • Expliquer le phénomène, sachant que la membrane est imperméable à tous les ions sauf les ions K+\displaystyle \textrm{K}{}^{+}.
  • Déterminer la différence de potentiel de part et d’autre de la membrane cellulaire.

La cellule n’est évidemment pas unidimensionnelle, mais on considère ici une version simplifiée où les grandeurs étudiées ne dépendent que de x\displaystyle x. La membrane est schématisée ici par un double trait.

Remarque— Un énoncé plus détaillé (donc plus facile 🙂) est proposé dans l’exercice 112.
kB=1,38.10−23 J.K−1\displaystyle k_{B}=1,38.10^{-23}\textrm{ J.K}^{-1}, e=1,6.10−19C \displaystyle e=1,6.10^{-19}\textrm{C }.

Supposer un équilibre thermique, ce qui permet d’utiliser la loi de Maxwell-Boltzmann.

Analyse qualitative.
Considérons qu’initialement la concentration en ions K+\displaystyle \textrm{K}{}^{+} du cytoplasme et de l’extérieur sont différentes. Alors un phénomène de diffusion de particules apparait qui tend à s’opposer à cette inhomogénéité. Donc des ions K+\displaystyle \textrm{K}{}^{+} traversent la membrane. Comme ils sont les seuls à traverser, il va apparaitre une densité volumique de charge non nulle (négative) à l’intérieur où des charges + ont disparu, et à l’extérieur de la cellule (densité volumique de charge positive), donc un champ électrique dirigé de la région chargée positivement vers la région chargée négativement, donc de l’extérieur vers l’intérieur de la cellule.

Le champ électrique s’exerce en particulier sur les ions K+\displaystyle \textrm{K}{}^{+} eux-mêmes. L’équilibre est atteint lorsque le courant de diffusion de particules jP→=−Dgrad→n\displaystyle \overrightarrow{j_{P}}=-D\overrightarrow{\textrm{grad}}n dû à l’hétérogénéité des concentrations et le courant d’ions sous l’action du champ électrique jee→=nv→\displaystyle \overrightarrow{\frac{j_{e}}{e}}=n\overrightarrow{v} se compensent .
L’énergie potentielle d’un ion K+\displaystyle \textrm{K}{}^{+} de charge e\displaystyle e dans le potentiel électrique ψ\displaystyle \psi est Ep=eψ\displaystyle E_{p}=e\psi. Ainsi la loi de Boltzmann donnant la probabilité pour un ion d’avoir une énergie potentielle eψ\displaystyle e\psi conduit à une répartition de la population des ions qui vérifie
n(x)=n0exp⁡(−eψ(x)kBt).n\left(x\right)=n_{0}\exp\left(\frac{-e\psi\left(x\right)}{k_{B}t}\right).

nint=n0exp⁡(−eψintkBt)\displaystyle n_{int}=n_{0}\exp\left(\frac{-e\psi_{int}}{k_{B}t}\right)
et next=n0exp⁡(−eψextkBt)\displaystyle n_{ext}=n_{0}\exp\left(\frac{-e\psi_{ext}}{k_{B}t}\right) .
D’où, avec Δψ=ψint–ψext\displaystyle \varDelta\psi=\psi{}_{int}\text{\textendash}\psi_{ext},
ln⁡(nintnext)=−eΔψkBT.\ln\left(\frac{n_{int}}{n_{ext}}\right)=-\frac{e\Delta\psi}{k_{B}T}.

A.N. Avec T=300 K\displaystyle T=300\textrm{ K}, Δψ=−88\displaystyle \Delta\psi=-88 mV.

Exercice 112 ⭐️⭐️⭐️ Membrane d’une cellule 2, MP/L2

Cet énoncé reprend l’exercice 111 en précisant les étapes attendues dans la résolution.

  1. La membrane d’une cellule vivante possède une perméabilité sélective aux ions suivant la nature des ions. À l’intérieur de la cellule (cytoplasme), les cations majoritaires sont K+\displaystyle \textrm{K}{}^{+}. Nous considérons à présent le modèle unidimensionnel de Bernstein (1902) dans lequel seule la diffusion des ions K+\displaystyle ^{+} est prise en compte, la membrane étant supposée imperméable à tous les autres ions. De plus, la densité volumique des ions K+\displaystyle \textrm{K}{}^{+} dans le cytoplasme est beaucoup plus élevée qu’à l’extérieur.
    La cellule et son environnement sont en équilibre thermique à la température
    T\displaystyle T.
    Expliquer le mécanisme qui conduit à un équilibre. Justifier en particulier
    l’existence d’un champ électrostatique E→=E(x)ux→\displaystyle \overrightarrow{E}=E(x)\overrightarrow{u_{x}} , dû au déplacement des ions K+\displaystyle \textrm{K}{}^{+} . Dans quel sens est-il dirigé à l’équilibre?

  2. On suppose l’équilibre thermique réalisé. En déduire la différence de potentiel électrique Δψ=ψint–ψext\displaystyle \varDelta\psi=\psi{}_{int}\text{\textendash}\psi_{ext} entre l’intérieur et l’extérieur de la cellule, appelée potentiel de repos. Le résultat sera exprimé notamment en fonction de nint\displaystyle n_{int} et next\displaystyle n_{ext} où nint\displaystyle n_{int} et next\displaystyle n_{ext} représentent les concentrations des ions K+\displaystyle \textrm{K}{}^{+} à l’intérieur et à l’extérieur de la bactérie.
    Pour la cellule étudiée à température ambiante, en déduire la
    valeur numérique de son potentiel de repos Δψ\displaystyle \Delta\psi.

  3. (Question non posée dans la version ENS)
    Montrer que
    1ndndx=−ekBTdψdx,\frac{1}{n}\frac{dn}{dx}=-\frac{e}{k_{B}T}\frac{d\psi}{dx},
    où n(x)\displaystyle n(x) représente la densité volumique des ions K+\displaystyle \textrm{K}{}^{+} à l’abscisse x\displaystyle x et ψ(x)\displaystyle \psi(x) est le potentiel scalaire associé au champ électrostatique.
    Sous l’action d’un champ électrique E→\displaystyle \overrightarrow{E}, un ion K+\displaystyle K^{+} dans un milieu quelconque acquiert en régime permanent une vitesse v→=μE→\displaystyle \overrightarrow{v}=\mu\overrightarrow{E}, où μ\displaystyle \mu est la mobilité des ions dans le milieu. Déterminer l’expression de μ\displaystyle \mu dans la membrane en fonction du coefficient de diffusion particulaire D\displaystyle D dans la membrane cellulaire.

On donne la loi de Fick pour la diffusion de particules (hors programme MP) jP→=−Dgrad →n,\overrightarrow{j_{P}}=-D\overrightarrow{\textrm{grad }}n, où jP→\displaystyle \overrightarrow{j_{P}} est le vecteur densité de courant de particules en m−2.s−1\displaystyle \textrm{m}^{-2}.\textrm{s}^{-1}, n\displaystyle n est la densité particulaire, D\displaystyle D le coefficient de diffusion.

Système classique en équilibre thermique 👉 Loi de Maxwell-Boltzmann.

  1. Supposons qu’initialement la concentration en ions K+\displaystyle \textrm{K}{}^{+} du cytoplasme et de l’extérieur soient différentes. Alors un phénomène de diffusion de particules apparait qui tend à s’opposer à cette inhomogénéité. Donc des ions K+\displaystyle \textrm{K}{}^{+} traversent la membrane. Comme ils sont les seuls à traverser, il va apparaitre une densité volumique de charge non nulle (négative) à l’intérieur où des charges + ont disparu, et à l’extérieur de la cellule (densité volumique de charge positive), donc un champ électrique dirigé de la région chargée positivement vers la région chargée négativement, donc de l’extérieur vers l’intérieur de la cellule.
    Le champ électrique s’exerce en particulier sur les ions K+\displaystyle \textrm{K}{}^{+}
    eux-mêmes. L’équilibre est atteint lorsque le courant de diffusion
    de particules jP→=−Dgrad→n\displaystyle \overrightarrow{j_{P}}=-D\overrightarrow{\textrm{grad}}n dû à l’hétérogénéité des concentrations d’une part, et le courant d’ions sous l’action du champ électrique jee→=nv→\displaystyle \overrightarrow{\frac{j_{e}}{e}}=n\overrightarrow{v} d’autre part, se compensent .
  2. L’énergie potentielle d’un ion K+\displaystyle \textrm{K}{}^{+} de charge e\displaystyle e dans le potentiel électrique ψ\displaystyle \psi est Ep=eψ\displaystyle E_{p}=e\psi. Ainsi la loi de Boltzmann donnant la probabilité pour un ion d’avoir une énergie potentielle eψ\displaystyle e\psi conduit à une répartition de la population des ions qui vérifie
    n(x)=n0exp⁡(−eψ(x)kBt).n\left(x\right)=n_{0}\exp\left(\frac{-e\psi\left(x\right)}{k_{B}t}\right).
    nint=n0exp⁡(−eψintkBt)\displaystyle n_{int}=n_{0}\exp\left(\frac{-e\psi_{int}}{k_{B}t}\right)
    et next=n0exp⁡(−eψextkBt)\displaystyle n_{ext}=n_{0}\exp\left(\frac{-e\psi_{ext}}{k_{B}t}\right) .
    D’où
    ln⁡(nintnext)=−eΔψkBT.\ln\left(\frac{n_{int}}{n_{ext}}\right)=-\frac{e\Delta\psi}{k_{B}T}.
    A.N. Δψ=−88\displaystyle \Delta\psi=-88 mV
  3. En dérivant l’équation obtenue en 2),
    1ndndx=−ekBTdψdx=ekBTE.\frac{1}{n}\frac{dn}{dx}=-\frac{e}{k_{B}T}\frac{d\psi}{dx}=\frac{e}{k_{B}T}E.
    Comme vu en 1), les deux courants de particules (diffusion et électrique) se compensent :
    −Ddndx+nμE=0.-D\frac{dn}{dx}+n\mu E=0.
    D’où
    μD=ekBT.\frac{\mu}{D}=\frac{e}{k_{B}T}.

Exercice 152 ⭐️⭐️⭐️ Energie de N particules dans un puits infini, MP

Un ensemble de N\displaystyle N quantons identiques indépendantes, discernables, et sans interaction, de masse m\displaystyle m sont confinés dans un puits infini 0<x<L\displaystyle 0<x<L, et en équilibre thermique avec un thermostat de température T\displaystyle T.

  1. Rappeler sans démonstration les énergies possibles En\displaystyle E_{n} d’un quanton sous la forme En=ℏ2kn22m\displaystyle E_{n}=\frac{\hbar^{2}k_{n}^{2}}{2m} où l’on précisera l’expression de kn\displaystyle k_{n}. Eexprimer la probabilité d’occupation pn\displaystyle p_{n} par une particule du niveau d’énergie En\displaystyle E_{n}, en supposant vérifiée la répartition statistique de Boltzmann.

  2. La fonction de partition est définie par Z=∑n=1∞exp⁡(−βEn)\displaystyle Z=\sum_{n=1}^{\infty}\exp\left(-\beta E_{n}\right),
    où β=(kBT)−1\displaystyle \beta=\left(k_{B}T\right)^{-1}, kB\displaystyle k_{B} constante de Boltzmann.
    Montrer que l’énergie moyenne d’une particule est ⟨E⟩=−∂∂β(ln⁡Z)\displaystyle \left\langle E\right\rangle =-\frac{\partial}{\partial\beta}\left(\ln Z\right).

  3. On suppose dans la suite que l’énergie de confinement E1\displaystyle E_{1} est petite devant l’énergie d’agitation thermique, E1≪kBT\displaystyle E_{1}\ll k_{B}T. En déduire une condition sur la différence Δkn=kn+1−kn\displaystyle \Delta k_{n}=k_{n+1}-k_{n}.

Plus précisément, on se place dans le cas où L\displaystyle L est suffisamment grand pour que, f\displaystyle f étant une fonction sommable sur R+\displaystyle \mathbb{R^{+}},
∑n=1∞f(kn)=∑n=1∞f(kn)ΔknΔkn∼Lπ∫0∞f(k)dk\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}f(k_{n})=\sum_{n=1}^{\infty}f(k_{n})\frac{\Delta k_{n}}{\Delta k_{n}}\sim\frac{L}{\pi}\int_{0}^{\infty}f(k)dk.
En déduire un équivalent de la fonction de partition. Dans la suite, cette valeur sera utilisée pour Z\displaystyle Z.

  1. En déduire l’énergie moyenne de l’ensemble des particules. Commenter
    le résultat obtenu, en liaison avec le théorème d’équipartition de
    l’énergie.

Rappel ∫0∞exp⁡(−x2)dx=π2\displaystyle \int_{0}^{\infty}\exp\left(-x^{2}\right)dx=\frac{\sqrt{\pi}}{2}.

  1. Les énergies d’un quanton dans le puits infini sont (n\displaystyle n entier, n≥1)\displaystyle n\geq1)
    En=n2π2ℏ22mL2=ℏ2kn22mE_{n}=n^{2}\frac{\pi^{2}\hbar^{2}}{2mL^{2}}=\frac{\hbar^{2}k_{n}^{2}}{2m}
    avec kn=nπL\displaystyle k_{n}=\frac{n\pi}{L}.
    Selon Boltzmann, pn=exp⁡(−EnkBT)∑i=1∞exp⁡(−EikBT).p_{n}=\frac{\exp\left(-\frac{E_{n}}{k_{B}T}\right)}{\sum_{i=1}^{\infty}\exp\left(-\frac{E_{i}}{k_{B}T}\right)}.

  2. ⟨E⟩=∑n=1∞pnEn=∑n=1∞Enexp⁡(−EnkBT)∑i=n∞exp⁡(−EnkBT)=∑n=1∞Enexp⁡(−βEn)∑i=n∞exp⁡(−βEn)\displaystyle \left\langle E\right\rangle =\sum_{n=1}^{\infty}p_{n}E_{n}=\frac{\sum_{n=1}^{\infty}E_{n}\exp\left(-\frac{E_{n}}{k_{B}T}\right)}{\sum_{i=n}^{\infty}\exp\left(-\frac{E_{n}}{k_{B}T}\right)}=\frac{\sum_{n=1}^{\infty}E_{n}\exp\left(-\beta E_{n}\right)}{\sum_{i=n}^{\infty}\exp\left(-\beta E_{n}\right)}.
    Le dénominateur est égal à Z\displaystyle Z ; le numérateur est égal à −∂Z∂β\displaystyle -\frac{\partial Z}{\partial\beta}.
    D’où ⟨E⟩=−∂Z∂βZ=−∂∂β(ln⁡Z).\left\langle E\right\rangle =\frac{-\frac{\partial Z}{\partial\beta}}{Z}=-\frac{\partial}{\partial\beta}\left(\ln Z\right).

  3. E1≪kBT⟺π2ℏ22mL2≪kBT⟺Δkn=πL≪2mkBTℏ2\displaystyle E_{1}\ll k_{B}T\Longleftrightarrow\frac{\pi^{2}\hbar^{2}}{2mL^{2}}\ll k_{B}T\Longleftrightarrow\Delta k_{n}=\frac{\pi}{L}\ll\sqrt{\frac{2mk_{B}T}{\hbar^{2}}}.
    Selon l’énoncé,
    Z=∑n=1∞exp⁡(−βℏ2kn22m)∼Lπ∫0∞exp⁡(−βℏ22mk2)dk\displaystyle Z=\sum_{n=1}^{\infty}\exp\left(-\beta\frac{\hbar^{2}k_{n}^{2}}{2m}\right)\sim\frac{L}{\pi}\int_{0}^{\infty}\exp\left(-\frac{\beta\hbar^{2}}{2m}k^{2}\right)dk.
    En assimilant Z\displaystyle Z à cette valeur, et en posant x=kβℏ22m\displaystyle x=k\sqrt{\frac{\beta\hbar^{2}}{2m}},
    Z=Lπ2mβℏ2∫0∞exp⁡(−x2)dx=Lπ2mβℏ2π2=mL22πβℏ2\displaystyle Z=\frac{L}{\pi}\sqrt{\frac{2m}{\beta\hbar^{2}}}\int_{0}^{\infty}\exp\left(-x^{2}\right)dx=\frac{L}{\pi}\sqrt{\frac{2m}{\beta\hbar^{2}}}\frac{\sqrt{\pi}}{2}=\sqrt{\frac{mL^{2}}{2\pi\beta\hbar^{2}}},
    soit Z=12πβE1\displaystyle Z=\frac{1}{2}\sqrt{\frac{\pi}{\beta E_{1}}}.D’où
    ⟨E⟩=−∂∂β(ln⁡Z)=−∂∂β(ln⁡(m2πℏ2)−12ln⁡(β))=12β=kBT2.\displaystyle \begin{aligned}\left\langle E\right\rangle &=-\frac{\partial}{\partial\beta}\left(\ln Z\right)\\&=-\frac{\partial}{\partial\beta}\left(\ln\left(\sqrt{\frac{m}{2\pi\hbar^{2}}}\right)-\frac{1}{2}\ln\left(\beta\right)\right)\\&=\frac{1}{2\beta}=\frac{k_{B}T}{2}.\end{aligned}
    On retrouve pour chaque particule la limite classique lorsque L\displaystyle L
    est très grande. Il n’y a qu’un seul terme quadratique énergétique
    d’énergie potentielle, d’où
    ⟨E⟩=kBT2\displaystyle \left\langle E\right\rangle =\frac{k_{B}T}{2}.
    Pour les N\displaystyle N particules indépendantes, discernables et sans interaction
    (ce qui est le modèle du gaz parfait), l’énergie moyenne totale est
    U=NkBT2.U=N\frac{k_{B}T}{2}.

Le théorème d’équipartition de l’énergie indique que pour un système qui peut être décrit par la mécanique classique en équilibre avec un thermostat à la température T\displaystyle T, la valeur moyenne de chaque terme quadratique énergétique est égale à kBT2\displaystyle \frac{k_{B}T}{2}. Dans la limite “haute température” étudiée ici, on retrouve une approximation quasi continue pour les niveaux d’énergie, et pour chaque particule d’énergie égale à son énergie cinétique sur un axe (classiquement px22m)\displaystyle \frac{p_{x}^{2}}{2m}), on retrouve ⟨E⟩=kBT2\displaystyle \left\langle E\right\rangle =\frac{k_{B}T}{2}, conformément au théorème d’équipartition.

Exercice 153 ⭐️⭐️ Deux vitesses du son sur Mars, MP/L2

Le 1er\displaystyle ^{\textrm{er}} Avril 2022, un article paru dans Nature a permis d’en savoir plus sur la propagation du son sur Mars, dont l’atmosphère est à 98% composé de dioxyde de carbone CO2\displaystyle CO_{2}. Le micro, combiné à un laser, installé sur la Supercam du robot Perseverance a mesuré deux vitesses du son : ci=240\displaystyle c_{i}= 240 m.s−1\displaystyle ^{-1} pour les fréquences f<fr=240\displaystyle f<f_{r}=240 Hz et cs=250\displaystyle c_{s}= 250 m.s−1\displaystyle ^{-1} pour les fréquences f>fr\displaystyle f>f_{r}. De plus une forte atténuation des sons aigus est observée. Sur Mars, la pression P=0,6 kPa\displaystyle P=0,6\textrm{ kPa} et la température T=210 K\displaystyle T=210\textrm{ K}.

  1. Sur Terre, la vitesse de propagation du son dans CO2\displaystyle CO_{2} a été mesurée égale à c=258\displaystyle c= 258 m.s−1\displaystyle ^{-1} pour une pression P\displaystyle P de 1 bar, à 273 K. En assimilant CO2\displaystyle CO_{2} à un gaz parfait, déterminer son coefficient γ=Cpm/Cvm\displaystyle \gamma=C_{pm}/C_{vm}. En utilisant le théorème d’équipartition de l’énergie, en déduire le nombre de termes énergétiques quadratiques pour une molécule de CO2\displaystyle CO_{2}. Commenter et comparer aux molécules diatomiques usuelles. On rappelle pour un gaz parfait c=γRTM\displaystyle c=\sqrt{\frac{\gamma RT}{M}}, où M\displaystyle M est la masse molaire et T\displaystyle T la température. M(CO2)=44 g\displaystyle M\left(CO_{2}\right)=44\textrm{ g}.

  2. Quel devrait être la vitesse du son sur Mars dans le modèle du gaz parfait ?

  3. Dans les conditions physiques de Mars, le modèle de propagation du gaz parfait est invalide. Un modèle plus sophistiqué a permis aux auteurs de l’article de Nature d’obtenir deux valeurs différentes γi=1,29\displaystyle \gamma_{i}=1,29 et γs=1,40\displaystyle \gamma_{s}=1,40 de γ\displaystyle \gamma associées chacune aux deux vitesses ci\displaystyle c_{i} et cs\displaystyle c_{s}. En déduire le nombre de termes énergétiques quadratiques pour une molécule de CO2\displaystyle CO_{2} dans chaque cas et conclure .

  4. L’article de Nature explique que lors du passage d’une onde acoustique, une partie de l’énergie associée au mouvement de translation des molécules, qui est le phénomène en jeu dans la transmission de l’onde, est transformée temporairement en excitation des niveaux rotationnels et vibrationnels. La désexcitation rotationnelle est quasi-instantanée, mais la désexcitation vibrationnelle se fait avec un temps de relaxation qui dépend du nombre de chocs moléculaires par seconde. Sur Mars, où la pression est très faible, le nombre de chocs est faible, et τR=0,417 ms\displaystyle \tau_{R}=0,417\textrm{ ms}. Expliquer la présence de deux vitesses du son sur Mars, et l’atténuation des sons aigus.

Théorème d’équipartition de l’énergie 👉 À chaque terme quadratique énergétique d’un système classique en équilibre thermique est associée une énergie moyenne égale à kBT/2\displaystyle k_{B}T/2. Pour que le système puisse être décrit classiquement, il est nécessaire que kBT\displaystyle k_{B}T soit petit devant l’écart énergétique entre deux niveaux.

  1. γ=Mc2RT\displaystyle \gamma=\frac{Mc^{2}}{RT}.
    Avec la relation de Mayer Cpm−Cvm=R,Cvm=Rγ−1\displaystyle C_{pm}-C_{vm}=R, C_{vm}=\frac{R}{\gamma-1}.

A.N. : γ=1,29\displaystyle \gamma=1,29 et Cvm=3,4R\displaystyle C_{vm}=3,4R.

Le théorème d’équipartition de l’énergie attribue à chaque terme quadratique énergétique d’un système classique en équilibre thermique une énergie moyenne égale à kBT/2\displaystyle k_{B}T/2. Ici, l’énergie interne molaire du gaz est U=CvmT\displaystyle U=C_{vm}T avec Cvm≃72R=72NAkBT\displaystyle C_{vm}\simeq\frac{7}{2}R=\frac{7}{2}\mathcal{N_{A}}k_{B}T, ce qui correspond à 7 termes quadratiques ou 7 “degrés de liberté”.
Pour un gaz diatomique usuel aux températures usuelles, Cvm≃52R\displaystyle C_{vm}\simeq\frac{5}{2}R. Les degrés de liberté excités sont les trois degrés de liberté de translation et les deux degrés de liberté de rotation. Le degré de liberté vibrationnel (stretching= variation de la distance internucléaire) n’est pas excité car l’écart énergétique entre niveaux vibrationnels n’est pas petit devant kBT\displaystyle k_{B}T.
Pour la molécule triatomique CO2\displaystyle CO_{2}, d’autres modes de vibration sont possibles. D’après le résultat expérimental, il y a excitation de deux degrés de liberté suppémentaires (voir Remarque), soit en tout 3 de translation, 2 de rotation et 2 de vibration.

Remarque — Pour que le théorème d’équipartition s’applique, il faut que kBT\displaystyle k_{B}T soit petit devant l’écart entre niveaux d’énergie discrets. Ici kBT=1,38.10−23.273=3,8.10−21J\displaystyle k_{B}T=1,38.10^{-23}.273=3,8.10^{-21}\textrm{J}. La molécule triatomique CO2\displaystyle CO_{2} possède 2 modes de vibration de mêmes énergies et tels que l’écart entre deux niveaux vibrationnels est Δε=1,3.10−22J≪kBT\displaystyle \Delta\varepsilon=1,3.10^{-22}\mathbb{\textrm{J}\ll}k_{B}T. Dans ces modes, l’atome C\displaystyle C oscille de part et d’autre du segment défini par les deux O\displaystyle O.
2. Avec P=0,6 kPa\displaystyle P=0,6\textrm{ kPa} et T=210 K\displaystyle T=210\textrm{ K}, la relation c=γRTM\displaystyle c=\sqrt{\frac{\gamma RT}{M}} donne numériquement c=226 m.s−1\displaystyle c=226\textrm{ m.s}^{-1}.
Remarque— On a toujours Δε≪kBT=2,9.10−21J\displaystyle \Delta\varepsilon\ll k_{B}T=2,9.10^{-21}\textrm{J}.
3. Cvm=Rγ−1\displaystyle C_{vm}=\frac{R}{\gamma-1}.
Pour γi=1,29,Cvm=3,4R≃72R\displaystyle \gamma_{i}=1,29, C_{vm}=3,4R\simeq\frac{7}{2}R. Il y a 7 termes quadratiques indépendants énergétiques, comme sur Terre.
Pour γs=1,40,Cvm=2,5R≃52R\displaystyle \gamma_{s}=1,40, C_{vm}=2,5R\simeq\frac{5}{2}R. Il n’y a plus que 5 termes quadratiques indépendants !

  1. Lors du passage de l’onde sonore, il y a excitation de tous les degrés de liberté. Alors que sur Terre les désexcitations sont quasi instantanées et que l’énergie restituée est transformée en énergie de translation des atomes, qui permet à l’onde sonore de se propager, les désexcitations des deux modes vibrationnels se font lentement sur Mars. Ainsi ces modes vibrationnels absorbent de l’énergie mais ne la restituent pas suffisamment vite pour qu’elle puisse contribuer efficacement à la propagation de l’onde lorsque la fréquence de l’onde est trop grande. fR=1/τR=240 Hz\displaystyle f_{R}=1/\tau_{R}=240\textrm{ Hz} apparait comme la limite de fréquence à partir de laquelle les modes vibrationnels ne contribuent pas à la propagation de l’onde : il n’y a dans ce cas que 5 degrés de liberté utiles à la propagation du son.
    Cela explique
  • le fait qu’il y a deux vitesses
  • l’absorption des fréquences aigues : les modes vibrationnels ont pu être excités, il y a donc absorption d’énergie mais non restitution au profit de l’onde.