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Description illustration de l'article Responsable de l’UE : Marie Jardat, Professeur UPMC

1. Descriptif de l’UE

Volumes horaires globaux : CM 24h, TD 24h, Tutorat 12h
Nombre de crédits de l’UE : 6 ECTS
Barème total/100 : Ecrits / 40,  CC / 60.

 

2. PrÉsentation pÉdagogique de l’UE

Description de l’UE

L’objectif de cette UE est de faire le lien entre les propriétés moléculaires des liquides et leurs propriétés macroscopiques. On présentera les concepts de base de la thermodynamique statistique et leur application à la description des liquides. On montrera comment décrire l’organisation dans ces milieux et comment caractériser le déplacement des molécules. Ces concepts seront illustrés par de nombreux exemples choisis parmi les milieux vivants, d’intérêt environnemental ou industriel.
Cette UE, en présentant les concepts de thermodynamique statistique, donne un éclairage nouveau sur les compétences précédemment acquises en thermodynamique, dans les UE de L2 et L3 LC232, LC242, LC302 et LC332. Cette UE fournit les prérequis permettant de poursuivre en M2 CAPT avec une coloration modélisation/théorie. Elle fournit notamment les bases permettant ultérieurement de suivre l’UE NC830 (Modélisation multiéchelle des systèmes complexes.

Mots clÉs

Thermodynamique statistique, interactions intermoléculaires et lien avec l’organisation dans les liquides, équations de transport, diffusion, flux.

Objectifs d’apprentissage

  • connaître la notion d’ensemble statistique, écrire la fonction de partition d’un ensemble et faire le lien avec les grandeurs thermodynamiques macroscopiques
  • savoir interpréter les fonctions de distribution radiales d’un liquide
  • connaître la nature des interactions intermoléculaires et leur intensité relative typique
  • savoir exprimer la densité de flux de matière dans un liquide en présence de diffusion et d’un champ extérieur
  • connaître le principe des méthodes permettant de mesurer un coefficient de diffusion
  • connaître l’expression du potentiel électrostatique créé par un macroion chargé en présence d’un sel, ou par une surface chargée (Debye-Hückel et Gouy-Chapman) ; connaître les hypothèses et limites des modèles
  • discuter des intensités relatives des interactions électrostatiques et de Van der Waals pour deux colloïdes chargés, discuter des conséquences de ces interactions (sédimentation / stabilité)

ThÈmes abordÉs

I) Décrire les propriétés macroscopiques des liquides à l’aide de la mécanique statistique

  • 1)Les états de la matière

Points de vue macroscopique et microscopique (introduction des fonctions de distribution radiales, notions d’interactions intermoléculaires)

  • 2)Notions de thermodynamique statistique
    • a)Introduction (en partie historique)
    • b)Notion d’équilibre et d’irréversibilité
    • c)Notion d’ensemble statistique
  • 3)Description statistique d’un système de particules identiques
    • a)Etat quantique d’un système
    • b)Etats accessibles d’un système
    • c)Irréversibilité et entropie
    • d)Systèmes en interaction
  • 4)Système en contact avec un réservoir
    • a)Réservoir de chaleur : ensemble canonique
    • b)Réservoir de chaleur et de particules : Ensemble grand canonique
  • 5)Physique statistique dans l’approximation classique
  1. a)Conditions d’application de l’approximation classique
  2. b)Probabilité dans l’ensemble canonique
  3. c)Application au gaz parfait monoatomique
  4. d)Autres systèmes
  5. e)Ensemble microcanonique et cas du gaz parfait
  6. f)Description des liquides simples dans l’ensemble canonique
  • 6)Introduction aux simulations moléculaires
    • a)Dynamique moléculaire
    • b)Méthodes Monte Carlo

III ) Décrire le mouvement dans les liquides

  • 1)Le phénomène de diffusion
    • a)Introduction
    • b)Loi de Fick, coefficient de diffusion
    • c)Ordres de grandeur, exemples
    • d)L’équation de la diffusion
    • e)Aspects microscopiques de la diffusion (mouvement brownien)
    • f)Autres phénomènes de transport en solution, exemples
  • 2)Détermination expérimentale d’un coefficient de diffusion
    • a)Echelles de temps
    • b)Diffusion Rayleigh forcée
    • c)RMN à gradient de champ pulsé
    • d)Traceurs radioactifs
  • 3)Etude de quelques systèmes d’intérêt environnemental
    • a)Argiles
    • b)Suspensions colloïdales (Modèle de Debye Hückel, Théorie DLVO, applications)

4) Généralisation : relations flux/force
Pour chaque point, de nombreux exemples seront traités, en particulier en montrant les résultats de simulations numériques.


IV ) Décrire la structure des liquides aux interfaces chargées


1 ) Modèle de Helmholtz
2 ) Modèle de Gouy-Chapman
3 ) Correction de Stern
4 ) Exemples physicochimiques, environnementaux et analytiques

 

V ) Décrire la dynamique des réactions
1 )  Etat de transition, barrière d'activation
2 ) Catalyse enzymatique
3 ) Limitation par la diffusion
4 ) Systèmes de taille réduite, fluctuation (approche expérimentale)

Langue d’enseignement

Français

 

 

PLANNING des enseignements

Début des cours le mardi 7 janvier 2012 de 9h00 à 12h30 et de 13h30 à 17h00 en F508