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La distribution de Boltzmann

1868
  • Ludwig Boltzmann
Physicien analysant les équations de distribution de Boltzmann dans un laboratoire d'époque.

(Image générée à titre d'illustration uniquement)

La distribution de Boltzmann décrit la probabilité qu'un système en équilibre thermique à la température T se trouve dans un micro-état spécifique d'énergie E. Cette probabilité est proportionnelle au facteur de Boltzmann, [latex]e^{-E / k_B T}[/latex]. Elle implique que les états à faible énergie ont exponentiellement plus de chances d'être occupés que les états à énergie plus élevée, la température modulant cette préférence.

La distribution de Boltzmann est un fondement de la mécanique statistique et constitue sans doute son résultat le plus utile pour les applications pratiques. On peut l'obtenir en considérant un petit système en contact thermique avec un grand réservoir de chaleur. Le système combiné (système + réservoir) est isolé, et en appliquant le principe d'entropie de Boltzmann (S = kB ln W) au réservoir, on peut déterminer la distribution d'énergie la plus probable pour le petit système. Il en résulte que la probabilité que le système soit dans l'état i d'énergie Ei est Pi ∝ e-Ei/kBT.

Le terme kBT représente l'énergie thermique caractéristique disponible à la température T. Le rapport E/kBT est sans dimension et détermine la probabilité. Si l'énergie E d'un état est très inférieure à l'énergie thermique (E ≤ kBT), le facteur exponentiel est proche de 1 et l'état est très probable. Si l'énergie E est très supérieure à l'énergie thermique (E ≥ kBT), le facteur est très petit et l'état est très peu probable. Cette dépendance exponentielle explique de nombreux phénomènes, comme l'augmentation rapide des vitesses de réaction chimique avec la température, car davantage de molécules possèdent l'énergie d'activation nécessaire.

UNESCO Nomenclature: 2211
– Thermodynamique

Taper

Système abstrait

Perturbation

Révolutionnaire

Usage

Utilisation généralisée

Précurseurs

  • Distribution des vitesses moléculaires dans un gaz selon James Clerk Maxwell (un cas particulier de la distribution de Boltzmann)
  • La théorie cinétique des gaz, qui reliait la température à l'énergie cinétique moyenne
  • Rudolf Clausius’s work on heat and the second law of thermodynamics
  • Le développement de la théorie des probabilités

Applications

  • physique des semi-conducteurs pour déterminer la densité des porteurs de charge
  • science atmosphérique pour modéliser la variation de pression avec l'altitude (formule barométrique)
  • cinétique chimique pour la dépendance à la température des taux de réaction (équation d'Arrhenius)
  • spectroscopie pour comprendre l'élargissement Doppler des raies spectrales

Brevets:

NA

Idées d'innovations potentielles

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En lien avec : distribution de Boltzmann, facteur de Boltzmann, équilibre thermique, distribution de probabilité, états d'énergie, mécanique statistique, température, ensemble canonique.

Contexte historique

La distribution de Boltzmann

1859
1861
1865
1868
1870
1873
1877
1859
1860
1861
1865
1869
1871
1876
1877

(si la date est inconnue ou non pertinente, par exemple « mécanique des fluides », une estimation arrondie de son émergence notable est fournie)

Inventions, innovations et principes techniques connexes

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