1 Plan du cours Introduction Notions de mécanique : force, énergie, travail, puissance… Température et chaleur Systèmes, transformations et échanges thermodynamiques Premier principe de la thermodynamique Second principe de la thermodynamique Brève introduction aux probabilités et à la statistique Notions élémentaires de mécanique statistique Théorie de l’information Placez le curseur sur l’illustration dont vous désirez connaître l’origine.

2 Introduction : notion de modèle Observer Énoncer un modèle Confronter les conclusions du modèle aux observations Corriger le modèle

3 Origine et évolution de la thermodynamique Dès l’antiquité, sources de travail : homme animaux de trait vent Aux XVIIe et XVIIIe siècles, apparition de la machine à vapeur Denis Papin ( ) Thomas Newcomen ( ) James Watt ( ) La relation entre travail et chaleur reste peu claire.

4 Machine de Newcomen

5 Machine de Watt

6 Machine à vapeur Pour un travail identique à celui fourni par la machine de Newcomen, celle de Watt a une consommation de charbon réduite de 75%. Jusqu’à quel point peut-on réduire la consommation ? Quel est le lien entre chaleur et travail ? Quel intérêt cela a-t-il de nos jours ?

7 Benjamin Thompson, comte Rumford ( ) An inquiry concerning the source of heat which is excited by friction (1798).

8 Rumford

9 Carnot En 1824, Carnot ( ) publie ses Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance. Sans indiquer de façon explicite que chaleur et travail sont deux formes d’énergie, il démontre le rendement théorique des machines à vapeur ou de toute autre machine similaire.

10 Sadi Carnot La puissance motrice de la chaleur est indépendante des agens mis en œuvre pour la réaliser ; sa quantité est fixée uniquement par les températures des corps entre lesquels se fait en dernier résultat le transport du calorique.

11 Expérience de Joule James Prescott Joule ( )

12 Expérience de Joule By a dynamometrical apparatus attached to his machine, the author has ascertained that, in all the above cases, a quantity of heat, capable of increasing the temperature of a pound of water by one degree of Fahrenheit's scale, is equal to the mechanical force capable of raising a weight of about eight hundred and thirty pounds to the height of one foot. On the calorific effects of magneto-electricity and on the mechanical value of heat (1843).

13 2 d principe à la Clausius Über die bewegende Kraft der Wärme und die Gesetze, welche sich daraus für die Wärmelehre selbst ableiten lassen (1850). Rudolf Clausius ( )

14 2 d principe à la Kelvin It is impossible, by means of inanimate material agency, to derive mechanical effect from any portion of matter by cooling it below the temperature of the coldest of the surrounding objects. On the Dynamical Theory of Heat (1852). William Thomson, lord Kelvin ( )

15 Thomson & Thompson William Thomson, Lord Kelvin Benjamin Thompson, Comte Rumford

16 2 d principe à la Planck Es ist unmöglich, eine Maschine zu konstruieren welche, arbeitend in einem kompletten Zyklus keinen Effekt produziert, anders als das Anheben eines Gewichts und das Abkühlen der Hitze in einem Vorratsbehälter. Thermodynamik (1897). Max Planck ( )

17 Mécanique statistique La thermodynamique n’établit aucun lien entre les propriétés des systèmes étudiés et leur constitution en termes d’atomes et de molécules. Ce lien est l’objet de la mécanique statistique, dont nous n’aborderons que les rudiments.

18 Mécanique statistique James Clerk Maxwell ( )

19 Le démon de Maxwell Theory of heat (1870).

20 L’entropie selon Boltzmann Ludwig Boltzmann ( )

21 L’entropie selon Gibbs Josiah Willard Gibbs ( )

22 De nos jours… La thermodynamique classique ne peut décrire que les systèmes en équilibre. Beaucoup d’efforts ont été fournis au XX e siècle pour faire progresser la compréhension des systèmes hors d’équilibre et la description des phénomènes irréversibles.

23 Phénomènes irréversibles Paul Ehrenfest ( ) Tatiana Ehrenfest ( )

24 Phénomènes irréversibles Lars Onsager ( )

25 Phénomènes irréversibles Ilya Prigogine ( )

26 La théorie de l’information La théorie de l’information prend naissance au XX e siècle, avec le développement des (télé)communications. À la suite des précurseurs Nyquist et Hartley, Shannon lui donne une assise solide. Nous aborderons dans ce cours le codage en l’absence de bruit et mentionnerons sans les discuter plus avant les codages de Huffman et de Ziv et Lempel. Nous discuterons brièvement le cas du codage en présence de bruit.

27 Les débuts… Certain factors affecting telegraph speed (1924). Certain topics in telegraph transmission theory (1928). Harry Nyquist ( )

28 Les débuts… Transmission of information (1928). Ralph Hartley ( )

29 Enfin Shannon vint A mathematical theory of communication (1948). Claude Shannon ( )

30 La théorie du codage Pour une transmission efficace de l’information, il est fait appel au codage. On distingue le codage de source, destiné à réduire la redondance (Huffman, Ziv, Lempel…), et le codage de canal, destiné à se prémunir des erreurs de transmission (Hamming, Berrou, Glavieux…)

31 Codages de source David Huffman ( )

32 Codages de source Jacob Ziv (1931- )Abraham Lempel (1936- )

33 Codage de canal Richard W. Hamming ( )

34 Codage de canal Turbocodes Vous avez échappé à l'appellation originelle de : codes à concaténation parallèle de codes convolutifs récursifs systématiques, avec décodage itératifs. (C. Berrou) Alain Glavieux ( ) et Claude Berrou (1951- )