6 • L’ensemble canonique
119
Nous avons vu, au début du chapitre, que l’ensemble canonique permet de décrire un
système en équilibre avec un thermostat, ou dont l’énergie moyenne < E > est fixée.
Si les fluctuations de E autour de < E > sont faibles, il peut alors avantageusement
remplacer l’ensemble microcanonique pour lequel E est fixé (et non pas ). Il est
donc important de calculer l’écart type DE associé à la grandeur E. La variance (DE) 2
est définie par :
(DE)
2 =
2
> −
2
(80)
Comme nous connaissons, il suffit de calculer :
2
>=
r
E
2
r P(E r ) =
1
Z
r
{j}
E
2
r e −bE r
(81)
De la même manière que précédemment (équation 76) :
E
2
r e −bE r = −E r
∂
∂b
e −bE r = −
∂
∂b
E r e −bE r =
∂
∂b
2
e −bE r =
∂ 2
∂b 2 e −bE r (82)
d’où :
2
>=
1
Z
∂ 2 Z
∂b 2
(83)
Remarquons que :
1
Z
∂ 2 Z
∂b 2 =
∂
∂b
1
Z
∂Z
∂b
+
1
Z 2
∂Z
∂b
2
=
∂ 2
∂b 2 Log Z+
2
(84)
alors :
(DE)
2 =
∂ 2
∂b 2 Log Z = −
∂ < E >
∂b
(85)
soit, en utilisant (78) :
(DE)
2 = kT
2
∂
∂T
V,N
= kT
2 C V
(86)
où C V est la capacité calorifique à volume constant. Comme (DE) 2 est positif ou nul,
∂
∂T
0. L’énergie interne augmente avec la température. Les fluctuations relatives
de l’énergie autour de sont données par :
DE
=
kT
C V
k
(87)
Pour évaluer l’ordre de grandeur de cette quantité sur un exemple, nous allons utiliser
les résultats obtenus dans le chapitre 5 pour un gaz parfait classique (section 5.4) avec
l’ensemble microcanonique :=
3
2 NkT (équation 52) et C V =
3
2 Nk (équation 54). Il
vient :
DE
=
2
3
1
√
N
(88)
c
Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.
119
Nous avons vu, au début du chapitre, que l’ensemble canonique permet de décrire un
système en équilibre avec un thermostat, ou dont l’énergie moyenne < E > est fixée.
Si les fluctuations de E autour de < E > sont faibles, il peut alors avantageusement
remplacer l’ensemble microcanonique pour lequel E est fixé (et non pas
donc important de calculer l’écart type DE associé à la grandeur E. La variance (DE) 2
est définie par :
(DE)
2 =
> −
2
(80)
Comme nous connaissons
>=
r
E
2
r P(E r ) =
1
Z
r
{j}
E
2
r e −bE r
(81)
De la même manière que précédemment (équation 76) :
E
2
r e −bE r = −E r
∂
∂b
e −bE r = −
∂
∂b
E r e −bE r =
∂
∂b
2
e −bE r =
∂ 2
∂b 2 e −bE r (82)
d’où :
>=
1
Z
∂ 2 Z
∂b 2
(83)
Remarquons que :
1
Z
∂ 2 Z
∂b 2 =
∂
∂b
1
Z
∂Z
∂b
+
1
Z 2
∂Z
∂b
2
=
∂ 2
∂b 2 Log Z+
2
(84)
alors :
(DE)
2 =
∂ 2
∂b 2 Log Z = −
∂ < E >
∂b
(85)
soit, en utilisant (78) :
(DE)
2 = kT
2
∂
∂T
V,N
= kT
2 C V
(86)
où C V est la capacité calorifique à volume constant. Comme (DE) 2 est positif ou nul,
∂
∂T
0. L’énergie interne augmente avec la température. Les fluctuations relatives
de l’énergie autour de
DE
=
kT
C V
k
(87)
Pour évaluer l’ordre de grandeur de cette quantité sur un exemple, nous allons utiliser
les résultats obtenus dans le chapitre 5 pour un gaz parfait classique (section 5.4) avec
l’ensemble microcanonique :
3
2 NkT (équation 52) et C V =
3
2 Nk (équation 54). Il
vient :
DE
=
2
3
1
√
N
(88)
c
Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.
