Potentiels chimiques dans des systèmes stationnaires hors d'équilibre en contact : une approche par les grandes déviations

Chemical potentials in driven steady-state systems in contact : a large deviation approach

• Auteur / Autrice : Jules Guioth
• Direction : Eric Bertin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique théorique
• Date : Soutenance le 04/10/2018
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (Grenoble, Isère, France ; 1966-....)
• Jury : Président / Présidente : Leticia F. Cugliandolo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Louis Barrat, Christian Maes, Gatien Verley
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Frédéric Van Wijland, Pascal Viot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mécanique statistique hors d'équilibre

Thermodynamique hors équilibre

Mots clés libres

Physique statistique hors équilibre

Grandes déviations

Potentiel chimique

Out of equilibrium statistical physics

Large deviations

Chemical potential

Résumé

Cette thèse porte sur la physique statistique des systèmes hors d’équilibre maintenus dans un état stationnaire. Plus spécifiquement, ce travail s’intéresse à des quantités macroscopiques conservées (le volume, la masse, etc.) qui peuvent être échangées entre plusieurs systèmes hors d’équilibre en contact. Cette mise en contact d’un ou plusieurs systèmes est une situation fondamentale en thermodynamique classique des systèmes à l’équilibre, en ce qu’elle permet de définir la notion de paramètre thermodynamique conjugué comme la température, la pression, le potentiel chimique, etc., qui dérivent d’un même potentiel thermodynamique. Dans les systèmes hors d’équilibre stationnaires, l’existence de tels paramètres conjugués dérivant d’un potentiel thermodynamique (énergie libre) demeure une question ouverte. En se focalisant sur la situation du contact entre deux systèmes stochastiques hors d’équilibre quelconques de particules sur réseau dans des états homogènes, nous montrons l’existence d’une fonction de grande déviation attachée aux densités globales des deux systèmes, lorsque la fréquence d’échange de particules entre ces derniers est faible. Cette fonction de grandes déviations hors d'équilibre, analogue de l’énergie libre, vérifie une équation dite de Hamilton-Jacobi. Nous identifions les conditions naturelles pour lesquelles la fonction de grandes déviations est additive, menant ainsi à la définition de potentiels chimiques hors-équilibre. Néanmoins, nous montrons que ceux-ci dépendent de façon générique de la dynamique au contact et ne vérifient donc pas d’équation d’état. En l’absence de bilan détaillé macroscopique, l’équation de Hamilton-Jacobi est beaucoup plus difficile à résoudre. Une analyse perturbative par rapport aux forçages hors-équilibres permet de se convaincre que l’additivité est génériquement brisée dès les premiers ordres de perturbation en l’absence de bilan détaillé. Au-delà de la propriété d’additivité, cette fonction de grandes déviations peut être liée dans un certain nombre de cas au travail exercé par un potentiel extérieur à travers une relation de type second principe de la thermodynamique. Nous discutons également différentes façons d’y avoir accès expérimentalement.Fort de cette analyse théorique générale, nous illustrons celle-ci sur des systèmes stochastiques sur réseau classiques (Zero Range Process et Driven Lattice Gases) ainsi que sur un modèle de transport de masse original, exactement soluble. Nous appliquons également notre analyse sur des systèmes de particules auto-propulsées indépendantes. Dans chaque cas, l’importance du contact est alors pleinement révélée, en accord avec la littérature récente, que ce soit au niveau de la dynamique elle-même ou de la position de ce dernier vis-à-vis des systèmes.

This thesis deals with the statistical physics of out-of-equilibrium systems maintained in a steady state. More specifically, this work focuses on macroscopic conserved quantities (volume, mass, etc.) that can be exchanged between several out-of-equilibrium systems brought into contact. The contact between two systems is a fundamental situation in classical thermodynamics of equilibrium systems, since it allows one to define the notion of intensive thermodynamic parameter such as temperature, pressure, chemical potential, etc., derived from the same thermodynamic potential. For non-equilibrium steady state systems, the general existence of such intensive parameters remains an open issue. By focusing on the contact situation between two out-of-equilibrium stochastic systems on lattice in homogeneous states, we show the existence of a large deviation function attached to the overall densities of both systems, when the frequency of particle exchange between them is low. This large deviations function, analogous to a free energy, satisfies a so-called Hamilton-Jacobi equation. We identify the natural conditions for which the large deviation function is additive, leading to the definition of non-equilibrium chemical potentials. Nevertheless, we show that the latter generically depends on the contact dynamics and therefore do not obey any equation of state. In the absence of a macroscopic detailed balance, the Hamilton-Jacobi equation is much more difficult to solve. A perturbative analysis with respect to the driving forces allows one to show that additivity is generically broken. Beyond this additivity property, this large deviations function can – under certain assumptions – be related to the work applied by an external potential through a generalisation of the second law. We also discuss different ways to get access experimentally to this out-of-equilibrium free energy.Based on this general theoretical analysis, we eventually provide several illustrations on standard stochastic lattice models (Zero Range Process and Driven Lattice gases in particular) as well as a detailed analysis of an original, exactly solvable, mass transport model. Standard models of independent self-propelled particles are also discussed. The importance of the contact is eventually fully revealed, in agreement with recent literature, either in terms of the dynamics at contact itself or because of its position with respect to both systems.