Thermodynamique dans les systèmes stationnaires hors équilibre macroscopiques : démons de Maxwell et machines thermiques aléatoires

Statistical Thermodynamics in macroscopic stationary out of equilibrium systems : Maxwell's demons and stochastic machines

• Auteur / Autrice : Marc Lagoin
• Direction : Antoine Naert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 17/07/2023
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique (Lyon ; 1988-....)
• Jury : Président / Présidente : François Graner
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Antoine Naert, François Graner, Léonie Canet, Raphaël Chetrite, Jean-Christophe Géminard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Léonie Canet, Raphaël Chetrite

Mots clés

Mots clés contrôlés

Machines thermiques

Physique statistique

Thermodynamique hors équilibre

Mots clés libres

Thermodynamique

Physique statistique

Hors équilibre

Stationnaire

Démon de Maxwell

Machine thermique

Thermodynamics

Statistical Physics

Out of equilibrium

Stationary

Maxwell's demon

Thermal machines

Résumé

Grâce à l'évolution des techniques d'observation et de manipulation à l'échelle microscopique, de nombreuses expériences de thermodynamique hors de l'équilibre ont vu le jour depuis 1950. Ces expériences ont permis de mettre en évidence et de tester expérimentalement de nombreux théorèmes de thermodynamique comme le principe de Landauer. Cependant, sonder dynamiquement des comportements à l'échelle microscopique demande un lourd travail d'instrumentation.Dans cette thèse, on propose de transposer les comportements microscopiques à l'échelle macroscopique. Pour cela, on propose de remplacer la particule brownienne microscopique par une pale plongée dans un gaz granulaire dont on sonde le mouvement par induction électromé-canique.On utilise alors ce montage ingénieux pour réaliser expérimentalement plusieurs machines. Ces dernières sont loin de la limite thermodynamique ce qui permet de grandes uctuations des quantités. D'une part, on réalise des démons de Maxwell, dont une machine de Szilard. D'autre part, on construit des machines thermiques à deux particules comme un réfrigérateur.Ces expériences permettent de tester les limites d'application des théorèmes et d'ouvrir de nouvelles perspectives.

Since 1950, many out of equilibrium experiments were proposed due to the evolution of bothmonitoring and observation methods at microscopical scale. These experiments allowed to testmany fundamental thermodynamics theorems such as Landauer principle. However, such experimentsrely on savvy experimental setups.In this thesis, we transpose microscopical behaviours to the macroscopical scale. To that end,we choose to use a blade immersed into a granular gas as the Brownian particle. We use electomechanical induction to probe the blade motion. Using such an ingenious probe, we experimentally realise thermodynamical machines far from the thermodynamic limit. On the one hand, we build several Maxwell's demons, such as the famous Szilard engine. On the other hand, we build a two particles refrigerator.This work allows to test limits of theorems and paves the way for future fundamental development.