Thermodynamique des plasmas denses dans des conditons astrophysiques : hélium et mélange hydrogène-hélium
by Christophe Winisdoerffer
Doctoral thesis in Astrophysique
Under the supervision of Gilles Chabrier.
defended on 2003
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Abstract
La première partie de cette thèse est consacrée à l'étude du diagramme de phase du mélange hydrogène-hélium dans des conditions thermodynamiques correspondant à celles rencontrées dans les planètes géantes ou dans les expériences de chocs laser. La démixtion de ce mélange binaire est notamment invoquée pour expliquer l'excès dans le bilan radiatif de Saturne. Le calcul précis de ce diagramme de phase nécessite la prise en compte du caractère quantique des électrons et des effets de corrélation entre les différentes particules présentes dans le milieu. Nous utilisons la théorie de la fonctionnelle de densité pour traiter ab initio le gaz éléctronique. Les diverses grandeurs thermodynamiques sont alors calculées dans l'ensemble microcanonique à l'aide de simulations de dynamique moléculaire. Aucun potentiel d'interaction a priori n'est requis, toutes les grandeurs thermodynamiques étant ainsi issues des seuls principes fondamentaux de la physique. Nous avons validé cette méthode par le calcul de potentiels chimiques, première étape de la détermination du diagramme de phase complet. Dans la seconde partie de cette thèse, nous présentons le calcul de l'équation d'état de l'hélium dense à l'aide d'une approche chimique. Cette méthode repose sur la minimisation de l'énergie libre d'un mélange d'espèces chimiques. Elle présente l'avantage d'être semi-analytique et est donc numériquement beaucoup plus rapide que la précédente. La contre-partie est la nécessité de s'appuyer sur des potentiels d'interaction calibrés sur des données expérimentales. Nous avons développé cette méthode pour le mélange {He, He+, He puissance 2+}, ce qui nous a permis d'obtenir une équation d'état valable aussi bien dans le domaine correspondant au régime de Saha qu'à celui du plasma totalement inonisé et décrivant de façon convenable le phénomène d'ionisation par pression.
