Thermodynamique hors équilibre

La thermodynamique hors équilibre est le domaine de recherche étudiant les phénomènes de relaxation et de transport au voisinage de l'équilibre thermodynamique. Il s'agit là de phénomènes dissipatifs donc irréversibles, liés à une augmentation de l'entropie. Les méthodes présentées ici relèvent de la thermodynamique proprement dite, qui permet de donner les lois caractérisant un phénomène. Ces phénomènes sont également décrits par la théorie cinétique qui, au-delà de la physique statistique décrivant un milieu à l'équilibre, permet d'accéder aux lois de transport et de relaxation et de plus à l'expression des coefficients présents dans celles-ci par passage du niveau cinétique au niveau continu. Ces méthodes sont les méthodes statistiques de la physique statistique hors d'équilibre, la méthode des moments et celle des développements asymptotiques dans le cas de la méthode de Chapman-Enskog pour un gaz. Historique Le domaine remonte aux travaux de Joseph Fourier sur la co

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Fluctuation-dissipation relations in the absence of detailed balance: formalism and applications to active matter

Sara Dal Cengio, Ignacio Pagonabarraga Mora

We present a comprehensive study about the relationship between the way detailed balance is broken in non-equilibrium systems and the resulting violations of the fluctuation-dissipation theorem. Starting from stochastic dynamics with both odd and even variables under time-reversal, we derive an explicit expression for the time-reversal operator, i.e. the Markovian operator which generates the time-reversed trajectories. We then exploit the relation between entropy production and the breakdown of detailed balance to establish general constraints on the non-equilibrium steady-states (NESS), which relate the non-equilibrium character of the dynamics with symmetry properties of the NESS distribution. This provides a direct route to derive extended fluctuation-dissipation relations, expressing the linear response function in terms of NESS correlations. Such framework provides a unified way to understand the departure from equilibrium of active systems and its linear response. We then consider two paradigmatic models of interacting self-propelled particles, namely active Brownian particles and active Ornstein-Uhlenbeck particles. We analyze the non-equilibrium character of these systems (also within a Markov and a Chapman-Enskog approximation) and derive extended fluctuation-dissipation relations for them, clarifying which features of these active model systems are genuinely non-equilibrium.

IOP PUBLISHING LTD2021

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Linear Response Theory and Green-Kubo Relations for Active Matter

Sara Dal Cengio, Ignacio Pagonabarraga Mora

We address the question of how interacting active systems in a nonequilibrium steady state respond to an external perturbation. We establish an extended fluctuation-dissipation theorem for active Brownian particles (ABP), which highlights the role played by the local violation of detailed balance due to activity. By making use of a Markovian approximation we derive closed Green-Kubo expressions for the diffusivity and mobility of ABP and quantify the deviations from the Stokes-Einstein relation. We compute the linear response function to an external force using unperturbed simulations of ABP and compare the results with the analytical predictions of the transport coefficients. Our results show the importance of the interplay between activity and interactions in the departure from equilibrium linear response.

2019

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Dissipation-driven selection of states in non-equilibrium chemical networks

Daniel Maria Busiello, Paolo De Los Rios, Shiling Liang, Francesco Piazza

Life has most likely originated as a consequence of processes taking place in non-equilibrium conditions (e.g. in the proximity of deep-sea thermal vents) selecting states of matter that would have been otherwise unfavorable at equilibrium. Here we present a simple chemical network in which the selection of states is driven by the thermodynamic necessity of dissipating heat as rapidly as possible in the presence of a thermal gradient: states participating to faster reactions contribute the most to the dissipation rate, and are the most populated ones in non-equilibrium steady-state conditions. Building upon these results, we show that, as the complexity of the chemical network increases, the velocity of the reaction path leading to a given state determines its selection, giving rise to non-trivial localization phenomena in state space. A byproduct of our studies is that, in the presence of a temperature gradient, thermophoresis-like behavior inevitably appears depending on the transport properties of each individual state, thus hinting at a possible microscopic explanation of this intriguing yet still not fully understood phenomenon.

2021

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ME-343: Compressible-fluid dynamics

Fluides compressibles, vitesse sonique, ondes de choc, détente.

ME-104: Introduction to structural mechanics

The student will acquire the basis for the analysis of static structures and deformation of simple structural elements. The focus is given to problem-solving skills in the context of engineering design.

ChE-407: Electrochemical engineering

This course builds upon the underlying theory in thermodynamics, reaction kinetics, and transport and applies these methods to electrosynthesis, fuel cell, and battery applications. Special focus is placed on addressing current challenges in state-of-the-art energy storage and conversion devices.

Thermodynamique

La thermodynamique est la branche de la physique qui traite de la dépendance des propriétés physiques des corps à la température, des phénomènes où interviennent des échanges thermiques, et des transf

Deuxième principe de la thermodynamique

Le deuxième principe de la thermodynamique (également connu sous le nom de deuxième loi de la thermodynamique ou principe de Carnot) établit l'irréversibilité des phénomènes physiques, en particulier

Température

La température est une grandeur physique mesurée à l’aide d’un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du transfe