À l'équilibre thermique, la distribution de la vitesse des particules suit la distribution de Maxwell-Boltzmann, une loi statistique déterminée par la température et la masse des particules, décrivant la distribution du nombre de particules à différentes vitesses dans un gaz parfait.
Macroscopiquement, le système est dans un état stable et uniformément chauffé ; cependant, au niveau microscopique, les particules subissent constamment un mouvement thermique aléatoire. Bien que la vitesse de chaque particule change constamment, la distribution globale de la vitesse d’un grand nombre de particules présente une loi statistique très ordonnée.
L'influence de la température : à mesure que la température augmente, la courbe de distribution s'élargit vers la région des vitesses élevées-et l'énergie cinétique moyenne des particules augmente ; à l'inverse, il se rétrécit et se concentre dans la région des faibles-vitesses.
L'influence de la masse : les particules plus grosses (telles que les molécules d'oxygène) ont une distribution de vitesse plus concentrée dans la région des vitesses faibles -, tandis que les particules plus légères (telles que les molécules d'hydrogène) sont plus susceptibles d'atteindre des vitesses élevées.
Mécanisme microscopique : équilibre détaillé et stabilité dynamique
La stabilité de la distribution des vitesses à l’équilibre thermique découle du principe de l’équilibre détaillé :
La probabilité que chaque particule gagne une certaine vitesse lors d'une collision est égale à la probabilité qu'elle perde cette vitesse lors d'une collision ; Macroscopiquement, il n’y a pas de flux directionnel de vitesse ou d’énergie et le système atteint l’équilibre dynamique.
Cela signifie également que même si les vitesses des particules individuelles changent constamment, la distribution globale reste constante, comme une rivière -l'eau coule continuellement vers l'avant, mais la forme de la surface de la rivière reste inchangée.
Vérification expérimentale et application
L'expérience Miller-Kush (1955) a vérifié avec succès la loi de Maxwell sur la distribution des vitesses en mesurant l'épaisseur du dépôt de molécules de vapeur de bismuth à différents endroits à l'aide de la technologie du vide poussé-.
Cette distribution est largement utilisée dans la dynamique des gaz, la théorie de la vitesse de réaction chimique, la physique des plasmas et l'astrophysique, servant de pont reliant le mouvement microscopique et les phénomènes macroscopiques.
