Un gaz parfait vu comme une boîte de dynamique moléculaire
Observer les lois de Newton agir sur chaque particule et voir la pression émerger de leurs chocs sur le piston.
Objectif
Relier l’image microscopique — vitesses, fréquence des chocs — à la loi macroscopique PV = nRT.
Matériel et réactifs
La simulation MD de disques durs avec N = 60 particules, un piston mobile et des réglages de température et de volume.
Procédure
- Régler T = 300 K et V au milieu ; laisser les particules thermaliser et observer le mouvement.
- Porter T vers 1000 K et comparer la vitesse moyenne et la fréquence des chocs sur les parois.
- Réduire V à T fixe : la boîte rétrécit et les chocs contre la paroi se font plus fréquents — P croît en 1/V.
- Estimer le changement relatif : doubler T double presque l’énergie cinétique moyenne, tandis que la vitesse quadratique ne croît que de √2.
À observer
- La pression n’est pas une entrée mais un résultat : des chocs plus fréquents et plus violents à haute T ou petit V.
- Les chocs entre particules randomisent directions et vitesses sans changer l’énergie cinétique moyenne — la signature de la thermalisation.
Explication
Chaque particule suit F = ma ; le thermostat est remplacé par une mise à l’échelle globale des vitesses fixée par T. Dans un vrai code MD (LAMMPS, GROMACS), la même boucle intègre les équations de Newton avec un champ de force de Lennard-Jones ou dérivé du quantique, et la pression se calcule via le viriel des forces paroi/particules. Le modèle de disques durs présenté ici est l’ancêtre de ces simulations — et il montre déjà la fluctuation des grandeurs instantanées autour de leurs moyennes d’ensemble.
Histoire de l’expérience
Chimistes associés
Sujets liés
Expérience virtuelle : un modèle simplifié pour construire l’intuition. Elle ne remplace ni le travail réel en laboratoire ni la formation à la sécurité ; ne la reproduisez pas chez vous sans encadrement.