Stochastic thermodynamics of transport phenomena and reactive systems: an extended local equilibrium approach

• Main Author: Derivaux, Jean-Francois
• Other Authors: De Decker, Yannick
• Format: Doctoral Thesis
• Language: fr
• Published: Universite Libre de Bruxelles 2020
• Subjects: Chimie; Physique; Thermodynamique stochastique; Physique statistique de non-équilibre; Stochastic thermodynamics; Chemical Langevin equations
• Online Access: https://dipot.ulb.ac.be/dspace/bitstream/2013/308809/5/ContraDiDerivaux.pdf; https://dipot.ulb.ac.be/dspace/bitstream/2013/308809/4/Derivaux_these.pdf; https://dipot.ulb.ac.be/dspace/bitstream/2013/308809/3/Derivaux_tm.pdf; http://hdl.handle.net/2013/ULB-DIPOT:oai:dipot.ulb.ac.be:2013/308809

Avec les progrès de la technologie, il est désormais devenu possible de manipuler des faibles quantités d’objets nanométriques, voire des objets uniques. Observer une réaction chimique de quelques centaines de molécules sur des catalyseurs, étudier le travail exercé lors du déploiement d’un brin d’ADN unique ou mesurer la chaleur émise par un unique électron dans un circuit électrique constituent aujourd’hui des actes expérimentaux courants. Cependant, à cette échelle, le caractère aléatoire des processus physiques étudiés se fait plus fortement ressentir. Développer une théorie thermodynamique à ces échelles nécessite d'y inclure de manière exhaustive ces fluctuations.Ces préoccupations et les résultats expérimentaux et théoriques associés ont mené à l’émergence de ce que l’on appelle aujourd’hui la thermodynamique stochastique. Cette thèse se propose de développer une approche originale à la thermodynamique stochastique, basée sur une extension de l'hypothèse d'équilibre local aux variables fluctuantes d'un système. Cette théorie offre de nouvelles définitions des grandeurs thermodynamiques stochastiques, dont l'évolution est donnée par des équations différentielles stochastiques (EDS).Nous avons choisi d'étudier cette théorie à travers des modèles simplifiés de phénomènes physiques variés; transport (diffusif) de chaleur ou de masse, transport couplé (comme la thermodiffusion), ainsi que des modèles de réactions chimiques linéaires et non-linéaires. A travers ces exemples, nous avons proposé des versions stochastiques de plusieurs grandeurs thermodynamiques d'intérêt. Une large part de cette thèse est dévolue à l'entropie et aux différents termes apparaissant dans son bilan (flux d'entropie, production d'entropie ou dissipation). D'autres exemples incluent l'énergie libre d'Helmholtz, la production d'entropie d'excès, ou encore les efficacités thermodynamiques dans le transport couplé.A l'aide de cette théorie, nous avons étudié les propriétés statistiques de ces différentes grandeurs, et plus particulièrement l'effet des contraintes thermodynamiques ainsi que les propriétés cinétiques du modèle sur celles-là. Dans un premier temps, nous montrons comment l'état thermodynamique d'un système (à l' équilibre ou hors d'équilibre) contraint la forme de la distribution de la production d'entropie. Au-delà de la production d'entropie, cette contrainte apparaît également pour d'autres quantités, comme l'énergie libre d'Helmholtz ou la production d'entropie d'excès. Nous montrons ensuite comment des paramètres de contrôle extérieurs peuvent induire des bimodalités dans les distributions d'efficacités stochastiques.Les non-linéarités de la cinétique peuvent également se répercuter sur la thermodynamique stochastique. En utilisant un modèle non-linéaire de réaction chimique, le modèle de Schlögl, nous avons calculé la dissipation moyenne, non-nulle, engendrée par les fluctuations du système. Les non-linéarités offrent aussi la possibilité de produire des bifurcations dans le système. Les différentes propriétés statistiques (moments et distributions) de la production d'entropie ont été étudiées à différents points avant, pendant et après la bifurcation dans le modèle de Schlögl.Ces nombreuses propriétés ont été étudiées via des développements analytiques supportés par des simulations numériques des EDS du système. Nous avons ainsi pu montrer la fine connexion existant entre les équations cinétiques du système, les contraintes thermodynamiques et les propriétés statistiques des fluctuations de différentes grandeurs thermodynamiques stochastiques. === Over the last decades, nanotechnology has experienced great steps forwards, opening new ways to manipulate micro- and nanosystems. These advances motivated the development of a thermodynamic theory for such systems, taking fully into account the unavoidable fluctuations appearing at that scale. This ultimately leads to an ensemble of experimental and theoretical results forming the emergent field of stochastic thermodynamics. In this thesis, we propose an original theoretical approach to stochastic thermodynamics, based on the extension of the local equilibrium hypothesis (LEH) to fluctuating variables in small systems. The approach provides new definitions of stochastic thermodynamic quantities, whose evolution is given by stochastic differential equations (SDEs).We applied this new formalism to a diverse range of systems: heat or mass diffusive transport, coupled transport phenomena (thermodiffusion), and linear or non-linear chemical systems. In each model, we used our theory to define key stochastic thermodynamic quantities. A great emphasis has been put on entropy and the different contributions to its evolution (entropy flux and entropy production) throughout this thesis. Other examples include also the stochastic Helmholtz energy, stochastic excess entropy production and stochastic efficiencies in coupled transport. We investigated how the statistical properties of these quantities are affected by external thermodynamic constraints and by the kinetics of the system. We first studied how the thermodynamic state of the system (equilibrium \textit{vs.} non-equilibrium) strongly impacts the distribution of entropy production. We then extended those findings to other related quantities, such as the Helmholtz free energy and excess entropy production. We also analysed how some external control parameters could lead to bimodality in stochastic efficiencies distributions.In addition, non-linearities affect stochastic thermodynamics quantities in different ways. Using the example of the Schlögl chemical model, we computed the average dissipation of the fluctuations in a non-linear system. Such systems can also undergo a bifurcation, and we studied how the moments and the distribution of entropy production change while crossing the critical point.All these properties were investigated with theoretical analyses and supported by numerical simulations of the SDEs describing the system. It allows us to show that properties of the evolution equations and external constraints could strongly reflect in the statistical properties of stochastic thermodynamic quantities. === Doctorat en Sciences === info:eu-repo/semantics/nonPublished