The laws of thermodynamics deduced from statistical mechanics

¹ Laboratoire de Physique Théorique et Hautes Energies associé au CNRS UA280, Université Paris V, 2 place Jussieu, 75251 Paris cedex 05, France
² Groupe de Physique des Solides de l'Ecole Normale Supérieure associé au CNRS UA 17, Université Paris V, 2 place Jussieu, 75251 Paris cedex 05, France

Abstract

Since the advent of statistical mechanics, the laws of thermodynamics are consequences of more fundamental postulates. Nevertheless, the logical link between statistical mechanics and thermodynamics is far from being precisely described in the literature, at an elementary level. The present paper tries to clarify this subject. It is necessary to recall some basic notions and results of statistical mechanics, but also the main definitions concerning thermodynamic transformations (which are partly ignored in too many cases). The laws of thermodynamics, especially the second one, are then derived and analyzed in statistical terms, and the statistical meaning of heat and work is discussed.

Résumé

Depuis l'avènement de la mécanique statistique, les principes de la thermodynamique sont des conséquences de postulats plus fondamentaux. Pourtant, le lien logique entre mécanique statistique et thermodynamique est loin d'etre explicité de façon précise, à un niveau élémentaire, dans la littérature. L'article que voici tente de clarifier le sujet. Il s'avère nécessaire de rappeler quelques notions et résultats de base en mécanique statistique, mais aussi les principales définitions (trop souvent ignorées pour certaines d'entre elles) relatives aux transformations thermodynamiques. Les principes de la thermodynamique, en particulier le second, sont ensuite démontrés et analysés en termes statistiques, et l'interprétation statistique de la chaleur et du travail est discutée.