jeudi 31 octobre 2013

L'entropie en thermodynamique

"Dis, c'est quoi l'entropie ?"
Au départ, c'est une grandeur physique (Une quantité d'énergie par unité de température: J/K), inventée par Clausius à la suite des réflexions de Sadi Carnot, qui exprime une loi d'évolution de la thermodynamique qui dit que dans un système clos, la quantité d'énergie utilisable ne peut qu'être stable ou diminuer au cours du temps (mais pas augmenter).

Pour prendre un exemple concret, si j'alimente une machine mécanique avec de l'électricité, la loi d'accroissement de l'entropie dit que je ne pourrais jamais retrouver la quantité initiale d'énergie électrique à la sortie de la machine.
Une partie de cette énergie électrique va être perdue (à jamais) par dissipation de chaleur dans les fils conducteurs (qui ont forcément une petite résistance).
Si au lieu d'électricité, ma machine utilise de l'énergie mécanique (pour entraîner un piston par exemple), une partie de cette énergie mécanique va être perdue (à jamais) à cause des frottements inévitables entre les pièces mécaniques.

Bref, c'est une loi qui dit que l'énergie (et donc la matière) se dégrade au cours du temps de manière irréversible.

Cette première formulation génère une première énigme physique:
Comment des processus réversibles par rapport au temps à l'échelle microscopique peuvent engendrer une irréversibilité à l'échelle macroscopique ?

C'est la physique statistique (Maxwell et Boltzmann) qui résoudra cette énigme...

8 commentaires:

  1. Le mot "perdu" me dérange un peu. Est-ce qu'on ne devrait pas le remplacer par le mot "transformé"? Une partie de cette énergie va être transformée en chaleur,… de manière irrécupérable bien sûr dans l’état actuelle de la technique. Mais mathématiquement, on a bien à la fin la même quantité d’énergie qu’on a au départ.
    L’irréversibilité est donc due à des limitations techniques. Si j’avais une machine qui soit capable de retransformer l’élévation de température ambiante dû aux frottements en électricité, on retrouverait bien la même quantité d’électricité qu’initialement. Non ?

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  2. Re-bonjour Agnost-hic,
    Prenons un exemple : une voiture dévale une pente (probablement parce qu’une nana a oublié de serrer le frein à main. Je dis ça parce que ma belle-sœur me prend pour un macho et que je ne voudrais surtout pas lui donner tort).
    Bref, l’énergie cinétique va être intégralement transformée en énergie thermique. Rien ne se perd. Energie thermique qui sera dissipée dans les frottements :
    1. Frottement avec l’air
    2. Frottements avec la route
    3. Frottements des paliers et de la direction de la voiture
    4. autre
    Il n’y a pas de « dégradation » de l’énergie mais une « transformation ».
    …Irréversible, je le concède, dans l’état actuel des techniques.

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  3. Oui en effet, la première loi de thermodynamique postule la conservation de l'énergie (globalement).
    Mais la deuxième loi postule l'augmentation irréversible de l'entropie.
    Elle affirme bien que l'entropie, elle, ne peut qu'augmenter ou au mieux rester stable, mais jamais jamais jamais diminuer.
    Ce n'est pas une limitation technique, mais bien une loi physique universelle.

    Par contre, la notion de "perdue" est en effet grandement discutable et a même été source de débats philosophiques passionnés sur la dégradation du monde et de l'univers, la décadence des sociétés... etc.

    Sadi Carnot, lui, étudiait les machines thermiques.
    Plusieurs scientifiques ont donc interprété la loi de croissance de l'entropie comme la "perte" de l'"énergie utilisable" mais en effet, cette terminologie est grandement discutable car elle se réfère à ce qu'on veut faire de l'énergie, à l'utilité qu'on souhaite lui donner.

    L'énergie "utilisable" pour un moteur thermique est celle qu'on peut convertir en énergie mécanique.
    La chaleur dégagée par frottement est considérée comme "perdue" pour le moteur, mais elle peut être "utilisable" par un être humain qui souhaite tout simplement se réchauffer.

    Malgré tout, j'insiste: ce n'est pas une limitation technique, mais bien une loi universelle:
    Cette grandeur (l'entropie) ne peut que croître au cours du temps: on ne peut jamais revenir à l'entropie initiale (celle du big bang par exemple), même avec la technologie la plus évoluée.

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    1. Prenons une Femme. Nommons-là Eve. Puis un homme. Nommons-le Adam.
      Au bout du compte et après moult migraines : 6 à 7 milliards de petit-petit-petits99 enfants.
      N’y a-t-il pas eu une augmentation de l’énergie ? (Donc diminution d’entropie)
      A les voir tous ces gamins, on a du mal à croire qu’il y a moins d’énergie.

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    2. Eh eh! Non seulement, ton observation est marrante, mais elle est pertinente ! En effet, la loi de croissance de l'entropie semble en contradiction avec bien des choses que nous observons dans la nature. C'est tout l'objet de ce blog que d'essayer de démêler ce paradoxe entre biologie (science de la vie) et entropie (croissance du désordre et dégradation de l'énergie)...
      D'ailleurs, c'est bien parce qu'Adam et Eve se sont "frottés" l'un à l'autre, qu'ils ont dissipé de la chaleur, produit de l'entropie, et par suite, tous ces gamins qui débordent d'énergie... :-)

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    3. Remarque : l'entropie d'un système ISOLE est constante ou croissante. En gros, c'est l'entropie GLOBALE du système (l'Univers) qui est en croissance. Donc on peut dire que d'Adam et Eve à nous, il y a eu création d'entropie globale dans le système. La question est : où ?
      Par ailleurs, l'irreversibilité portée par le 2nd principe n'est pas remise en cause : on ne peut PAS revenir à Adam et Eve ...

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  4. Gilles Deleuze serait ravi de découvrir le concept d'entropie. Car la vie, le biologique c'est précisément ce qui résiste à l'entropie. Gilles Deleuze écrivait : « Seul l’acte de résistance résiste à la mort, soit sous la forme d’une œuvre d’art, soit sous la forme d’une lutte des hommes », maintenant on sait que cet acte de "résistance" s'applique même au niveau cellulaire...

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  5. Sans oublier le conatus spinozien ...

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