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Second principe de la thermodynamique

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La variation totale d'entropie d'un système et de son milieu est toujours positive, et tend vers zéro pour des transformations tendant vers la réversibilité.

La thermodynamique repose sur deux principes essentiels :

  • le premier principe, qui établit l'équivalence des différentes formes d'énergie, notamment la chaleur et le travail. C'est un principe de conservation, il implique que la somme des différentes énergies associées à un système se conserve même si ces énergies peuvent se transformer les unes dans les autres en fonction de leur équivalence.
  • le second principe, qui introduit en plus de l'énergie d'un système physique une autre grandeur caractérisant le système et qu'on nomme entropie. C'est un principe d'évolution, car il détermine jusqu'où et dans quel sens les différentes transformations de l'énergie du monde sont possibles. Ainsi, certaines transformations chimiques sont possibles et d'autres pas. De même toute la chaleur d'un corps, par exemple l'océan, ne peut pas être transformée complètement en travail.

Le second principe a une longue histoire où l'on retrouve des noms aussi célèbres que Carnot, Clausius, Kelvin, Helmholtz, Gibbs et surtout Boltzmann.

Appliqué à un système isolé, n'échangeant ni travail ni chaleur avec l'extérieur, le second principe établit que la fonction d'état du système baptisée entropie ne peut que croître pour atteindre une valeur maximale où le système reste en équilibre. C'est une traduction compliquée de la constatation simple que tout système physique laissé à lui-même, comme un être vivant, tend à se désorganiser. Cela implique aussi que dans toute transformation de l'énergie dans ces systèmes, la capacité d'utiliser l'énergie pour produire du travail et de l'organisation se perd ; on parle souvent d'une dégradation de la qualité de l'énergie. C'est pourquoi cela introduit une non-équivalence entre le passé et le futur et une irréversibilité des transformations, une flèche et un sens du temps donc.

Cela soulève de nombreuses questions.

Appliqué à l'Univers considéré comme un système isolé, cela voudrait dire que celui-ci s'achemine lentement mais inexorablement vers la « mort thermique » où le désordre serait maximal.

La thermodynamique peut se déduire de la mécanique à partir de certaines hypothèses d'ordre statistique, or les lois de la mécanique sont, elles, réversibles ! La flèche du temps et le second principe seraient alors des illusions et de simples approximations pratiques mais fondamentalement fausses.

Ces questions ne sont toujours pas résolues aujourd'hui et font l'objet de débats incessants.

Des glaçons fondent dans un verre : cette évolution du système conduit à une augmentation du désordre, c'est-à-dire de l'entropie. © jeffsmallwood / Flickr - Licence Creative Commons (by-nc-sa 2.0) Des glaçons fondent dans un verre : cette évolution du système conduit à une augmentation du désordre, c'est-à-dire de l'entropie. © jeffsmallwood / Flickr - Licence Creative Commons (by-nc-sa 2.0)

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