Entropie et dégradation de l’énergie.
Si l’on imagine que l’on ait formé d’une manière conséquente pour l’univers entier, en tenant compte de toutes les circonstances, la quantité que j’ai nommée entropie pour un corps particulier, ainsi que la quantité désignée sous le nom d’énergie […], on pourra exprimer très simplement, sous la forme suivante, les lois fondamentales de l’univers qui correspondent aux deux principes essentiels de la théorie mécanique de la chaleur : 1. L’énergie de l’univers est constante. 2. L’entropie de l’univers tend vers un maximum.
Rudolf Clausius.Théorie mécanique de la chaleur.1868.
La flèche du temps fait partie de notre expérience sensible et nous en faisons l’expérience chaque jour : les miroirs brisés ne se recollent pas, les êtres humains ne rajeunissent pas, et les cernes croissent sans cesse dans les troncs des arbres… En somme, le temps s’écoule toujours dans le même sens ! Pourtant, les lois fondamentales de la physique classique ne privilégient aucune direction du temps et obéissent à une rigoureuse symétrie entre passé et futur. […] Depuis Boltzmann, la physique statistique avance une […] explication : la flèche du temps traduit un flot constant des événements moins probables vers les événements plus probables.
Cédric Villani.(Ir)réversibilité et entropie. Séminaire Poincaré XV. Le Temps (2010).
L’entropie est l’élément essentiel introduit par la thermodynamique, la science des processus irréversibles, c’est-à-dire orientés dans le temps. Chacun sait ce qu’est un processus irréversible. On peut penser à la décomposition radioactive, ou à la friction, ou à la viscosité qui ralentit le mouvement d’un fluide. Tous ces processus ont une direction privilégiée dans le temps, en contraste avec les processus réversibles tels que le mouvement d’un pendule sans friction. (…) La nature nous présente à la fois des processus irréversibles et des processus réversibles, mais les premiers sont la règle et les seconds l’exception. Les processus macroscopiques, tels que réactions chimiques et phénomènes de transport, sont irréversibles. Le rayonnement solaire est le résultat de processus nucléaires irréversibles. Aucune description de l’écosphère ne serait possible sans les processus irréversibles innombrables qui s’y déroulent. Les processus réversibles, en revanche, correspondent toujours à des idéalisations : nous devons négliger la friction pour attribuer au pendule un comportement réversible, et cela ne vaut que comme une approximation.
Ilya Prigogine.La fin des certitudes.1996.
Plus l’entropie du système est élevée, moins ses éléments sont ordonnés, liés entre eux, capables de produire des effets mécaniques, et plus grande est la part de l’énergie inutilisable pour l’obtention d’un travail, c’est-à-dire libérée de façon cohérente.
Rudolf Clausius. Théorie mécanique de la chaleur.1868.
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L’énergie est un concept conservatif : on ne peut ni la créer ni la détruire mais seulement exploiter une forme d’énergie lors d’un processus jugé utile. Les termes usuels tels que « produire » ou « consommer » de l’énergie sont donc fondamentalement inexacts.
Les termes énergie « non renouvelable » ou « renouvelable » peuvent être questionnés. Dans tous les cas l’énergie exploitée ne disparaît pas ou ne se régénère pas. Ce qui peut être non renouvelable ou renouvelable c’est le processus d’exploitation de telle ou telle forme d’énergie. Par exemple la combustion des dérivés du pétrole n’est pas renouvelable car la source d’énergie concernée est épuisable, tout comme les « combustibles » nucléaires. L’énergie d’origine solaire, photovoltaïque ou éolienne, n’est pas renouvelable c’est-à-dire régénérée comme telle. C’est le processus d’exploitation qui est renouvelable (à notre échelle) dans la mesure où la Terre reçoit un flux d’énergie d’origine solaire sous forme de rayonnement.
La question fondamentale n’est donc pas celle de la « perte » de l’énergie mais sa « dégradation » : chaque processus d’exploitation conduit à une dispersion de l’énergie qui la rend plus difficilement exploitable. Par exemple tous les processus mécaniques s’accompagnent de frottements qui transforment partiellement de l’énergie ordonnée (mouvement d’un piston, oscillation d’un pendule…) en énergie thermique désordonnée.
Le second principe de la thermodynamique établit et généralise cette idée avec le concept d’entropie, comme mesure du « désordre » : globalement l’entropie augmente au cours de tous les processus naturels. On peut certes mettre de l’ordre localement, mais globalement le désordre augmente. Par exemple pour structurer un groupe social, l’organiser et le maintenir, on génère inévitablement du désordre dans l’environnement. L’écologie absolue est donc un leurre : on ne peut qu’essayer de limiter des dégâts !!!
On pourra utiliser également les chantiers de sciences intitulés « La flèche du temps » et « Atomisme (4) – Entropie », disponibles sur ce même site.
Le travail qui suit concerne principalement les machines thermiques et en particuliers les moteurs dithermes (moteur à essence par exemple).
Le document des consignes de travail est [energie et entropie.pdf].
Les documents exploités sont : [entropie.mp4], [entropie statistique], [thermodynamique.pdf], [rendements.pdf]
Un document complémentaire : [pertes.pdf]
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Tous les documents nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier énergie (4)).
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Consigne 1 :
« dégradation » des formes d’énergie ; discussion sur le vocabulaire (renouvelable…) comme évoqué plus haut.
Le concept d’entropie correspond à la mesure du « désordre » (nombre de configuration microscopiques possibles).
Les processus naturels sont irréversibles et correspondent à l’accroissement global du désordre (énergie thermique désordonnée…)
Consigne 2 :
1. Moteur thermique (moteur à essence par exemple ou centrales thermiques ou nucléaire…) ; on utilise une source chaude (énergie thermique donc transfert de chaleur Q et on obtient un travail W qui donne de l’énergie cinétique).
2. On extrait de l’énergie thermique (transfert de chaleur Q1) d’une source froide grâce à un travail mécanique W : c’est le réfrigérateur (aliments…).
3. Même processus : c’est la pompe à chaleur.
Consigne 3 :
Ce moteur peut être modélisé, en simplifiant à l’extrême, de la façon suivante :
D’après le document [thermodynamique.pdf] :
Il y a bien création d’entropie donc accroissement du désordre global.
C’est comme dans le cas de la fusion de la glace ou de l’ébullition de l’eau ; en 10 ou 20 de secondes le moteur génère autant d’entropie que ces deux processus.
Il y a « dégradation » d’une partie de la forme d’énergie utilisée (ici l’énergie chimique contenu dans le mélange air essence, c’est à dire les énergies potentielles d’interactions atomiques) en énergie thermique désordonnée du fait des processus dissipatifs (frottements…).
On pourra compléter avec le document [pertes.pdf].
Tous les documents nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier énergie (4)).
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