Quelle est la seconde loi de la thermodynamique ?

La deuxième loi de la thermodynamique stipule qu’à mesure que l’énergie est transférée ou transformée, de plus en plus d’énergie est gaspillée. C’est l’une des quatre lois de la thermodynamique, qui décrit les relations entre l’énergie thermique, ou la chaleur, et d’autres formes d’énergie, et comment l’énergie affecte la matière. La première loi de la thermodynamique stipule que l’énergie ne peut être ni créée ni détruite ; le total quantité d’énergie dans l’univers reste le même. La deuxième loi de la thermodynamique concerne la nature de l’énergie. La deuxième loi stipule également qu’il existe une tendance naturelle de tout système isolé à dégénérer en un état plus désordonné, selon Université de Boston.

Saibal Mitra, professeur de physique à l’Université d’État du Missouri, trouve que la deuxième loi est la plus intéressante des quatre lois de la thermodynamique. « Il existe plusieurs façons d’énoncer la deuxième loi », a déclaré Mitra à Live Science. « À un niveau très microscopique, cela dit simplement que si vous avez un système isolé, tout processus naturel dans ce système progresse dans le sens d’un désordre croissant, ou entropie, du système. »

Mitra a expliqué que tous les processus entraînent une augmentation de l’entropie. Même lorsque l’ordre est augmenté à un endroit spécifique, par exemple par l’auto-assemblage de molécules pour former un organisme vivant, lorsque l’on prend en compte l’ensemble du système, y compris l’environnement, il y a toujours une augmentation nette de l’entropie. Dans un autre exemple, des cristaux peuvent se former à partir d’une solution saline lorsque l’eau s’évapore. Les cristaux sont plus ordonnés que les molécules de sel en solution ; cependant, l’eau vaporisée est beaucoup plus désordonnée que l’eau liquide. Le processus pris dans son ensemble se traduit par une augmentation nette du désordre.

Histoire de la deuxième loi de la thermodynamique

Dans son livre, « Un nouveau type de science » (Wolfram Media, 2018), Stephen Wolfram a écrit :  » Vers 1850, Rudolf Clausius et William Thomson (Lord Kelvin) ont déclaré que la chaleur ne s’écoule pas spontanément d’un corps plus froid vers un corps plus chaud.  » Cela est devenu la base de la deuxième loi.

Les travaux ultérieurs de Daniel Bernouilli, James Greffier Maxwellet Ludwig Boltzmann a conduit au développement de la théorie cinétique des gaz, dans laquelle un gaz est reconnu comme un nuage de molécules en mouvement qui peut être traité statistiquement, selon Université d’État de Géorgie. Cette approche statistique permet un calcul précis de la température, de la pression et du volume selon la loi des gaz parfaits, selon la Georgia State University.

Cette approche a également conduit à la conclusion que si les collisions entre molécules individuelles sont complètement réversibles, c’est-à-dire qu’elles fonctionnent de la même manière lorsqu’elles sont jouées vers l’avant ou vers l’arrière, ce n’est pas le cas pour une grande quantité de gaz. Avec de grandes quantités de gaz, les vitesses des molécules individuelles ont tendance au fil du temps à former une distribution normale ou gaussienne, parfois représentée comme une «courbe en cloche», autour de la vitesse moyenne. Le résultat est que lorsque le gaz chaud et le gaz froid sont placés ensemble dans un récipient, vous finissez par obtenir du gaz chaud, selon Université d’État de Géorgie. Cependant, le gaz chaud ne se séparera jamais spontanément en gaz chaud et froid, ce qui signifie que le processus de mélange des gaz chauds et froids est irréversible. Cela a souvent été résumé comme suit : « Vous ne pouvez pas déchiffrer un œuf ». Selon Wolfram, Boltzmann s’est rendu compte vers 1876 que la raison en est qu’il doit y avoir beaucoup plus d’états désordonnés pour un système qu’il n’y a d’états ordonnés ; par conséquent, les interactions aléatoires conduiront inévitablement à un plus grand désordre.

Travail et énergie

Une chose que la deuxième loi dicte est qu’il est impossible de convertir l’énergie thermique en énergie mécanique avec une efficacité de 100%, selon Britannique. Après le processus de chauffage d’un gaz pour augmenter sa pression pour entraîner un piston, il reste toujours de la chaleur dans le gaz qui ne peut pas être utilisée pour effectuer un travail supplémentaire. Cette chaleur résiduelle doit être éliminée en la transférant vers un dissipateur thermique. Dans le cas d’une voiture, cela se fait en envoyant le mélange de carburant et d’air usé du moteur dans l’atmosphère via le tuyau d’échappement. De plus, tout appareil comportant des pièces mobiles produit un frottement qui convertit l’énergie mécanique en chaleur qui est généralement inutilisable et doit être retirée du système en la transférant vers un dissipateur thermique. C’est pourquoi les demandes de machines à mouvement perpétuel sont sommairement rejetées par l’Office américain des brevets.

Lorsqu’un corps chaud et un corps froid sont mis en contact l’un avec l’autre, l’énergie thermique va circuler du corps chaud vers le corps froid jusqu’à ce qu’ils atteignent l’équilibre thermique, c’est-à-dire la même température. Cependant, la chaleur ne reviendra jamais dans l’autre sens; la différence des températures des deux corps n’augmentera jamais spontanément. Le déplacement de la chaleur d’un corps froid vers un corps chaud nécessite le travail d’une source d’énergie externe telle qu’une pompe à chaleur, selon Université d’État de Géorgie.

« Les moteurs les plus efficaces que nous construisons actuellement sont de grandes turbines à gaz », a déclaré David McKee, professeur de physique à l’Université d’État du Missouri. « Ils brûlent du gaz naturel ou d’autres combustibles gazeux à très haute température, plus de 2 000 degrés Celsius [3,600 degrees Fahrenheit], et l’échappement qui sort n’est qu’une brise raide et chaude. Personne n’essaie d’extraire de l’énergie de la chaleur perdue, car il n’y en a pas tant que ça. »

La flèche du temps

La deuxième loi indique que les processus thermodynamiques, c’est-à-dire les processus qui impliquent le transfert ou la conversion d’énergie thermique, sont irréversibles car ils entraînent tous une augmentation de l’entropie. Selon Mitra, l’une des implications les plus importantes de la deuxième loi est peut-être qu’elle nous donne la flèche thermodynamique du temps.

En théorie, certaines interactions, telles que les collisions de corps rigides ou certaines réactions chimiques, ont le même aspect, qu’elles se déroulent en avant ou en arrière. En pratique, cependant, tous les échanges d’énergie sont sujets à des inefficacités, telles que le frottement et la perte de chaleur radiative, qui augmentent l’entropie du système observé, selon OpenStax. Par conséquent, comme il n’existe pas de processus parfaitement réversible, si quelqu’un demande quelle est la direction du temps, nous pouvons répondre avec confiance que le temps s’écoule toujours dans le sens d’une entropie croissante.

Le destin de l’univers

La deuxième loi prédit également la fin de l’univers, selon l’Université de Boston. « Cela implique que l’univers se terminera par une ‘mort thermique’ dans laquelle tout est à la même température. C’est le niveau ultime de désordre ; si tout est à la même température, aucun travail ne peut être fait, et toute l’énergie sera finir comme le mouvement aléatoire des atomes et des molécules. »

Dans un avenir lointain, les étoiles cesseront de naître, les galaxies s’éteindront et les trous noirs s’évaporeront jusqu’à ce qu’il ne reste plus que des particules subatomiques et de l’énergie, selon Revue scientifique. En fin de compte, ces particules et cette énergie atteindront l’équilibre thermique avec le reste de l’Univers. Heureusement, John Baez, un physicien mathématicien de l’Université de Californie Riverside, prédit que ce processus de refroidissement pourrait prendre jusqu’à 10^{(10^26)} (1 suivi de 10²⁶(100 septillions) zéros) ans avec une température tombant à environ 10⁻³⁰ K (10⁻³⁰ C ci-dessus zéro absolu).

Ressources additionnelles

Voici quelques autres explications de la seconde loi de la thermodynamique :

• Bibliographie
• Université de Boston, « Entropy and the second law », 12 décembre 1999. http://physics.bu.edu/~duffy/py105/Secondlaw.html
• Stephen Wolfram, « Un nouveau type de science », Wolfram Media, 2018. http://www.wolframscience.com/nksonline/toc.html
• Des scientifiques célèbres, « Daniel Bernoulli ». https://www.famousscientists.org/daniel-bernoulli/
• Des scientifiques célèbres, « James Clerk Maxwell ». https://www.famousscientists.org/james-clerk-maxwell/
• Des scientifiques célèbres, « Ludwig Boltzmann ».​​https://www.famousscientists.org/ludwig-boltzmann/
• Georgia State University Hyperphysics, « Théorie cinétique ». http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Kinetic/kinthe.html
• Georgia State University Hyperphysics, « Loi sur les gaz parfaits ». http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Kinetic/idegas.html#c1
• Georgia State University Hyperphysics, « Fonction de distribution gaussienne ». http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Math/gaufcn.html
• Britannica, « Entropie ». 1 juin 2021. https://www.britannica.com/science/thermodynamics/Entropy
• Georgia State University Hyperphysics, « Pompe à chaleur ». http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/heatpump.html
• Openstax University Physics 2, « 21 processus réversibles et irréversibles ». 16 juillet 2019. https://opentextbc.ca/universityphysicsv2openstax/
• Adam Mann, « C’est ainsi que l’univers se termine : pas avec un gémissement, mais avec un bang », 11 août 2020, Science Magazine. https://www.science.org/content/article/way-universe-ends-not-whimper-bang
• John Baez, « La fin de l’univers ». 7 février 2016. https://math.ucr.edu/home/baez/end.html
• Cool Cosmos, « Qu’est-ce que le zéro absolu ? » https://coolcosmos.ipac.caltech.edu/ask/298-What-is-absolute-zero-