Deuxième loi de la thermodynamique: définition, équation et exemples

Un château de sable sur la plage s'effondre lentement au fur et à mesure que la journée avance. Mais quelqu'un qui est témoin de l'inverse – du sable sautant spontanément en forme de château – dirait qu'il doit regarder un enregistrement, pas la réalité. De même, un verre de thé glacé dans lequel les cubes fondent avec le temps correspond à nos attentes, mais pas un verre de liquide dans lequel des glaçons se forment spontanément.

La raison pour laquelle certains processus naturels semblent avoir du sens dans le temps, mais pas dans le temps, est liée à la deuxième loi de la thermodynamique. Cette loi importante est la seule description physique de l'univers qui dépend du temps ayant une direction particulière, dans laquelle nous ne pouvons qu'avancer.

En revanche, les lois de Newton ou les équations cinématiques, toutes deux utilisées pour décrire le mouvement des objets, fonctionnent aussi bien si un physicien décide d'analyser l'arc d'un ballon de football lorsqu'il avance ou dans le sens inverse. C'est pourquoi la deuxième loi de la thermodynamique est parfois aussi appelée "la flèche du temps".

La mécanique statistique est la branche de la physique qui relie le comportement à l'échelle microscopique, tel que le mouvement de molécules d'air dans une pièce fermée, à des observations macroscopiques ultérieures, telles que l'ensemble de la pièce Température. En d'autres termes, relier ce qu'un humain pourrait observer directement à la myriade de processus spontanés invisibles qui, ensemble, le font se produire.

Un micro-état est un arrangement possible et une distribution d'énergie de toutes les molécules dans un système thermodynamique fermé. Par exemple, un micro-état pourrait décrire l'emplacement et l'énergie cinétique de chaque molécule de sucre et d'eau à l'intérieur d'un thermos de chocolat chaud.

Un macro-état, en revanche, est l'ensemble de tous les micro-états possibles d'un système: toutes les manières possibles d'agencer les molécules de sucre et d'eau à l'intérieur du thermos. La façon dont un physicien décrit un macroétat consiste à utiliser des variables telles que la température, la pression et le volume.

Ceci est nécessaire car le nombre de micro-états possibles dans un macro-état donné est bien trop grand pour être traité. Une pièce à 30 degrés Celsius est une mesure utile, même si le fait de savoir qu'il fait 30 degrés ne révèle pas les propriétés spécifiques de chaque molécule d'air dans la pièce.

Bien que les macroétats soient généralement utilisés pour parler de thermodynamique, comprendre les microétats est pertinent car ils décrivent les mécanismes physiques sous-jacents qui conduisent à ces plus grands des mesures.

L'entropie est souvent décrite par des mots comme une mesure de la quantité de désordre dans un système. Cette définition a été proposée pour la première fois par Ludwig Boltzmann en 1877.

En termes de thermodynamique, elle peut être définie plus précisément comme la quantité d'énergie thermique dans un système fermé qui n'est pas disponible pour effectuer un travail utile.

La transformation de l'énergie utile en énergie thermique est un processus irréversible. Pour cette raison, il s'ensuit que la quantité totale d'entropie dans un système fermé - y compris l'univers dans son ensemble - ne peut queaugmenter​.

Ce concept explique comment l'entropie est liée à la direction dans laquelle le temps s'écoule. Si les physiciens pouvaient prendre plusieurs instantanés d'un système fermé avec les données sur la quantité d'entropie dans chacun, ils pouvaient les mettre dans l'ordre du temps en suivant "la flèche du temps" - allant de moins en plus entropie.

Pour être beaucoup plus technique, mathématiquement, l'entropie d'un système est définie par la formule suivante, que Boltzmann a également proposée :

oùOuiest le nombre de micro-états dans le système (le nombre de façons dont le système peut être ordonné),kest la constante de Boltzmann (trouvée en divisant la constante des gaz parfaits par la constante d'Avogadro: 1,380649 × 10⁻²³ J/K) etdansest le logarithme népérien (un logarithme à la basee​).

Le principal point à retenir de cette formule est de montrer que, à mesure que le nombre de micro-états, ou les manières d'ordonner un système, augmente, son entropie augmente également.

Le changement d'entropie d'un système lorsqu'il passe d'un macroétat à un autre peut être décrit en termes de variables de macroétat chaleur et temps :

oùTest la température etQest le transfert de chaleur dans un processus réversible lorsque le système se déplace entre deux états.

La deuxième loi de la thermodynamique stipule que l'entropie totale de l'univers ou d'un système isolé ne diminue jamais. En thermodynamique, un système isolé est un système dans lequel ni la chaleur ni la matière ne peuvent entrer ou sortir des limites du système.

En d'autres termes, dans tout système isolé (y compris l'univers), le changement d'entropie est toujours nul ou positif. Cela signifie essentiellement que les processus thermodynamiques aléatoires ont tendance à conduire à plus de désordre que d'ordre.

Un accent important est mis sur laavoir tendance àpartie de cette description. Processus aléatoirespourraitconduire à plus d'ordre que de désordre sans violer les lois naturelles; c'est juste beaucoup moins susceptible de se produire.

Par exemple, de tous les micro-états dans lesquels un jeu de cartes mélangé au hasard pourrait se retrouver - 8,066 × 10⁶⁷ – une seule de ces options est égale à l'ordre qu'elles avaient dans le package d'origine. Ilpourraitarriver, mais les chances sont très, très faibles. Dans l'ensemble, tout tend naturellement vers le désordre.

L'entropie peut être considérée comme une mesure du désordre ou du caractère aléatoire d'un système. La deuxième loi de la thermodynamique stipule qu'elle reste toujours la même ou augmente, mais ne diminue jamais. Ceci est un résultat direct de la mécanique statistique, puisque la description ne dépend pas du cas extrêmement rare où un jeu de cartes se mélange dans un ordre parfait, mais sur la tendance générale d'un système à augmenter le désordre.

Une façon simplifiée de penser à ce concept est de considérer que dé-mélanger deux ensembles d'objets prend plus de temps et d'efforts que de les mélanger en premier lieu. Demandez à n'importe quel parent d'un enfant de vérifier; c'est plus facile de faire un gros gâchis que de le nettoyer !

De nombreuses autres observations dans le monde réel « ont un sens » pour nous, se produisant d'une manière mais pas d'une autre, car elles suivent la deuxième loi de la thermodynamique :

• La chaleur s'écoule des objets à température plus élevée vers les objets à température plus basse et non l'inverse autour (les glaçons fondent et le café chaud laissé sur la table se refroidit progressivement jusqu'à ce qu'il corresponde à la pièce Température).
• Les bâtiments abandonnés s'effondrent lentement et ne se reconstruisent pas.
• Une balle qui roule le long du terrain de jeu ralentit et finit par s'arrêter, car la friction transforme son énergie cinétique en énergie thermique inutilisable.
  

La deuxième loi de la thermodynamique n'est qu'une autre façon de décrire formellement le concept de la flèche du temps: en avançant dans le temps, le changement d'entropie de l'univers ne peut pas être négatif.

Si l'ordre ne fait qu'augmenter, pourquoi regarder autour du monde semble-t-il révéler de nombreux exemples de situations ordonnées ?

Alors que l'entropiedans l'ensembleest toujours en augmentation, localdiminuedans l'entropie sont possibles dans des poches de systèmes plus grands. Par exemple, le corps humain est un système très organisé et ordonné – il transforme même une soupe désordonnée en os exquis et autres structures complexes. Cependant, pour ce faire, le corps absorbe de l'énergie et crée des déchets en interagissant avec son environnement. Ainsi, même si la personne faisant tout cela peut ressentir moins d'entropie dans son corps à la fin d'un cycle de consommation/construction de parties du corps/excrétion de déchets, leentropie totale du système– le corps plus tout ce qui l'entoure – encoreaugmente​.

De même, un enfant motivé peut être capable de nettoyer sa chambre, mais il a converti l'énergie en chaleur pendant le processus (pensez à leur propre sueur et à la chaleur générée par la friction entre les objets déplacés environ). Ils ont probablement aussi jeté beaucoup de déchets chaotiques, en cassant peut-être des morceaux au cours du processus. Encore une fois, l'entropie augmente globalement dans le code postal, même si cette pièce finit par être impeccable.

A grande échelle, la deuxième loi de la thermodynamique prédit l'éventuellemort par la chaleurde l'univers. A ne pas confondre avec un univers mourant dans des affres de feu, l'expression renvoie plus précisément à l'idée que finalement tout utile l'énergie sera convertie en énergie thermique, ou chaleur, puisque le processus irréversible se produit presque partout tout le temps. De plus, toute cette chaleur finira par atteindre une température stable, ou un équilibre thermique, puisque rien d'autre ne lui arrivera.

Une idée fausse courante sur la mort thermique de l'univers est qu'elle représente un moment où il n'y a plus d'énergie dans l'univers. Ce n'est pas le cas! Au contraire, il décrit un moment où toute l'énergie utile a été transformée en énergie thermique qui a tout atteint la même température, comme une piscine remplie d'eau à moitié chaude et à moitié froide, puis laissée à l'extérieur tout après midi.

La deuxième loi est peut-être la plus chaude (ou du moins la plus soulignée) dans l'introduction à la thermodynamique, mais comme son nom l'indique, ce n'est pas la seule. Les autres sont discutés plus en détail dans d'autres articles du site, mais en voici un bref aperçu :

​La loi zéro de la thermodynamique.Ainsi nommée parce qu'elle sous-tend les autres lois de la thermodynamique, la loi zéro décrit essentiellement ce qu'est la température. Il stipule que lorsque deux systèmes sont chacun en équilibre thermique avec un troisième système, ils doivent nécessairement être également en équilibre thermique l'un avec l'autre. En d'autres termes, les trois systèmes doivent avoir la même température. James Clerk Maxwell a décrit un résultat principal de cette loi comme « Toutes les chaleurs sont du même genre.

​La première loi de la thermodynamique.Cette loi applique la conservation de l'énergie à la thermodynamique. Il indique que le changement d'énergie interne pour un système est égal à la différence entre la chaleur ajoutée au système et le travail effectué par le système :

OùUest l'énergie,Qest la chaleur etWest le travail, tous généralement mesurés en joules (bien que parfois en Btus ou en calories).

​La troisième loi de la thermodynamique.Cette loi définitzéro absoluen termes d'entropie. Il indique qu'un cristal parfait a une entropie nulle lorsque sa température est de zéro absolu, ou 0 Kelvin. Le cristal doit être parfaitement arrangé sinon il aurait un certain désordre inhérent (entropie) dans sa structure. À cette température, les molécules du cristal n'ont aucun mouvement (ce qui serait également considéré comme de l'énergie thermique ou de l'entropie).

Notez que lorsque l'univers atteindra son état final d'équilibre thermique - sa mort thermique - il aura atteint une températureplus hauteque le zéro absolu.