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  • Cédric Ringenbach
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    L’accouplement de deux corps de températures différentes

    août 2nd, 2008

    Premier et second principes de la thermodynamique

    Le premier principe de la thermodynamique dit que, dans un système fermé, la quantité totale de matière et d’énergie ne peut varier. Autrement dit, « rien ne se crée, rien ne se perd, tout se transforme » comme dirent tout à tour Anaxagore de Clazomènes et Antoine Lavoisier.

    Le second principe de la thermodynamique dit que dans un système fermé, l’entropie ne peut que croître:

    ∆S ≥ 0

    L’entropie se mesure en J/°K (Joules par degré Kelvin) et vaut :

    S = W / T

    W est la qualité de chaleur contenue dans le système
    T est sa température

    Lors d’une transformation réversible, l’entropie reste sage, voire constante, alors que son augmentation signifie immanquablement une irréversibilité du phénomène. Pour te donner une image, si on filme un événement et qu’on peut passer le film à l’envers sans que cela semble bizarre, c’est que la transformation est réversible (par exemple, une balle très élastique qui rebondit). Au contraire, si je laisse tomber un oeuf par terre et que je filme cet acte à la fois gratuit et inspiré, tu ne me croiras jamais si je te passe la bobine à l’envers. L’entropie de la cuisine a donc augmenté légèrement au cours de l’expérience (tout comme l’humeur de ma femme d’ailleurs qui ne voit pas l’intérêt de casser des œufs par terre…).

    Un exemple d’irréversibilité facile à comprendre est l’accouplement de deux liquides de températures différentes : je mets un litre d’eau à 40°C en ménage avec un litre d’eau à 20°C, j’obtiens deux litres d’eau à 30°C. La quantité de chaleur de l’ensemble est la même, mais son entropie a augmenté car l’opération est irréversible. Du coup, je n’ai plus d’eau à 20°C (celle qui est agréable à boire) ni d’eau à 40°C (celle avec laquelle je peux me doucher)… Quel gâchis !

    Résumons :

    1. Tant que je n’ai pas fais le mélange, j’ai encore le choix de :
      • boire de l’eau fraîche
      • me laver
      • obtenir de l’eau tiède en mélangeant les deux
    2. Une fois le mélange accompli, on ne peut plus revenir en arrière.  On peut à la limite, boire de l’eau tiède ou se laver à l’eau froide, mais c’est tout.

    Moralité :

    L’augmentation de l’entropie va avec une diminution du champ des possibles.

    Quelle leçon retenir pour l’énergie que nous consommons ?

    L’énergie peu prendre des formes diverses :

    • l’énergie chimique potentielle d’un litre d’essence (soit 10 kW.h)
    • l’énergie cinétique d’une voiture roulant à 50 km/h (Ec = 1/2 mV², je te laisse faire le calcul)
    • le faisceau électromagnétique émis par une ampoule (basse consommation, évidemment)
    • l’énergie électrique consommée par ma télé pendant un épisode de la Nouvelle Star (presqu’autant que quand c’est moi qui la regarde)
    • la chaleur de ton corps (2,5 kW.h par jour quand-même !)

    Toutes ces formes d’énergie présentent un intérêt qui dépend du contexte et peuvent, avec une efficacité plus ou moins déplorable, passer d’une forme à l’autre grâce à des transformations en générale irréversibles. Mais une chose est sure, c’est qu’au final, l’énergie se transforme en chaleur. La chaleur, mes bien chers frères, est la forme la plus dégradée de l’énergie. C’est le résidu de toute activité, même la plus louable, la plus subtile ou la plus intelligente (oui ma chérie, même regarder la Nouvelle Star).

    Donc, quand nous disons que nous consommons de l’énergie, c’est incorrecte d’un point de vue thermodynamique car nous ne faisons que la transformer en une autre forme d’énergie (rien ne se crée, rien ne se perd, rappelle-toi Clazomènes et Lavoisier), mais c’est correct d’un point de vue anthropomorphique car une fois dégradée en chaleur, cette énergie ne nous est plus d’un grand intérêt.

    Où voulais-je en venir ? Ah oui, mes bien chers frères, à ceci : au fait qu’il est aberrant de faire passer un courant électrique à travers une pauvre résistance (qui n’a rien demandé à personne, soit dit en passant) pour produire de la chaleur par effet Joule alors que cette chaleur est omniprésente autour de nous. Il est encore plus aberrant de faire ça avec plus de la moitié de l’électricité que nous consommons.

    Mieux gérer, stocker, économiser, produire, transférer la chaleur est le but du projet qui va occuper mes nuits et mes week-end pour les années à venir.  Mon intuition est que limiter l’augmentation de l’entropie est une piste pour économiser l’énergie et optimiser le confort.

    Les prochains posts en diront plus sur ce projet, promis.