La deuxième loi de la thermodynamique est l’un des principes fondamentaux de la physique, avec de profondes implications tant pour les systèmes naturels que pour les applications technologiques. Cette loi établit que :
« La quantité d’entropie dans l’univers a tendance à augmenter avec le temps. »
En termes simples, cela signifie que les processus naturels tendent vers le désordre et que l’énergie utile disponible pour effectuer un travail diminue avec le temps.
Énergie, chaleur et travail : ce qui est vrai et ce qui ne l'est pas
L’un des aspects essentiels découlant de cette loi est que, bien que tout travail mécanique puisse être entièrement converti en chaleur, l’inverse n’est pas vrai : toute la chaleur ne peut pas être transformée en travail. Cette limitation définit un rendement maximal théorique, appelé rendement de Carnot, qui dépend uniquement des températures des sources chaudes et froides.
Comparaison avec la première loi de la thermodynamique
Selon la première loi de la thermodynamique, ou loi de conservation de l'énergie, l'énergie n'est ni créée ni détruite, elle est seulement transformée. Cette idée est résumée dans l’équation :
\[ \Delta U = Q - W \]
Où:
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\( \Delta U \) est la variation de l'énergie interne du système.
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\( Q \) est la chaleur absorbée.
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\( W \) est le travail effectué par le système.
Cette loi n’indique cependant pas dans quelle direction les processus se produisent, c’est-à-dire qu’elle ne fait pas de distinction entre ce qui est possible ou naturel et ce qui ne l’est pas. Pour cela, nous avons besoin du deuxième principe.
L'entropie et la deuxième loi
Le concept clé de la deuxième loi est l’entropie, une mesure du désordre ou du caractère aléatoire d’un système. Plus l’entropie est grande, plus le système est désorganisé ou dispersé. La deuxième loi stipule que :
Dans un système fermé ou isolé, l’entropie totale ne peut pas diminuer ; Elle ne peut que rester constante (dans les processus réversibles) ou augmenter (dans les processus réels et irréversibles).
Par conséquent, pour que la chaleur s’écoule d’un corps froid vers un corps chaud (c’est-à-dire contre le gradient thermique), un travail externe est nécessaire. Cela explique, par exemple, comment fonctionnent les réfrigérateurs et les climatiseurs, qui nécessitent de l’énergie pour forcer la chaleur à se déplacer « contre » sa direction naturelle.
Dans les processus spontanés, tels que le mélange de gaz, le refroidissement d’un objet chaud ou la dissolution d’une substance, l’entropie du système et de son environnement augmente. Cependant, si vous souhaitez diminuer l’entropie d’une partie du système, vous devez l’augmenter encore plus ailleurs, de sorte que l’entropie totale continue de croître.
Systèmes en équilibre
La deuxième loi s’applique principalement aux systèmes qui sont proches ou dans un état d’équilibre thermodynamique. Dans ces cas, l’évolution du système peut être prédite en fonction des changements d’entropie. Si un processus provoque une augmentation de l’entropie globale, il est alors thermodynamiquement admissible. Sinon, le processus est impossible.
De plus, une production d’entropie plus faible dans un processus est souvent associée à une plus grande efficacité énergétique. Cela est particulièrement important dans le génie chimique, l’industrie énergétique et d’autres domaines technologiques.
Exemples de la deuxième loi de la thermodynamique
La deuxième loi se manifeste dans de nombreux phénomènes quotidiens et naturels. Voici quelques exemples clairs de la deuxième loi :
1. Un gaz comprimé qui se dilate
Si une vanne reliant un récipient de gaz comprimé à une zone de pression inférieure est ouverte, le gaz se dilate spontanément, augmentant son entropie. Le processus inverse (le gaz se comprimant à nouveau spontanément) ne se produit pas sans travail extérieur.
2. La chaleur circule toujours du chaud vers le froid
Lorsqu'un objet chaud est placé en contact avec un objet plus froid, la chaleur circule du plus chaud vers le plus froid jusqu'à ce que l'équilibre thermique soit atteint. L’inverse n’a jamais été observé sans apport d’énergie.
3. Une tasse de café qui refroidit
Lorsque vous laissez une tasse de café chaude sur une table, la chaleur est transférée à l’air ambiant. La tasse refroidit et cette chaleur se disperse dans l’environnement. Le processus inverse, à savoir le chauffage du café lui-même, est impossible sans intervention.
4. Comment fonctionne un réfrigérateur
Le réfrigérateur extrait la chaleur de son intérieur (plus froid) et l'expulse vers l'extérieur (plus chaud). Pour réaliser ce « flux inversé », il faut une énergie électrique qui alimente le compresseur. Ainsi se réalise la deuxième loi : l’ordre s’impose au prix d’un désordre croissant dans l’environnement.
5. Le mélange de liquides ou de gaz
Lorsque deux liquides ou gaz initialement séparés se mélangent, ils le font spontanément jusqu'à atteindre une distribution uniforme. L'entropie augmente, car l'état final est plus désordonné que l'état initial. Ils ne se sépareront pas d'eux-mêmes.
6. La combustion d'un carburant
Lorsque nous brûlons de l’essence, de l’énergie est libérée sous forme de chaleur et de gaz qui sont dispersés. Bien qu’une partie de cette énergie puisse être transformée en travail (par exemple, déplacer une voiture), il y aura toujours des pertes thermiques. L’efficacité est limitée par la deuxième loi.