La deuxième loi de la thermodynamique est l’un des piliers de la physique, car elle explique pourquoi les processus naturels se développent dans une direction et non dans l’autre. Du fonctionnement des appareils électroménagers à l’évolution des étoiles, cette loi pose des limites fondamentales à la transformation de l’énergie. Son concept central est l’entropie, une grandeur qui mesure le désordre d’un système et qui tend à augmenter avec le temps dans les systèmes fermés.
Concrètement, la deuxième loi indique que les processus naturels évoluent vers des états de plus grand désordre, et que l’énergie utile disponible diminue progressivement.
Il existe différentes interprétations de cette loi, comme la loi de Clausius, qui interdit le flux spontané de chaleur d'un corps froid vers un corps chaud, ou la loi de Kelvin-Planck, qui stipule que toute la chaleur ne peut pas être convertie en travail sans perte. Tous deux soulignent l’irréversibilité des processus : par exemple, une tasse de café froide ne se réchauffe pas d’elle-même, et la chaleur ne circule pas du congélateur vers la cuisinière sans intervention extérieure.
Ci-dessous, nous vous montrons 8 exemples quotidiens de la deuxième loi de la thermodynamique.
1. Le glaçon qui fond
Lorsque nous plaçons un glaçon sur une table à température ambiante, il fond. La chaleur circule de l’environnement (plus chaud) vers la glace (plus froide) jusqu’à atteindre l’équilibre thermique.
Ce processus augmente l’entropie du système : la glace passe d’un état ordonné (solide) à un état plus désordonné (liquide). L'eau liquide ne gèle jamais spontanément en un cube parfaitement défini à température ambiante, car cela impliquerait une diminution de l'entropie.
2. Moteurs thermiques
Les moteurs thermiques, tels que les moteurs à combustion interne, convertissent l’énergie thermique en travail. Selon la deuxième loi, aucun moteur thermique ne peut être efficace à 100 % : une certaine quantité de chaleur est toujours perdue, généralement sous forme de chaleur résiduelle.
Par exemple, un moteur de voiture convertit l’énergie chimique du carburant en travail mécanique.
Cependant, une bonne partie de cette énergie est perdue sous forme de chaleur dans l’échappement, le radiateur ou le bloc moteur lui-même. C’est inévitable et cela s’explique parfaitement par la deuxième loi.
3. Réfrigérateurs et climatisation
Un réfrigérateur transporte la chaleur de son intérieur (plus froid) vers l'extérieur (plus chaud), ce qui à première vue semble contredire la deuxième loi. Cependant, cela ne se produit pas spontanément : il faut du travail, c'est-à-dire de l'énergie externe (électricité) pour faire fonctionner un compresseur qui permet ce processus.
Ainsi, le réfrigérateur ne viole pas la deuxième loi car il y a une consommation d'énergie pour forcer un processus qui ne se produirait pas naturellement.
4. Diffusion de gaz
Imaginez qu’un flacon de parfum se brise dans une pièce. Au début, les molécules de parfum sont concentrées en un seul endroit, mais elles se dispersent rapidement dans l’environnement.
Ce processus est spontané et augmente l'entropie du système : le gaz passe d'une situation ordonnée (forte concentration) à une situation plus désordonnée (uniformément distribuée).
En réalité, il n’arrive jamais que le parfum se reconcentre spontanément dans le flacon cassé, car cela impliquerait une réduction d’entropie.
5. Évolution des étoiles
Même au niveau cosmique, la deuxième loi reste vraie. Les étoiles comme le Soleil émettent un rayonnement thermique à la suite de processus nucléaires. Au fil du temps, ils épuisent leur carburant et, à la fin de leur vie, ils s’effondrent et se refroidissent.
L’ensemble de ce processus implique une tendance vers un état plus désordonné avec moins d’énergie disponible. L’univers lui-même, à mesure qu’il se dilate et se refroidit, se dirige vers un état d’entropie supérieure, dans ce que l’on appelle la « mort thermique de l’univers ».
6. Cuire un œuf
Lorsque nous faisons bouillir un œuf, les protéines présentes dans le blanc et le jaune changent de structure et coagulent. Ce processus est irréversible d’un point de vue thermodynamique. Un œuf dur ne peut pas revenir spontanément à son état cru.
L’augmentation de l’entropie est liée au changement structurel des molécules qui composent l’œuf.
7. Mélange de liquides
Si nous versons du lait dans une tasse de café chaud, ils se mélangent rapidement. Ce processus est naturel et spontané, car il implique une augmentation de l’entropie. Le mélange final présente un plus grand désordre que les deux liquides séparés.
Il n’est pas possible de procéder spontanément à une inversion du processus de séparation du lait et du café sans intervention extérieure.
8. Piles
Les batteries contiennent de l’énergie chimique stockée. Lorsqu’elle est utilisée, cette énergie est convertie en électricité puis en chaleur ou en mouvement. Lorsqu'il est déchargé, le système (la batterie) perd son ordre initial et son entropie augmente.
Recharger une batterie implique d’appliquer un travail pour « réorganiser » chimiquement le système, diminuant son entropie interne, mais au prix d’une augmentation de l’entropie de l’environnement (car le processus de recharge génère de la chaleur).