S’il y a un concept lié aux transformations physiques difficile à comprendre et encore plus à expliquer c’est bien l’entropie.
Pour introduire cette notion, imaginez un système physique de notre quotidien, disons une tasse de thé bien chaud. Cette tasse est composée de molécules en perpétuelle agitation. La température de votre thé n’est rien d’autre qu’une mesure de l’agitation de molécules qui s’entrechoquent. C’est dans cette effervescence à l’échelle microscopique (l’infiniment petit) que réside la notion l’entropie (notée S).
Naissance d’une idée : l’entropie de Clausius
L’entropie, histoire d’un concept étrange. C’est Rudolf Clausius, un physicien allemand, qui est le premier à l’avoir fait connaître au XIXe siècle. Mais contrairement à la température ou l’énergie, l’entropie n’a pas été vraiment comprise, Clausius n’avait pas encore une compréhension complète de ce qu’il introduisait. Ce qui peut sembler étrange, pourtant il a réussi à démontrer que cette grandeur, qu’il appela entropie (d’après le mot grec ε 'ν τ ρ ο π η '), pouvait être associée à d’autres propriétés comme la température, la pression ou le volume d’un système.
Rudolf Clausius n’a pas donné de formule précise pour calculer l’entropie. Il s’est contenté de prouver son existence et d’esquisser quelques méthodes pour la calculer dans des cas spécifiques.
L’entropie contrairement à l’énergie, ne se conserve pas globalement. Elle ne diminue jamais, ou plutôt, si un système physique perd de l’entropie, alors l’univers (tout ce qui existe autour de nous) en gagne autant ou plus, et vice-versa. L’énergie se conserve, l’entropie elle peut se créer.
L’entropie et le second principe de la thermodynamique
C’est ici qu’intervient un principe fondamental : le second principe de la thermodynamique. Ce principe stipule que l’entropie globale de l’univers ne peut qu’augmenter. Pourquoi cela ? Pour répondre à cette question un petit exemple s’impose, si on sort un plat chaud d’un four. En le posant sur une table, le plat va petit à petit refroidir en réchauffant la table. D’un point de vue de la conservation de l’énergie (Thermodynamique définition et principes), la table pourrait également refroidir pour chauffer davantage le plat, mais cela semble absurde intuitivement. C’est le second principe de la thermodynamique qui nous dit que ce processus à un sens (du plus chaud vers le plus froid) et qu’il est irréversible parce que l’entropie totale doit toujours augmenter.
L’entropie fournit donc une direction aux transformations physiques en indiquant que celles-ci ne peuvent se produire que dans un seul sens : celui où l’entropie globale augmente. Clausius a ainsi résolu un problème fondamental en physique : comment orienter les transformations physiques ?
Nous allons tenter de démontrer le concept d’irréversibilité de l’entropie à travers un exemple en image :
Deux récipients reliés par un robinet contiennent chacun un gaz pur distinct. Les deux récipients sont à une température et une pression identique. Observons ce qui se passe quand on ouvre le robinet. Les molécules vont se mélanger jusqu’à ce que les compositions dans les deux récipients deviennent égales. Mais celles-ci ne reviendront plus dans l’état initial, c’est donc une transformation irréversible.
Entropie et désordre : une interprétation moderne
On a tendance à dire que l’entropie mesure le désordre d’un système. Cette idée est en partie réelle mais cela ne suffit pas, car le désordre est une notion abstraite en thermodynamique. Comment donner un sens objectif à cette idée de désordre ?
Imaginez un paquet de cartes ce paquet avec toutes les cartes représente l’état macroscopique de notre système. Les cartes prisent individuellement représentent les composantes microscopiques comme des molécules. Supposons que chaque carte porte un nombre entier positif, et que la somme de ces nombres représente l’énergie totale de notre système. Si cette somme est nulle, il n’y a qu’une seule configuration possible : toutes les cartes seront égales à zéro. Si cette somme est de 1, plusieurs configurations sont possibles : une carte affiche 1 sans savoir laquelle et toutes les autres affichent zéro. Ainsi plus l’énergie totale de notre paquet de cartes augmente, plus le nombre de configurations (ou états microscopiques) sera possible.
L’entropie mesure donc en réalité l’étendue de ces configurations microscopiques (infiniment petit). Les états microscopiques changent en permanence, et l’entropie mesure l’étendue des différentes configurations possibles.
Voir cette vidéo https://www.youtube.com/watch?v=rHIPMHO_tNA
En d’autres termes, l’entropie ne mesure pas exactement le désordre mais plus précisément la "mélangeabilité" microscopique d’un système. Elle dépasse les notions simples de désordre pour nous offrir une vision plus exacte d’un système complexe.
Système frigorifique et entropie
La notion d’entropie fait partie intégrante de la thermodynamique, à ce titre elle est parfaitement en accord avec les transformations physiques dans les systèmes frigorifique notamment la pompe à chaleur !
