Comment aborder l'énergie et l'entropie des structures dans l'enseignement secondaire

[yvon l]

Constatant que la thermodynamique des systèmes ouverts loin de l’équilibre sont difficiles à appréhender, J’ai imaginé une représentation graphique de ce type de structure.
La caractéristique d’une telle structure est d’être traversée par un flux d’énergie




La structure proprement dite comprend le cercle bleu, attaché au rectangle blanc qui représente l’énergie qu’elle contient
Pour décrire le fonctionnement de la structure, il faut la situer dans son environnement:
celui-ci comprend 3 parties:
- la source du flux d’énergie E1.
- La destination du flux où est évacuée l’énergie E2
- L’environnement proprement dit (en vert), c-à-d la zone du système avec laquelle la structure échange les informations. C’est grâce à ces informations (et sous l’action du flux) que beaucoup de structures vont pouvoir s’auto-organiser spontanément.
Noter que ces 3 parties peuvent plus ou moins se confondre.
Le flux d’énergie se divise dans la structure suivant les flèches brunes. Une partie du flux alimente la structure tandis qu’une autre partie évacue l’énergie de la structure.
Quand le flux disparaît, la structure peut, soit disparaître, soit subsister avec une entropie pouvant être faible. Dans ce cas l’énergie qu’elle contenait au moment de la disparition peut être la source d’une autre (ou nouvelle) structure, soit se retrouver au niveau environnement (vert) pour échanger des informations avec une autre (ou une nouvelle) structures.

Les échanges d’informations structure/environnement peuvent être bidirectionnelles (flèches noires) soit monodirectionnelles
Fonctionnement général.
1ere contingence:
1ere lois de la thermodynamique (conservation de l’énergie): Es= E1-E2
Es varie lorsque le flux sortant est différent du flux entrant.
2eme contingence:
2eme loi de la thermodynamique (entropie): Pour avoir un flux d’énergie de E1 vers E2 il faut que l’entropie de E1 soit plus faible que l’entropie de E2 (déséquilibre des entropies).

Si la structure est une structure dissipative au sens de Prigogine, il faut que l’entropie de Es soit faible ( La c’est à discuter ) afin d’accélérer la dissipation (augmentation de l’entropie) de l’énergie qui traverse la structure.

Exemples:
1- E1 source chaude, E2 source froide. Le milieu de l’air .
Le flux est donc de la chaleur. Si le flux est suffisant, la structure prend la forme de convection d’air (vent). Es est donc de l’ énergie cinétique (énergie mécanique de très faible entropie). Cette énergie va accélérer la dissipation de la chaleur, donc la structure est dissipative.
Idem, si la structure devient cyclone, si on fait intervenir les changements de phases eau-vapeur contenues dans l’air (c’est seulement un peu moins évident).
Quand le flux disparaît, si l’air était sec, Es disparaît également.Si le flux entraîne des changements de phases eau-vapeur, de l’énergie potentielle (donc de très faible entropie) subsiste (eau des barrages).
2- Un cerveau:
E1 sang chargé en oxygène qui arrive au cerveau (entropie faible), E2 sang qui retourne au coeur pour réoxygénation (entropie forte). Environnement*: l’ensemble des processus qui échangent de l’information avec le cerveau.
Le flux énergétique est important, mais la variation d’énergie dans le cerveau est pratiquement nulle (si non ou irait-elle). Le flux énergétique sert augmenter la quantité d’informations dans le cerveau , c-a-d à diminuer son entropie (par modifications de liaisons non covalentes??)

On peut multiplier les exemples.
Voilà qu’en pensez-vous?
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[sunyata]

Très intéressant modèle explicatif !

Peut-être en préambule faudrait-il expliquer les notions de

- Système fermé.
Où on observe une croissance de l'entropie vers un maximum qui correspond à l'état le plus probable : l'équilibre thermodynamique.

- Système ouvert.
Aborder la notion de seuil critique, car la structure dissipative n'apparaît que lorsque le seuil critique est franchi à partir duquel les corrélations à grandes distances se produisent qui induisent la structure dissipative.

[sunyata]

Le défi est ensuite de montrer les liens qui existent entre l'énergie, l'entropie, et l'information.
Montrer que l'information a un lien intime avec l'énergie, et que sans dissipation d'énergie, il n'y a pas d'information.

Vaste programme !

[yvon l]

Très intéressant modèle explicatif !

Peut-être en préambule faudrait-il expliquer les notions de
- Système fermé.
Où on observe une croissance de l'entropie vers un maximum qui correspond à l'état le plus probable : l'équilibre thermodynamique.

Je pensais introduire un système fermé comme étant un cas particulier du modèle présenté.
Supposons que le flux d’énergie disparaisse. Pour cela il faut que l’entropie de E1 soit égale à l’entropie de E2 (2eme loi de la thermodynamique). Dans ce cas la structure proprement dite peut avoir deux comportements:
1-Elle disparaît et l’ensemble considéré (environnement complet ) se comporte comme un système fermé, dont l’entropie est partout la même. Je n’aime pas ici parler de maximum d’entropie atteinte, car pour moi dans un système isolé, en principe on ne sait pas se référer à une échelle des entropies.
2-Une partie énergétique de la structure subsiste. Sont énergie est piégée dans ce qu’on appelle un puits de potentiel. C’est le cas dans le 1er exemple du barrage.

Peut-être en préambule faudrait-il expliquer les notions de
- Système ouvert.
Aborder la notion de seuil critique, car la structure dissipative n'apparaît que lorsque le seuil critique est franchi à partir duquel les corrélations à grandes distances se produisent qui induisent la structure dissipative.

J’ai, dans le 1er exemple déjà, sans le nommé parlé de seuil critiqu: citation «*. Si le flux est suffisant, la structure prend la forme de convection d’air (vent)*»
Pour illustrer ce point prenons l’exemple suivant:
E1: une zone chaude de la terre
E2: une zone froide
Flux énergétique: flux d’énergie (puissance) contenu dans la convection du flux de matière air-eau.(vent)
Environnement: la terre entière en excluant la structure proprement dite.
La structure qui m’intéresse: Es=la partie qui va contenir de l’énergie électrique (orage).
Es est une énergie de très faible entropie qui est contenue dans les différences de potentiels électriques qui apparaissent spontanément dans l’environnement.
Es va donc croître spontanément sous l’effet du flux pour atteindre des seuils critiques
où des éclairs vont se produire. L’énergie de ces éclairs vont se retrouvées alors dans le flux de sortie (via la flèche brune de droite). Cette énergie de faible entropie est donc évacuée de la structure par «*a coup*» (chaleur)
Si le flux qui traverse la structure venait à disparaître brusquement la structure pourrait contenir une énergie électrique résiduelle (puits de potentiel).
Bref on a bien affaire à une structure dissipative, qui puise dans l’énergie de faible entropie (électrique) quelle fabrique les ressources pour faciliter le transfert de l’énergie qui la traverse.

Autre exemple que l’on pourrait développer: les tremblements de terre.

Voilà un premier aperçu où j’introduis la notion de seuil critique (voir aussi le chaos déterministe au sens des physiciens)

[A voir en vidéo sur Futura]

[yvon l]

Le défi est ensuite de montrer les liens qui existent entre l'énergie, l'entropie, et l'information.
Montrer que l'information a un lien intime avec l'énergie, et que sans dissipation d'énergie, il n'y a pas d'information.

Vaste programme !

Oui, bien sur, j’ai quelques arguments bien concrets pour étayer le lien énergie-entopie comme support d’informations. Le modèle proposé s’y prête bien. Mais je pense qu’il serait intéressant de poursuivre dans un premier temps la critique du modèle en laissant provisoirement hors champs l’information. Je sais pourtant que l’échange d’informations entre la structure et son environnement est le nœud qui permet à la structure de s’auto-adapter à son environnement, même si ce dernier se modifie. Dans mon parcourt professionnel, j’ai du assurer un cours de régulation industrielle. Et si j’avais introduit la notion de structure dissipative, j’aurais pu montrer de façon élégante comment des mécanismes régulateurs entre en actions. Et de pouvoir également sortir des modèles habituels des systèmes automatiques, en introduisant entre autre la façon d’analyser les systèmes chaotiques. En particulier comment ceux-ci peuvent générer de l’information quand ils sont traversés par un flux d’énergie/matière adéquat.
En attendant je présente ici un modèle légèrement modifié (plus général)

Dans celui-ci, Une flèche supplémentaire représente un flux d’énergie supplémentaire sortant directement de la structure. Cette nouvelle représentation permet de passer à la notion de groupe de structure en série (voir après).
Par exemple si la structure étudiée est un groupe électrogène.
E1 est un carburant, E2 est de l’énergie calorifique, Le flux Fs sortant doit être «*raccordé*» à la source E1 d’une nouvelle structure baignant dans le même environnement (en vert) appelée «*récepteur électrique*», le flux Fs est la puissance électrique transférée entre les structures. La structure «*groupe électrogène*» assure la diminution d’entropie d’une partie de l’énergie (electrique) traversante, tout en la déviant à l’entrée d’une autre structure. La structure «*groupe électrogène*» contient une énergie Es égale à l’énergie cinétique des masses tournantes (très petite par rapport au flux d énergie contenue dans Fs).

[yvon l]

Bonjour,

J’ai deux questions
1- Si je considère une structure «*végétale*», dans son environnement.
E1= énergie rayonnante qui irradie la plante.
F1= flux d’énergie entrant (rayon)
E2= l’air du temps (température, humidité) (environnement )
Fs=0 (pas de flux d’énergie fournie à l’environnement (pour détail voir point 2)
Es = énergie accumulée par la plante pour assurer sa survie (nécessaire car le flux est interrompu régulièrement(cycle 24h)). Cette énergie de faible entropie est constituée par une fraction du flux entrant, le reste du flux est nécessaire à la survie de la plante (à discuter*- information !!).
Es est également l’énergie celle qui reste après la mort de la plante et qui pourra constituer l’alimentation d’une autre structure vivante (une vache …).
F2*= déchet que la structure rejette pendant son fonctionnement. La plante, en évaporant de l’eau, va assurer le transfert énergétique vers E2. La condensation de cette eau va produire de l’énergie thermique (grande entropie) dans E2 .
Ma question: Et si on considérait une plante aquatique (E2 est alors de l’eau), comment le flux sortant est-il alors évacué*?

2- Si on considèrait une structure «*animale*» dans son environnement.
E1= aliment (le Es de la structure précédente)
E2= air du temps
Es= énergie nécessaire au fonctionnement de l’animal (quelques milliers de wh/kg)
Fs = énergie mécanique (de faible entropie) développee par l’animal pour se mouvoir.
F2= déchet que rejette la structure*: excréments + évaporation (voir point 1) + chaleur (si l’animal est à sang chaud)

Ma question: Et si on considérait un animal aquatique (E2 est alors de l’eau), comment le flux sortant est-il alors évacué*? Excrément +*??

[yvon l]

Le défi est ensuite de montrer les liens qui existent entre l'énergie, l'entropie, et l'information.
Montrer que l'information a un lien intime avec l'énergie, et que sans dissipation d'énergie, il n'y a pas d'information.

Vaste programme !

Bonjour

Avant d’aborder ce point délicat, je vais présenter une structure que j’appellerai «*Tablette*», à savoir la présentation du point de vue énergétique d’une tablette dont l’environnement se limiterait à un humain (on laisse tomber pour des raisons de simplification le net et autres éléments d’échanges d’informations)

E1: source d’énergie: la batterie d’accumulateurs = énergie contenue dans celle-ci.
E2: l’air du temps ou l’énergie est dissipée (joules)
Environnement (vert), un humain
F1: Flux entrant dans la structure = puissance électrique (watt)
F2: Flux dissipé par la structure = puissance calorifique (watt)
Fs = 0
Es: Energie (joule) dans la structure.
Le flux d’énergie qui traverse la structure tablette est rythmé par une horloge qui organise dans le temps le débit du flux d’énergie dans la tablette (apparition ici de l’organisation temporelle de gestion du flux dans les machines qui traitent l’information). La tablette utilise comme support de l’information des mémoires (RAM-ROM) électroniques. C’est mémoires dans une tablette ont la particularité de garder l’information lorsque le flux énergétique disparaît, c-à-d ici lorsque l’on arrête l’horloge (Pour les connaisseurs: si la tablette est équipée uniquement de RAM statiques ).
En gelant l’horloge on peut observer ce qui a comme énergie Es dans la structure. Es est entièrement concentré dans les mémoires. En effet une mémoire informatique est composée de transistors à effet de champs qui emmagasinent de l’information dans des puits de potentiels électriques (suivant le sens du potentiel on dispose d’une information binaire 0 ou 1)
Ce qui fait que l’énergie Es est la somme de toutes les énergies emmagasinées par les différents transistors.
Si on redémarre l’horloge, le flux d’énergie F1 réapparaît spontanément pour traiter les informations contenues dans les RAMs. l’énergie contenue dans ce flux sert à commuter les potentiels dans les transistors. La commutation d’état d’un bit, nécessite la dissipation d’un peu d’ énergie, (énergie puisée dans le flux F1). La puissance du flux F1 (watt) varie constamment en fonction du nombre de commutations à effectuer par seconde.
Donc si on regarde bien, l’énergie dans la structure Es est pratiquement constante (même énergie quel que soit le sens du potentiel emmagasiné dans chaque bit des éléments de la mémoire).
Donc il en résulte que la puissance F2 (chaleur ) = puissance F1 (électricité).
Il resterait à discuter des échanges d’informations entre la structure et l’environnement …
Petite remarque: Les ordinateurs équipés de RAM dynamiques, doivent pour conserver l’intégrité de leur structure être alimentés par le flux (horloge permanente) (Un peu comme le cerveau).

[yvon l]

Pourquoi, l’information est elle tributaire d’une dissipation d’énergie ??
Dans le cas des mémoires actuelles d’ordinateurs, le support de l’information comprend des cellules pilotées par des transistors qui permutent, l’information binaire en modifiant le potentiel électrique aux bornes d’un petit condensateur. Pour pouvoir modifier ce potentiel, il faut soit disposer d’énergie (augmentation de potentiel) ou évacuer de l’énergie (diminution du potentielle), lorsque la cellule modifie son potentielle (son information). On peut donc aller/venir cette énergie ? Par exemple en la puisant ou en l’évacuant vers un élément pouvant emmagasiner de l’énergie cinétique, et dans ce cas, aucune dissipation (si les transistors étaient parfaits (sans dissipation d’énergie)); soit en la dissipant sous forme de chaleur. C’est cette solution qui est adoptée dans les mémoires d’ordinateurs.
Si on fait une analogie avec le cerveau, celui-ci aurait un processus de la 2eme forme c-a-d dissipatif. Le flux d’énergie qui traverse le cerveau (le sang), est le flux d’énergie qui permet de modifier (et aussi de maintenir – plutôt RAM dynamique) l’information contenue dans le cerveau.
Dame nature, ou plutôt déesse nature dans sa grande , son immense sagesse a fait les choses ainsi.

[sunyata]

Ma question: Et si on considérait une plante aquatique (E2 est alors de l’eau), comment le flux sortant est-il alors évacué*?

Le flux sortant pourrait être évacuée par différence de potentiel hydrique, se traduisant par une certaine pression osmotique.

Ma question: Et si on considérait un animal aquatique (E2 est alors de l’eau), comment le flux sortant est-il alors évacué*? Excrément +*??

Idem chez les poissons : L'énergie sort sous forme de travail due au mouvement de nage de poisson => Frottement => Chaleur.
Plus les phénomènes d'osmorégulation. ( du à des différences de potentiel chimique )

Les poissons d'eau douce sont hyper osmotiques,
Les poissons d'eau de mer sont hypo osmotiques
http://www.zoomalia.com/blog/article...n-poisson.html

Cordialement

[Amanuensis]

Cette discussion, ou "Comment contourner le fermeture d'une discussion, en n'amenant rien de plus que dans la discussion fermée, et en ne prenant en compte aucune des critiques qui ont été apportées".

La demande était "Si un autre fil doit être ouvert par l'auteur, merci de le faire autour d'une problématique précise. " Je ne vois pas plus de "problématique précise" que dans la discussion précédente.

[yvon l]

Le flux sortant pourrait être évacuée par différence de potentiel hydrique, se traduisant par une certaine pression osmotique.

Idem chez les poissons : L'énergie sort sous forme de travail due au mouvement de nage de poisson => Frottement => Chaleur.
Plus les phénomènes d'osmorégulation. ( du à des différences de potentiel chimique )

Merci pour votre réponse, tout cela à l’air de coller.
Cordialement

[yvon l]

Cette discussion, ou "Comment contourner le fermeture d'une discussion, en n'amenant rien de plus que dans la discussion fermée, et en ne prenant en compte aucune des critiques qui ont été apportées".

La demande était "Si un autre fil doit être ouvert par l'auteur, merci de le faire autour d'une problématique précise. " Je ne vois pas plus de "problématique précise" que dans la discussion précédente.

C'est votre point de vue.
Je peux vous dire que beaucoup de lecteurs sont intéressés par le sujet.
Regardez aussi le nombre de lectures en 2 jours.

[JPL]

C'est votre point de vue.
Je peux vous dire que beaucoup de lecteurs sont intéressés par le sujet.
Regardez aussi le nombre de lectures en 2 jours.

Regarde aussi au nombre de participants... C'est un long monologue sur lequel nous allons statuer demain (beaucoup trop de choses à discuter dans notre équipe aujourd'hui).

[myoper]

Un fil censé expliquer de façon claire et concise des notions du secondaire qui part dans des considérations tellement alambiquées qu'elles en deviennent pas forcément explicables n'est pas vraiment indispensable...

[saint.112]

Quand j'ai vu que tu remettais le couvert sous le titre Comment aborder l'énergie et l'entropie des structures dans l'enseignement secondaire je me suis demandé ce que tu entendais vraiment montrer ce coup-là sous couvert d'une démarche pédagogique innovante.
Je te rappelle que dans l'enseignement secondaire comme sur ce forum et comme dans toute vulgarisation l'obligation est de présenter l'état actuel du savoir, pas d'essayer de faire passer des théories personnelles comme tu le fais d'habitude :

Oui, bien sur, j’ai quelques arguments bien concrets pour étayer le lien énergie-entopie comme support d’informations. Le modèle proposé s’y prête bien. Mais je pense qu’il serait intéressant de poursuivre dans un premier temps la critique du modèle en laissant provisoirement hors champs l’information. Je sais pourtant que l’échange d’informations entre la structure et son environnement est le nœud qui permet à la structure de s’auto-adapter à son environnement, même si ce dernier se modifie.

Surtout si c'est comme toujours pour étaler un verbiage assez abscons.

Il y a quelque chose de parfaitement hypocrite et anti-éthique dans ta démarche. Il faudrait que tu choisisses :

1. Soit tu veux faire de la vulgarisation à destination d'un public donné, et il me semble légitime que tu viennes sur un forum comme celui-ci pour solliciter un avis quant à la rigueur et à la validité de ta présentation. Il y a déjà eu plusieurs demandes de ce type. Beaucoup de participants te feraient volontiers des remarques et des suggestions. Néanmoins le marché de la vulgarisation et de l'enseignement est déjà saturé et donc je ne vois pas bien ce qu'un amateur peut apporter de plus que ce qui existe déjà fait par des professionnels.
2. Soit tu développes ta théorie personnelle et alors tu dois passer par un autre circuit… et je te souhaite bonne chance.

Or tu mélanges les deux genres en essayant de faire passer pour de la vulgarisation et/ou de la pédagogie la présentation de notions purement personnelles. Ça pèche donc sur les deux tableaux : par ta compréhension assez floue d'un grand nombre de concepts scientifiques que tu prétends exposer, d'où tes erreurs ou tes biais assez nets, et par ton apport personnel qui est très, très, mais alors très tocard. Ça pêche aussi, comme j'ai dit, sur un troisième tableau : le côté faux-derche consistant à faire comme si tu adoptais une démarche pédagogique innovante visant à faire comprendre l'état actuel du savoir alors que tu introduis des notions personnelles. Et en plus tu es hors chart.
Je ne donne pas cher de la pérennité de ce nouveau fil.
Nico

[vep]

Ce fil est fermé sur décision de l'équipe de modération pour plusieurs raisons :
- Vu le caractère très particulier et très "monopolisé" du fil, il ne peut pas déboucher sur une véritable discussion avec des échanges ouverts.
- La question d'un détournement d’une décision de la modération (fermeture de votre précédent fil) se pose également.
- Sur le fond, comme remarqué par Saint 112, les théories personnelles ne peuvent faire l'objet d'enseignement dans un cadre académique. Ce débat n'a donc pas lieu d'être sur le forum Futura sciences.


pour la modération.