mouvement perpetuel de 2e ordre.

[Rachilou]

Bonjour,

Je m'intéresse beaucoup au 2e principe de la thermodynamique pour les conséquences qu'elle est censée expliquer.
Dans l'ensemble je les assimile tant bien que mal. Elle s'intègre effectivement admirablement dans la compréhension du mécanisme de fonctionnement de notre univers.
Toutefois, au risque de passer pour un ignorant, pourriez-vous m'aider à comprendre comment les physiciens ont décrété ( on va dire en sont venus à conclure de manière radicale), qu'il était impossible ( mais c'est même pas la peine d'y penser, c'est "interdit") qu'une machinerie reposant sur l'invention d'un principe de fonctionnement "original mais adaptée" puisse absorber l'énergie d'un milieu d'une t° donnée, sans qu'un autre milieu plus froid (de potentiel moins élevé) serve d'interface pour un écoulement d'énergie nécessaire, ceci, afin d'en absorber une partie au passage.

En d'autres termes, sur la base de quel concept(s) peut-on démontrer que mécaniquement ( je dis bien mécaniquement) il est impossible de soutirer de l'énergie à partir d'une machine "monotherme" ?
Je voudrais comprendre quels sont les arguments développés par les physiciens pour en faire la démonstration. C'est tous ce qui m'intéresse.

En vous en remerciant par avance.

ps : je peux être un peu long pour une éventuelle réponse. Merci d'en tenir compte.
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[Deedee81]

Bonjour,

Je voudrais comprendre quels sont les arguments développés par les physiciens pour en faire la démonstration. C'est tous ce qui m'intéresse.

Le sujet peut être un peu vaste (en fait il est extrêmement vaste) donc je ne vais donner que quelques grandes lignes et on approfondira (moi ou d'autres) si nécessaire.

Tout d'abord, il faut se rappeler qu'on ne démontre jamais en physique. La démonstration et l’apanage des maths. La physique utilise des maths mais toute démonstration part d'hypothèses. Ce que fait la physique est donc valider (on vérifie que les résultats sont bien ceux que l'on attend) ou on falsifie (on montre l'inverse).

Ensuite, l'expérience est très importante. Tout ce qui concerne ce sujet (thermodynamique, etc.) est très largement validé par l'expérience et aucune expérience n'a jamais montré que le second principe pouvait être violé (au moins à l'échelle macroscopique). Ni aucune des théories validées. Cela ne veut pas dire qu'un jour.... tout peut arriver. Mais il y a franchement peu de chance de découvrir une violation dans des systèmes utilisant une physique bien comprise (électromagnétisme, mécanique, mécanique quantique, thermique, gravitation, etc... etc...)

Concernant la théorie. La première pierre de base est la thermodynamique. C'est au dix-neuvième siècle que les physiciens ont commencé à comprendre comment s'agençaient entre eux des grandeurs telles que la pression, la température, la chaleur, le travail, etc... En particulier, on découvrit qu'une grandeur extensive appelée entropie pouvait être attribuée aux systèmes et permettait de décrire ces échanges. Par exemple, si un système échange une quantité de chaleur dQ à température constante T, alors : dQ = T.dS où dS est la variation de l'entropie correspondante.

Ils ont vite compris que dans tous les processus l'entropie totale (ou d'un système isolé) ne pouvait que croître. C'est le second principe.

Il restait deux choses gênantes dans cette approche : elle est macroscopique. Quelle est l'origine microscopique de ces concepts de température, chaleur, entropie ? Ensuite, toute la physique fondamentale est basée sur des lois totalement réversible (dans le temps) : électromagnétisme, mécanique, gravitation,... Comment la thermodynamique pouvait, elle, décrire des processus irréversible ?

La solution est venue de la physique statistique. Vaste théorie qui n'a cessé de se prolonger depuis le dix-neuvième siècle (ça a commencé par la théorie cinétique des gaz). La température est liée à l’agitation des atomes et molécules. La chaleur n'est autre que l'énergie cinétique (vibrations, mouvement des atomes et molécules). La pression c'est le choc des atomes sur les parois. Etc....

Et l'entropie ? Considérons un système S décrit par des valeurs macroscopiques : M (masse), T, P... Mais il a aussi une structure microscopique. Quel est le nombre d'états microscopiques possibles conduisant à ces valeurs M, T, P,... ? On va le noté N (qui est une fonction de M,T,P,...). Prenons un exemple très simple : une boite avec deux compartiments (identiques). Si on a 10 atomes (donnant la masse M) et que tout est homogène (température, pression), etc... il y a alors 5 atomes dans chaque compartiment. Il y a 252 manières de le faire (sans compter la place précise de chaque atome dans chaque compartiment).

Le calcul de N peut être plus ou moins compliqué. Il faut aussi tenir compte de la mécanique quantique (caractère indiscernable des particules, ce qu'on appelle aussi les statistiques quantiques, tel que Fermi-Dirac pour les électrons ou Bose-Einstein pour les photons. La classique est Maxwell-Boltzmann. Et les liens entre chaque sont bien connus, évidemment).

L'important est que l'on vérifie que l'entropie est donnée par S=k.ln N (ln = logarithme et k = constante de Boltzmann).

Tous les liens entre physique statistique / théories fondamentales / thermodynamique ont pu être établi.

Et la deuxième loi devient alors un simple phénomène statistique. L'entropie croit simplement parce que au hasard des mouvements des particules, le système a beaucoup plus de chance de se trouver dans un état avec N très très grand qu'avec N petit. Clairement cela est dû au fait aussi que pour un système macroscopique (disons une pomme), N est un nombre colossal.

Quelques liens pour compléter ces explications trop courtes :

http://fr.wikipedia.org/wiki/Thermodynamique
http://fr.wikipedia.org/wiki/Entropie
http://fr.wikipedia.org/wiki/Deuxi%C...hermodynamique
http://fr.wikipedia.org/wiki/Physique_statistique
http://fr.wikipedia.org/wiki/Th%C3%A...9tique_des_gaz
http://fr.wikipedia.org/wiki/Statist...well-Boltzmann
http://fr.wikipedia.org/wiki/Statistique_de_Fermi-Dirac
http://fr.wikipedia.org/wiki/Statist..._Bose-Einstein
http://fr.wikipedia.org/wiki/Hypoth%C3%A8se_ergodique
http://fr.wikipedia.org/wiki/Histoir...ue_statistique
http://fr.wikipedia.org/wiki/D%C3%A9mon_de_Maxwell

[Rachilou]

Bonjour,

Je comprends toute la difficulté d'un tel développement en quelques lignes sur un sujet aussi vaste.
Merci beaucoup d'avoir pris la peine de donner votre avis et d'avoir développé une explication


En ce qui concerne les liens, il y en a un que je ne connaissais pas :

http://fr.wikipedia.org/wiki/Histoir...ue_statistique

Pour comprendre l'histoire et les origines de la thermodynamique, c'est pas mal du tout ( pour un résumé)


Cordialement