Le deuxième principe de la thermodynamique est-il compréhensible ?

[Geb]

Bonjour,

Je vous prie de m'excuser, mais je vais revenir quelque peu sur le cas spécifique des êtres vivants.

En fait, après une courte revue de la littérature, j’observe que Prigogine a été très laconique dans l’utilisation qu’il pouvait être faite de la notion de structure dissipative dans les investigations scientifiques visant à mieux comprendre les origines de la vie. Ce sont (beaucoup) d’autres chercheurs qui ont su appliquer ses idées dans ce domaine et non pas Prigogine lui-même.

Aussi, j’observe qu’il y a quand même un rapport entre thermodynamique très loin de l’équilibre et phénomènes d’auto-organisation de la matière.

Dans son livre "Energy flow in biology: biological organization as a problem in thermal physics" (publié en 1968), le biophysicien états-unien Harold Morowitz (1927-2016) a expliqué que, dans un système dissipatif, à tout flux ouvert d’énergie correspond au moins un cycle de matière ("in steady state systems, the flow of energy through the system from a source to a sink will lead to at least one cycle in the system").

Certains auteurs appellent encore ça la "Loi de Morowitz" (voir par exemple Lefèvre, 2018, en page 7) et d’après un article Wikipédia en anglais, Eric D. Schneider la considère comme la meilleure candidate au titre de quatrième loi de la thermodynamique.

C’est dans ce livre que l’on trouve aussi la célèbre assertion de Morowitz : "the flow of energy through a system acts to organize that system" ("le flux d’énergie traversant un système permet d’organiser ce système"), qui est la thèse principale que le livre tout entier tente de démontrer.

Comme je l’ai mentionné dans d’autres discussions sur le forum (par exemple, ici), depuis plus de 20 ans, Tom Misteli (lire par exemple cette publication) et beaucoup d’autres chercheurs avec lui, ont étudié le fonctionnement détaillé et en temps réel de certains organites cellulaires chez les eucaryotes (plus grands et donc plus faciles à étudier in vivo) et parlent également en terme de flux d’énergie et de matière et d’auto-organisation (qu’ils favorisent comme explication par rapport à l’autre hypothèse, que Misteli appelle "auto-assemblage").

Cordialement.
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[sunyata]

"the flow of energy through a system acts to organize that system" ("le flux d’énergie traversant un système permet d’organiser ce système"), qui est la thèse principale que le livre tout entier tente de démontrer.

On pourrait même ajouter : Le flux d'énergie traversant un système permet d'organiser ce système dans une configuration qui maximise la production d'entropie et qui
évolue en facilitant, en accélérant l'écoulement des flux qui la traversent.
Faut-il s'en étonner ? Je suppose que non puisque si la structure se forme, c'est à partir de l'énergie libre du système qui peut fournir par son auto-organisation ce travail d'accélération.

Dans un système ouvert, une structure dissipative est la part d'énergie libre du système qui travaille à maximiser la dissipation d'énergie. La structure qui apparaît nous transmet par sa forme organisée une information qui est sa signature.

[sunyata]

L’énergie libre du système est l’énergie qui peut être utilisée pour effectuer un travail. Le travail d’accélération de la dissipation d’énergie est le travail qui permet au système de se maintenir loin de l’équilibre thermodynamique. Ce travail est réalisé par les flux de matière ou d’énergie qui traversent le système et qui créent des gradients de température, de pression ou de concentration. Ces gradients sont à l’origine des forces qui génèrent les mouvements ordonnés du système, comme les tourbillons ou les cyclones. Ces mouvements augmentent la surface d’échange entre le système et son environnement, et donc la production d’entropie externe. Ainsi, la structure dissipative est une forme d’organisation qui optimise le transfert d’énergie entre le système et son environnement.

[Archi3]

L’énergie libre du système est l’énergie qui peut être utilisée pour effectuer un travail. Le travail d’accélération de la dissipation d’énergie est le travail qui permet au système de se maintenir loin de l’équilibre thermodynamique.

bah non c'est le contraire, la dissipation d'énergie rapproche le système de l'équilibre thermodynamique, jusqu'à ce qu'il soit réalisé, ce qui fera que la structure disparaitra.

e travail est réalisé par les flux de matière ou d’énergie qui traversent le système et qui créent des gradients de température, de pression ou de concentration.

là aussi tu prends le problème à l'envers, les flux de matière ou d'énergie sont créés par les gradients, il ne les créent pas, au contraire ils tendent à les supprimer. Par exemple les cellules de Bénard ne créent pas de gradient, elles sont créés par le gradient de température, qui lui même est créé par l'apport d'énergie sous le fond de la couche de fluide. Mais elles tendent à le supprimer en homogénéisant la température.

[sunyata]

bah non c'est le contraire, la dissipation d'énergie rapproche le système de l'équilibre thermodynamique, jusqu'à ce qu'il soit réalisé, ce qui fera que la structure disparaitra.

Je suis d'accord mais les gradients permettent la libération d'une énergie structurée, l'énergie libre, qui va rétroagir avec les contraintes de l'environnement pour former la structure dissipative. La différence de potentiel le gradient, permet d'effectuer un travail. Pour les cellules de Bénard, la création d'ordre va se traduire par des corrélations longues distance qui vont rétroagir avec l'environnement.

là aussi tu prends le problème à l'envers, les flux de matière ou d'énergie sont créés par les gradients, il ne les créent pas, au contraire ils tendent à les supprimer. Par exemple les cellules de Bénard ne créent pas de gradient, elles sont créés par le gradient de température, qui lui même est créé par l'apport d'énergie sous le fond de la couche de fluide. Mais elles tendent à le supprimer en homogénéisant la température.

Oui je suis d'accord, ce sont bien les gradients qui génèrent les forces, qui vont travailler à faire émerger la structure.

[sunyata]

Je ne sais pas si cette analogie vous parle mais on pourrait comparer une structure dissipative, à une entreprise qui réinvesti une partie de ses bénéfices dans de nouvelles machines pour être plus performantes. Du coup l'entreprise pourra transformer d'avantage de flux de matière et d'énergie pour augmenter ses parts de marché, et le taux de production d'entropie par la même occasion...
En même temps l'entreprise acquière d'avantage d'expérience et d'information qui lui permettent de se structurer au mieux pour produire d'avantage. Elle diminue son entropies interne, pour accélérer sa production d'entropie externe.

[ArchoZaure]

Je ne sais pas si cette analogie vous parle mais on pourrait comparer une structure dissipative, à une entreprise qui réinvesti une partie de ses bénéfices dans de nouvelles machines pour être plus performantes. Du coup l'entreprise pourra transformer d'avantage de flux de matière et d'énergie pour augmenter ses parts de marché, et le taux de production d'entropie par la même occasion...

Donc sa production devient explosive ?

[oualos]

Du coup l'entreprise pourra transformer d'avantage de flux de matière et d'énergie pour augmenter ses parts de marché, et le taux de production d'entropie par la même occasion...

J'ai déjà le nom: ce pourrait être "the big Bang Enterprise"

[yvon l]

Bonjour,
Faudrait pas oublier la boucle informationnelle qui s'établit entre le système et l'environnement et qui pilote les flux

[sunyata]

Donc sa production devient explosive ?

Les rétroactions positives alimentent des dynamique exponentielles. Ce que les économistes appellent la croissance.

Ca dépend des gradients (leur maintient ou non), de la concurrence. Une fois le marché saturé, les ventes stagnent. On résout le problème en stimulant le marché, et avec des mécanismes comme l'obsolescence programmée. Ca marche très bien pour les ampoules électriques. Où par l'innovation pour créer de nouveaux besoins (source froide). Mais si l'énergie et les matières premières (source chaude) viennent à manquer....

[sunyata]

Bonjour,
Faudrait pas oublier la boucle informationnelle qui s'établit entre le système et l'environnement et qui pilote les flux

Oui ce qu'on appelle les rétroactions : Pour l'entreprise c'est investir en fonction de sa connaissance acquise du marché et de la concurrence.

[oualos]

Ça dépend des gradients (leur maintient ou non), de la concurrence. Une fois le marché saturé, les ventes stagnent. On résout le problème en stimulant le marché, et avec des mécanismes comme l'obsolescence programmée. Ca marche très bien pour les ampoules électriques.

On a retrouvé aux USA une lettre écrite par un chef d'entreprise américain en 1920 disant qu'il fallait ralentir la durée de vie des ampoules si on voulait en vendre davantage sur le marché.
Et donc tous les fabricants d'ampoules à filament se sont mis d'accord pour une obsolescence programmée.

[oualos]

Je ne vois pas l'intérêt de parler des structures dissipatives de Prigogine pour ce qui concerne l'économie et l'entrepreunariat: les entreprises sont déjà complètement organisées donc très loin du désordre, possèdent une énergie interne forte et une entropie plus faible que l'extérieur. Elles tendent en majorité à renforcer cette entropie externe mais pas obligatoirement si c'est pour construire des véhicules non polluants par exemple ou des éoliennes.
L'idée de Prigogine s'applique au désordre rencontré fréquemment dans la Nature: comprendre comment et pourquoi l'ordre peut naitre du désordre à l'aide de micro-fluctuations et ce dans plein de domaines différents.
Quant à l'économie, on sait depuis longtemps ce qu'il en est: pas besoin de structures dissipatives là non plus pour expliquer comment fonctionne le système économique je pense...
À part les entreprises de recyclage d'ordures, de plastique de papier d'emballage de cartons etc. ou de purification de l'air, toute entreprise industrielle augmentera nécessairement l'entropie externe in fine.
si ce sont des entreprises à but écologique comme celles que je viens de citer, le bilan pourra faire que l'entropie externe augmentera moins que d'autres quantitativement
ou moins vite en tout cas

[JPL]

Cette discussion est un ramassis de n’importe quoi où l’on passe de la température de l’univers à l’entropie, aux fourmis et aux termites, aux structures dissipatives, aux entreprises…

Il ne faut pas oublier que les structures dissipatives, quel que soit leur intérêt, ne constituent qu’une toute petite partie de ce que recouvre le deuxième principe et qu’on a eu tendance, surtout dans des discussions de non spécialistes, à lui fait dire bien plus que raisonnable.

Ou bien cette discussion se recadre d’elle-même ou bien sa fin sera proche.

[sunyata]

C'est aussi que le champ d'application des structures dissipatives est immenses, il n'y a donc pas lieu de s'étonner de le diversité des champs d'application et cela d'autant plus que les structures dissipatives font le lien entre l'énergie et l'information.

Même si cela commence à dater : On peut citer les travaux d'Henry Laborit sur ce sujet :

Henry Laborit était un médecin, chirurgien et neurobiologiste français, connu pour ses travaux sur les effets du stress et de l'anxiété sur l'organisme. Dans ses recherches, Laborit a étudié les systèmes complexes et les structures dissipatives, qui sont des modèles mathématiques de l'auto-organisation dans les systèmes physiques et biologiques.
Dans son livre "La Nouvelle Grille", Laborit applique ces concepts de systèmes dissipatifs à la société humaine. Il soutient que les structures sociales sont des systèmes dissipatifs, qui sont constamment en train de se réorganiser pour atteindre un état d'équilibre dynamique.
Selon Laborit, les structures sociales se réorganisent en réponse aux pressions internes et externes, de la même manière que les systèmes dissipatifs physiques et biologiques. Les individus, en tant qu'acteurs sociaux, jouent un rôle clé dans la création et la transformation des structures sociales.
Laborit a également souligné que les comportements individuels sont souvent influencés par les normes sociales et les attentes de la société. Les comportements qui sont conformes à ces normes sont renforcés, tandis que les comportements qui ne le sont pas sont punis.
En utilisant les concepts de systèmes dissipatifs pour comprendre les structures sociales, Laborit a mis en évidence l'importance de l'auto-organisation dans les systèmes sociaux. Il a également souligné la nécessité d'une approche holistique pour comprendre les comportements humains et les structures sociales.

[JPL]

Est-ce qu’on pourrait rester dans le domaine de la physique, parce que là on parle d’extrapolations qui sont des thèses personnelles, avec tout le respect que j’ai pour Laborit.

[oualos]

...qui sont des modèles mathématiques de l'auto-organisation dans les systèmes physiques et biologiques

quels sont les modèles proposés par les mathématiques ? Je suis à la pêche d'information particulièrement sur l'auto-organisation

[sunyata]

Est-ce qu’on pourrait rester dans le domaine de la physique, parce que là on parle d’extrapolations qui sont des thèses personnelles, avec tout le respect que j’ai pour Laborit.

Est-ce qu'on sort du domaine de la physique lorsqu'on écrit que l'énergie est la capacité à causer des changements dans le monde, qu'elle est stockée dans la matière ou dans les champs de forces. La conversion de l'énergie produit un travail qui pilote les processus de la vie, et la production de biens et de services ?

Il y a donc des aspects thermodynamiques à l'économie par exemple, et ce seul aspect thermodynamique de l'économie, ne sort pas de la physique, même si les aspects de ce domaine sont plus difficilement quantifiables.

Je pense que notre entêtement à maintenir la thermodynamique dans une physique restreinte à certains objets très spécifiques pourraient nous mener à l'abîme.

Ne pas comprendre les implications de notre modèle d'utilisation de l'énergie, comment on la gaspille dans une fuite en avant, ressort du suicide collectif, comme un troupeau de lemmings qui se précipiteraient du haut de la falaise de Sénèque.

[sunyata]

En mots : Densité de production d'entropie positive au point spatio-temporel (r,t )consiste
de la densité de courant thermique jQ, entraînée par le gradient de température T , et
densités de courant de diffusion jk, entraînées par des gradients de potentiels chimiques mu.k divisés
par T et par des forces externes spécifiques fk. Ainsi, (4.1) décrit la production d'entropie
dans les éléments de volume macroscopiquement petits et microscopiquement grands de nombreux systèmes de non-équilibre à particules avec des flux de masse et d'énergie.
Les processus de production industrielle irréversibles génèrent des émissions de chaleur et
particules selon (4.1). Une fois que la chaleur émise a atteint la température
de l'environnement, c'est toute une anergie inutile. Alors, une partie de l'exergie contenue dans
l'énergie qui alimente le processus de production a été consommée.
De plus, les émissions de particules et de chaleur modifient la composition et les flux d'énergie
à travers la biosphère à laquelle les espèces vivantes et leurs populations se sont adaptées
au cours de l'évolution.
Si ces changements sont si importants qu'ils ne peuvent pas être équilibrés
par les processus biologiques et anorganiques qui sont entraînés par l'apport d'exergie de
le Soleil et le rayonnement de chaleur dans l'espace, et s'ils se produisent si rapidement que
des déficits d'adaptation biologique, sociale et technologique se développent, les émissions sont
perçue comme une pollution de l'environnement. (Reiner Kumel : Le seconde loi de l'économie)

[Archi3]

Si ces changements sont si importants qu'ils ne peuvent pas être équilibrés
par les processus biologiques et anorganiques qui sont entraînés par l'apport d'exergie de
le Soleil et le rayonnement de chaleur dans l'espace, et s'ils se produisent si rapidement que
des déficits d'adaptation biologique, sociale et technologique se développent, les émissions sont
perçue comme une pollution de l'environnement. (Reiner Kumel : Le seconde loi de l'économie)

c'est quoi ce galimatias ?

[JPL]

Est-ce qu'on sort du domaine de la physique lorsqu'on écrit que l'énergie est la capacité à causer des changements dans le monde, qu'elle est stockée dans la matière ou dans les champs de forces. La conversion de l'énergie produit un travail qui pilote les processus de la vie, et la production de biens et de services ?

Banalités qui n’apprennent rien à personne.

[sunyata]

Banalités qui n’apprennent rien à personne.

Cela montre que la thermodynamique hors équilibre est partout, qu'elle concerne toute les transformations du quotidien, tous le niveaux d'organisation. Pas que la physique de pointe dans les laboratoires, mais aussi dans les banalités du quotidien, y compris dans le panier de la ménagère dont le prix est en train de flamber pour des raisons profondément thermodynamiques.

[sunyata]

c'est quoi ce galimatias ?

L'exergie est la part de l'énergie capable de fournir un travail.
L'anergie l'énergie perdu sous forme d'augmentation d'entropie lors des transformation.
Energie = Exergie + Anergie.

De plus, les émissions de particules et de chaleur modifient la composition et les flux d'énergie
à travers la biosphère à laquelle les espèces vivantes et leurs populations se sont adaptées
au cours de l'évolution.
Si ces changements sont si importants qu'ils ne peuvent pas être équilibrés
par les processus biologiques et anorganiques qui sont entraînés par l'apport d'exergie de
le Soleil et le rayonnement de chaleur dans l'espace, et s'ils se produisent si rapidement que
des déficits d'adaptation biologique, sociale et technologique se développent, les émissions sont
perçue comme une pollution de l'environnement. (Reiner Kumel : Le seconde loi de l'économie)

Ca dit que la biosphère est une machine de Carnot mue par l'énergie solaire incidente, et que le travail qu'elle fournit permet entre autre, d'évacuer les déchets
que nous produisons par notre activité. Par exemple, les océans absorbent une grosse partie du CO2 produit par l'industrie. Les vents due aux processus de convection atmosphérique nous débarrassent des poussières fines, etc...
Mais cette capacité est limitée, et si nous augmentons encore notre taux de production de déchets, nous dépasserons les capacités de la planète à métaboliser la pollution, et nous seront contraints à vivre dans un cloaque.

Si j'en juge par le nombre de décès prématurés dus à la pollution atmosphérique, c'est bien ce qui se passe. L'acidification des océans est un autre drame silencieux qui finira aussi par poser problème.

[Archi3]

L'exergie est la part de l'énergie capable de fournir un travail.
L'anergie l'énergie perdu sous forme d'augmentation d'entropie lors des transformation.
Energie = Exergie + Anergie.

écrit comme ça c'est faux, si tu parles de l'exergie comme CAPABLE de fournir un travail, alors que l'anergie est la quantité d'énergie perdue VRAIMENT dans le milieu ambiant, les deux peuvent être égales car rien ne dit que le travail est vraiment produit : si tu fais exploser un dépôt d'essence par exemple, il avait plein d'exergie mais elle s'est toute transformée en anergie. La vraie équation de conservation est plus bêtement le premier principe énergie = travail+chaleur (en revanche si l'anergie est la quantité de chaleur MINIMALE rendue à la source froide, alors c'est correct)

Ca dit que la biosphère est une machine de Carnot mue par l'énergie solaire incidente, et que le travail qu'elle fournit permet entre autre, d'évacuer les déchets
que nous produisons par notre activité. Par exemple, les océans absorbent une grosse partie du CO2 produit par l'industrie. Les vents due aux processus de convection atmosphérique nous débarrassent des poussières fines, etc...
Mais cette capacité est limitée, et si nous augmentons encore notre taux de production de déchets, nous dépasserons les capacités de la planète à métaboliser la pollution, et nous seront contraints à vivre dans un cloaque.

Si j'en juge par le nombre de décès prématurés dus à la pollution atmosphérique, c'est bien ce qui se passe. L'acidification des océans est un autre drame silencieux qui finira aussi par poser problème.

[/I]

c'est un galimatias car ça mélange des notions physiques avec des notions humaines tout à fait subjectives (pollution, cloaque, etc ...) L'homme a profondément transformé son environnement bien avant la révolution industrielle, et un gentil agriculteur bio qui cultive sans pesticide impose aussi des changements au milieu naturel qu'il ne peut pas évacuer.

[sunyata]

Et si c'est le travail de la machine de Carnot terrestre qui évacue nos déchets (CO², Chaleur, poussières), on peut en déduire que l'implantation d'éoliennes
tous azimuts en vue de récupérer l'énergie libre atmosphérique, contribuera aussi au dérèglement climatique, et à l'aggravation de la pollution atmosphérique, parce que les produits de notre activité industrielle ne seront plus évacués de manière aussi efficace. (Ilots de chaleur, accumulation de poussières finies etc...) faute d'avoir quantifier la valeur du service de nettoyage gratuit de l'atmosphère rendu par la planète propre à nous rendre la vie supportable.

[Archi3]

"dérèglement" climatique, ce n'est pas une notion scientifique, c'est une notion subjective humaine, donc ne cherche pas à le traiter par des équations scientifiques.

[oualos]

Un nouveau paradigme apparaît chez Prigogine et Stengers, celui de chaos déterministe. Il vient remplacer le hasard et la nécessité utilisé par Jacques Monod et bien d'autres biologistes.
Notre culture occidentale est fondamentalement dualiste et c'est comme si elle cherchait toujours des oppositions dans ses descriptions: peut-être dans l'optique d'une réconciliation ?
Sous forme de dialectique en espérant une synthèse à la fin ? L'influence des Grecs probablement...
Il n'y a pas de plus bel oxymore que celui de chaos déterministe car quoi de plus antagoniste que le chaos et le déterminisme ?
Donc le problème du "pourquoi" reste entier et question de la force auto-organisationnelle présente partout dans l'Univers demeure.
d'autre part lorsque ils disent que la mécanique quantique est déterministe, ils se réfèrent à l'équation de Schrödinger.
Or ça me pose un problème car cette équation introduit la probabilité comme valeur fondamentale et centrale: et quoi de plus indéterministe qu'une probabilité selon moi ?
décidément ce monde est plein de contradictions que le langage ne sait pas résoudre.
Il reste la présence indéniable de structures dissipatives à tous les niveaux qui ne s'explique pour le moment que par la complexité.

[ArchoZaure]

Et si c'est le travail de la machine de Carnot terrestre qui évacue nos déchets (CO², Chaleur, poussières), on peut en déduire que l'implantation d'éoliennes
tous azimuts en vue de récupérer l'énergie libre atmosphérique, contribuera aussi au dérèglement climatique, et à l'aggravation de la pollution atmosphérique, parce que les produits de notre activité industrielle ne seront plus évacués de manière aussi efficace. (Ilots de chaleur, accumulation de poussières finies etc...) faute d'avoir quantifier la valeur du service de nettoyage gratuit de l'atmosphère rendu par la planète propre à nous rendre la vie supportable.

Non mais faut rester raisonnable avec les ordres de grandeur.
Comme par exemple de croire que les éoliennes vont changer notablement la circulation du vent (ne pas oublier que l'atmosphère s'élève sur des km) c'est une erreur d'ordre de grandeur (sinon que dire d'une forêt).

Et puis il faut faire attention, le réchauffement climatique n'est pas le résultat de la chaleur produite par les activités humaines mais lié à un delta de la concentration en CO2 de l'atmosphère.
CO2 qui est par ailleurs présent en quantité infinitésimale dans l'atmosphère.
On pourrait par exemple faire du tout nucléaire et à part le fait de réchauffer des rivières localement, et encore ça dépend du mode de refroidissement, ça n'aurait quasiment aucun impact sur la température moyenne sur Terre.

Il y a aussi une controverse avec le fait de mettre des panneaux photovoltaïques (qui réchauffe localement ) et le fait de laisser une couverture végétale (qui refroidi localement), mais là aussi on est loin des valeurs qui pourraient avoir un effet notable sur la température moyenne terrestre.

[Archi3]

c'est un hasard que le CO2 ait des bandes d'absorption dans la fenêtre d'émission thermique du sol, et des propriétés acides dans l'eau, il aurait très bien pu se faire qu'il n'en ait pas, donc ce n'est pas une conséquence de principes thermodynamiques profonds.

En revanche comme une croissance exponentielle infinie n'est pas possible, il y a forcément un phénomène limitant à un moment, mais difficile de savoir lequel à l'avance.

[sunyata]

L'homme a profondément transformé son environnement bien avant la révolution industrielle, et un gentil agriculteur bio qui cultive sans pesticide impose aussi des changements au milieu naturel qu'il ne peut pas évacuer.

Le gentil agriculteur bio, n'impacte pas son environnement à la même échelle. Le lait maternel de la société moderne globalisée est le pétrole. Mais le temps où on parlera à nouveau d'agriculteurs bio, reviendra peut-être plus vite qu'on ne le pense...

Concernant la pollution de l'air, le mot "cloaque" n'est pas de trop.

La concentration de PM2,5 recommandée par l'OMS est de 5 microgrammes/m3 sur l'année, 15 sur 24 heures. Ce matin à l'endroit où je me trouve je respire un air chargé à 66 microgrammes/m3. C'est un drame de la pollution incolore et inodore qui provoque une hausse significative de la mortalité.

la mortalité liée à la pollution de l’air ambiant reste un risque conséquent en France avec 40 000 décès attribuables chaque année aux particules fines (PM2,5).

Que dire des micro plastiques qu'on retrouve dans le lait maternel ? Ca ne concerne pas que les océans...