Thermodynamique du non-équilibre

[invite4049f466]

Bonjour à tous!
D'abord, je tiens à préciser que je ne suis absolument pas physicien. J'étudie en ce moment la notion de conscience dans le domaine de la psychologie. Hors, j'ai besoin d'éclaircissement de la part de physiciens concernant une théorie particulière de la conscience.
En effet, certains auteurs utilisent la notion de thermodynamique du non-équilibre pour modéliser la conscience. Malgré tous mes efforts, j'ai du mal à percuter.

Je cite:

Consider a system that is far from thermodynamic equilibrium. If such a system is to remain far from equilibrium, it must have appropriate interactions and exchanges with its environment; otherwise, it goes to equilibrium and ceases to exist.

Ce que je comprends ici c'est qu'un système qui n'entre pas en interaction avec l'environnement est obligé d'entrer en équilibre et de cesser d'exister? Peut-on m'expliquer avec des mots simples ce que représente cet équilibre? Cette histoire de symétrie?

A canonical example is a candle flame. A candle flame maintains above combustion thresold temperature; it induces convection, which brings in fresh oxygen and gets rid of waste; it melts wax so that it can climb the wick; it vaporizes wax in the wick so that it is available for combustion; and so on. Candle flames are self-maintenant, but their self-maintaining properties do not change, and are successfull only within a fixed range of environmental conditions.

Ce que je comprends ici, c'est qu'une flamme est dans un état de non équilibre (pourquoi dit-on qu'elle est en non-équilibre?). Et que cette flamme maintient elle-même son état, ce qui est possible uniquement dans certaines conditions environnementales (poussée d'archimède, oxygène). C'est ça?

If we douse the flame with liquid oxygen, for example, the heat loss is too great to be overcome by the production of heat from the combustion, and the flames goes out. Some systemes, however, can alter their self-maintaining process when conditions change so as to maintain their property of being self-maintenant: they are recursively self -maintenant

Ici je comprends que certains systèmes peuvent agir sur leur propre "auto-maintenance". est-il possible d'avoir un exemple de cette constatation? Car c'est finalement ici que vient la notion de conscience: un systeme qui est capable de se rendre compte qu'il est menacé et qui peut agir sur son état de non-équilibre.

Et plus généralement, avec des mots clairs pour mon niveau en physique (archi débutant), que peut-on dire de ces états d'équilibre et de non équilibre? Est-ce à dire que tout organisme vivant est dans un état de non-équilibre et que l'état d'équilibre est l'état de la matière inerte?
Merci pour votre précieuse aide.
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[invite88ef51f0]

Salut,

Ce que je comprends ici c'est qu'un système qui n'entre pas en interaction avec l'environnement est obligé d'entrer en équilibre et de cesser d'exister?

Oui. Un système sans interactions avec l'environnement ne peut que tendre vers son état de plus basse énergie. Par exemple, si tu enfermes un chat dans une boîte totalement hermétique et que tu reviens quelques mois plus tard, ton chat sera à l'équilibre thermodynamique...

Ce que je comprends ici, c'est qu'une flamme est dans un état de non équilibre (pourquoi dit-on qu'elle est en non-équilibre?).

Effectivement. L'état d'équilibre d'une bougie, c'est quand elle est éteinte. Pour être allumée, elle est obligée d'échanger en continu avec le milieu extérieur (de l'oxygène, de la chaleur, ...).

Et que cette flamme maintient elle-même son état, ce qui est possible uniquement dans certaines conditions environnementales (poussée d'archimède, oxygène). C'est ça?

Il existe une gamme de conditions extérieures dans laquelle la flamme peut se maintenir en état hors-équilibre (tant qu'elle échange avec l'extérieur). Ca demande une température pas trop faible, suffisamment d'oxygène, ...

Ici je comprends que certains systèmes peuvent agir sur leur propre "auto-maintenance". est-il possible d'avoir un exemple de cette constatation? Car c'est finalement ici que vient la notion de conscience: un systeme qui est capable de se rendre compte qu'il est menacé et qui peut agir sur son état de non-équilibre.

Même si l'état hors-équilibre n'est pas l'état le plus stable, il a quand même une certaine gamme de stabilité. Change la température de la boîte dans laquelle tu as mis ton chat de plusieurs degrés, et il s'adaptera. Change la de 200 degrés, et il sortira de son état hors-équilibre pour retourner à l'équilibre.
Pour prendre un exemple basique en dehors du domaine du vivant, prend une pièce avec un chauffage thermostaté. Elle est hors-équilibre, car la température est différente de la température extérieure (il faut donc un apport constant d'énergie électrique). Diminue la température de 10°. Le chauffage va alors se mettre à chauffer beaucoup plus que d'habitude, ce qui va permettre de maintenir la température. C'est ce qu'on appelle une rétroaction négative (le système agit à l'encontre des variations qu'on lui impose).

Est-ce à dire que tout organisme vivant est dans un état de non-équilibre et que l'état d'équilibre est l'état de la matière inerte?

Oui, exactement. La vie en tant que diminution de l'entropie locale est obligée de puiser continuellement de l'énergie à son environnement pour se maintenir dans son état.

[chaverondier]

Ce que je comprends ici c'est qu'un système qui n'entre pas en interaction avec l'environnement est obligé d'entrer en équilibre

C'est ça. D'après le second principe de la thermodynamique, un système "isolé" évolue spontanément vers son état d'équilibre caractérisé par une entropie maximale. Quand cet état d'équilibre est atteint, plus rien ne change (du moins du point de vue d'un observateur macroscopique).

Par exemple, si on laisse tomber une goutte d'encre dans un verre d'eau et qu'on le laisse évoluer, à la fin l'encre va se retrouver diluée dans tout le verre.

Pour se maintenir en dehors de son état d'équilibre (donc à un niveau d'entropie inférieur à celui de son état d'équilibre), un système doit évacuer l'entropie créée par son évolution naturelle vers son état d'équilibre. Pour cela, il faut qu'il interagisse "de façon organisée" avec son environnement.

Par exemple, si une couche de fluide est agitée par des rouleaux de convection, ces rouleaux de convection se maintiennent grâce aux échanges thermiques du fluide avec son environnement. On parle de structures dissipatives. Elles traduisent un état de non équilibre du système entretenu par évacuation, vers l'environnement avec lequel il interagit, de l'entropie créée par l'évolution naturelle du système.

Ce que je comprends ici, c'est qu'une flamme est dans un état de non équilibre (pourquoi dit-on qu'elle est en non-équilibre?).

Parce qu'une fois l'équilibre atteint, plus rien ne change (du point de vue de l'observateur macroscopique). Tant qu'il y a flamme, il y a combustion donc transformation chimique des comburants.

Ici je comprends que certains systèmes peuvent agir sur leur propre "auto-maintenance". Est-il possible d'avoir un exemple de cette constatation?

Dans le domaine des systèmes automatisés on trouve un comportement de ce genre. Certains systèmes sont capables de s'adapter à des changements pour continuer à assurer une fonction donnée. C'est l'exemple qui me vient à l'esprit, mais je suppose qu'il doit exister des systèmes naturels (et pas nécessairement vivants) qui ont aussi ce type de comportement.

Car c'est finalement ici que vient la notion de conscience: un système qui est capable de se rendre compte qu'il est menacé et qui peut agir sur son état de non-équilibre.

J'ai peur que ce soit très insuffisant pour caractériser la conscience. Des systèmes qui ne possèdent pas la moindre aptitude à se considérer comme objet d'étude (conscience de soi) et des aptitudes qui rappellent seulement de loin la capacité à traiter l'information que possède un cerveau ou une moelle épinière ont cependant l'aptitude à réagir à des modifications de leur environnement pour maintenir un état de non équilibre donné.

Un circuit d'alimentation en énergie hydraulique doté d'un accumulateur hydropneumatique est capable de maintenir une pression d'alimentation à peu près constante malgré des acoups sur le débit d'huile appelé par les récepteurs de cette puissance hydraulique. Un tel système me semble pouvoir être considéré comme un système capable de maintenir une situation de non équilibre et de réagir à des changements de son environnement d'une façon appropriée au maintien des caractéristiques de ce non équilibre.

Que peut-on dire de ces états d'équilibre et de non équilibre?

Un état d'équilibre est un état dans lequel un système n'évolue plus aux yeux d'une catégorie d'observateurs caractérisée par leur limitation d'accès à l'information sur l'état du système en question (il n'y a pas d'état d'équilibre objectif).

Est-ce à dire que tout organisme vivant est dans un état de non-équilibre

Oui

l'état d'équilibre est l'état de la matière inerte?

L'état de la matière inerte quand, en plus, son état n'évolue plus aux yeux d'une catégorie d'observateurs ne disposant que d'une information incomplète sur cette matière (information incomplète caractérisant ce que l'on appelle l'état macroscopique du système considéré. Le manque d'information sur l'état du système, à savoir l'écart entre connaissance de l'état macroscopique et connaissance de l'état microphysique du système est appelé entropie du système). Une rivière qui coule c'est de la matière inerte (si l'on oublie les organismes vivants qu'elle héberge) mais ce n'est pas de la matière en état d'équilibre global.

[invite4049f466]

Merci à vous deux pour la clarté de vos explications. J'essaie de digérer tout ça avant de demander d'éventuelles précisions.

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite7ce6aa19]

Bonjour à tous!
D'abord, je tiens à préciser que je ne suis absolument pas physicien. J'étudie en ce moment la notion de conscience dans le domaine de la psychologie. Hors, j'ai besoin d'éclaircissement de la part de physiciens concernant une théorie particulière de la conscience.

En effet, certains auteurs utilisent la notion de thermodynamique du non-équilibre pour modéliser la conscience. Malgré tous mes efforts, j'ai du mal à percuter.

Merci pour votre précieuse aide.[/QUOTE]

C'est vrai que l'on peut considerer la matière biologique comme un système thermodynamique hors d'équilibre thermodynamique. Mais.....
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L'extension de la thermodynamique d'équilibre à la thermodynamique loin de l'équilibre s'est avéré un échec (activité de Prigogine dans les années 1960-1970). La problématique a été "redirigée" vers la théorie des systèmes dynamiques non-linéaires.
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L'exemple "historique" est celui des rouleaux de Rayley-Bénard (une couche de fluide coincée entre 2 plaques horizontales à des températures différentes). Les cellules dissipatives "à la Prigogine" s'expliquent par une perte de stabilité en fonction de la différence de température appliquée.
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En résumé il n'y a rien a tirer de la thermodynamique pour expliquer la matière biologique et encore moins la conscience, aux métaphores prèt.

[chaverondier]

Un système sans interactions avec l'environnement ne peut que tendre vers son état de plus basse énergie.

Vers son état de plus forte entropie. Pour tendre vers son état de plus basse énergie, il faudrait au contraire que le système rayonne de l'énergie dans son environnement donc interagisse avec cet environnement par l'intermédiaire de ce rayonnement. BC