Rendement de Carnot, limite physique ou limite technologique ?

[chaverondier]

Les discussions bénéficieraient d'être relancées ailleurs.

OK. J'ai donc ouvert ce fil, pour discuter de l'idée de principe suivante : est-il envisageable (sans conflit avec un principe physique) de récupérer, dans une mémoire, au moins une partie de l'information normalement définitivement perdue (lors d’une tâche productive) par dégradation de l'énergie noble "consommée" en chaleur (dans un système "industriel" comprenant une partie "production" et une partie "consommation" d'énergie) ?

Le but visé, c’est de pouvoir ensuite transformer, lors de la tâche de "production" d'énergie, de la chaleur en travail en exploitant l'information supposée ainsi recyclée (et faire, de la sorte, mieux que le cycle de Carnot dans la partie "chaleur donne travail" de ce système complet de production/consommation d’énergie).

Il me semble qu'il y a deux questions : peut-on cacher indéfiniment de l'information au niveau quantique ?

Non (me semble-t-il) en raison des propriétés informationnelles des systèmes quantiques, mais cela ne me semble pas nécessaire pour l’idée envisagée.

Peut-on éviter de perdre de l'information dans un système macroscopique ?

Probablement pas, mais cela ne me semble pas nécessaire non plus pour faire mieux que le rendement du cycle de Carnot dans la partie thermomachine motrice du triplet
1/ thermomachine motrice (consommatrice d'information provenant de la mémoire d'un démon de Maxwell)
2/ mémoire du démon de Maxwell (servant à recycler l’information normalement perdue pendant la tâche productive par dégradation du travail fourni en chaleur)
3/ machine réceptrice ("productrice" d'une information enregistrée dans la mémoire du démon de Maxwell, au détriment de la "qualité informationnelle" de l'énergie "consommée" par la tâche productive car dégradée en chaleur lors de cette tâche).

Dans le principe envisagé, la phase de "production d’énergie" aussi bien que la tâche productive "consommant" l'énergie produite seraient alors (presque) isentropiques quand on considère le bilan entropique du système formé
* de la thermomachine motrice,
* de la machine réceptrice-appareil de mesure,
* de la mémoire du démon
* de l’environnement

Le résultat attendu n'est donc pas un mouvement perpétuel, mais "seulement" un cycle production/consommation d'énergie dans lequel la transformation de chaleur en travail dans la phase de "production" d’énergie s'effectuerait selon un cycle "presque monotherme", cad avec un rendement thermique supérieur au rendement du cycle de Carnot.

Du côté thermomachine motrice, le principe est simplement celui du démon de Maxwell, cad l'utilisation de l'information sur l'état du système environnant le démon pour transformer la chaleur extraite du milieu environnant le démon en travail.

Le point délicat se trouve plutôt du côté machine réceptrice. En effet, on a besoin d'imaginer un moyen de faire le contraire de ce que fait le démon côté thermomachine motrice. On doit, cette fois-ci, s'efforcer de récupérer dans la mémoire du démon (au moins partiellement en tout cas si on veut surperformer le rendement de Carnot dans la partie "production" d'énergie) l'information normalement perdue pendant la tâche productive (par transformation du travail en chaleur durant cette tâche). BC
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[invitefa5fd80c]

Aucune idée de la réponse pour l'instant. Mais la question est intéressante, alors un p'tit up

[invite5e5dd00d]

C'est pas évident évident à comprendre, soyons honnêtes^^

[chaverondier]

Aucune idée de la réponse pour l'instant.

En fait, je ne crois pas que l'idée proposée rentre en conflit avec un principe physique. Si on regarde bien, l'ensemble du cycle monotherme (ou presque) de production/consommation d'énergie proposé

* ne produit aucun travail. "L'énergie noble" produite lors de la tâche de "production d'énergie", transformant de la chaleur + de l'information en travail, est consommée lors de la tâche productive.

* ne dégage aucune chaleur. La chaleur dégagée lors de la tâche productive est recyclée lors de la tâche de "production d'énergie".

* ne gaspille aucune information. En effet, pendant la phase de production d'énergie, l'information issue de la mémoire du démon, "assemblée" avec de la chaleur par le démon et la thermomachine pour en faire de l'énergie noble, est recyclée dans la mémoire du démon quand la tâche productive dégrade le travail qui lui est fourni en chaleur (c'est à dire sépare la chaleur et l'information qui avait été préalablement assemblées en travail par le démon).

* est isentropique dans chacune de ces deux tâches quand on considère l'ensemble de toutes les parties du "système industriel" considéré (démon de Maxwell et sa mémoire inclus) (1).

.................... <------ W -------| ...........................
.nanomachine ; |------ Q ------> ; ....nanothermo......;
...réceptrice.. ; ................... ; ...machine motrice..;
...................; |--information--> ;............................;

La question me semble donc de nature plus "pratique" que théorique. Peut-être est-ce finalement une question d'ingénieur et non une question de physique (2) ?

Est-il réellement possible de réaliser une tâche productive (c'est à dire dédiée à un but de production d'un bien ou d'un service) en exploitant de "l'énergie noble", mais sous la contrainte de pouvoir récupérer (au moins partiellement (3)) l'information normalement définitivement perdue par dégradation de l'énergie noble fournie en chaleur ?

Plus précisément, les développements à venir en nanotechnologie sont-ils susceptibles, à terme, d'apporter une réponse positive à cette question ?

(1) dans un fonctionnement idéal bien sûr, mais s'il n'est pas idéal, ça ne remet pas l'idée générale en cause,

1/ Lors de la tâche productive, récupérer séparément :
* dans la thermomachine motrice : la chaleur dégagée
* dans la mémoire du démon : l'information

lors de la tâche productive dégradant en chaleur l'énergie noble ("créée" par la tâche de production d'énergie)

2/ Lors de la tâche de production d'énergie : produire de l'énergie noble en "réunissant à nouveau" la chaleur et l'information (dégagées séparément pendant la tâche productive) à la manière dont sait le faire le démon de Maxwell.

(2) Mais c'est tellement délicat, que ça me semble quand même à vérifier.

(3) Tant dans un but d'efficacité économique que de protection de l'environnement.

[A voir en vidéo sur Futura]

[chaverondier]

Le résultat attendu n'est donc pas un mouvement perpétuel, mais "seulement" un cycle production/consommation d'énergie dans lequel la transformation de chaleur en travail dans la phase de "production" d’énergie s'effectuerait selon un cycle "presque monotherme", cad avec un rendement thermique supérieur au rendement du cycle de Carnot.

Voilà une référence qui me semble apporter une réponse à la question (une réponse que je soupçonnais).

Quantum thermodynamics: thermodynamics at the nanoscale (5 pages)
Authors: A.E. Allahverdyan, R. Balian, Th.M. Nieuwenhuizen
Le résumé :

A short introduction on quantum thermodynamics is given and three new topics are discussed: 1) Maximal work extraction from a finite quantum system. The thermodynamic prediction fails and a new, general result is derived, the "ergotropy''. 2) In work extraction from two-temperature setups, the presence of correlations can push the effective efficiency beyond the Carnot bound. 3) In the presence of level crossing, non-slow changes may be more optimal than slow ones.

http://arxiv.org/abs/cond-mat/0402387

Très intéressant aussi l'article ci-dessous, toujours de Roger BALIAN, pour mieux comprendre les liens entre fuite d'information et écoulement irréversible du temps :

Information in statistical physics (32 pages)

Un petit extrait du résumé:

For non-equilibrium problems, the increase of the relevant entropy expresses an irretrievable loss of information from the relevant variables towards the irrelevant ones. Two examples illustrate the flexibility of the choice of relevant variables and the multiplicity of the associated entropies: the thermodynamic entropy (satisfying the Clausius-Duhem inequality) and the Boltzmann entropy (satisfying the H-theorem). The identification of entropy with missing information is also supported by the paradox of Maxwell's demon. Spin-echo experiments show that irreversibility itself is not an absolute concept: use of hidden information may overcome the arrow of time.

http://arxiv.org/abs/cond-mat/0501322

PS : merci à GATSU. C'est une mine d'or extraordinaire ce Roger BALIAN (avec J.M. Raimond et la thèse d'A.Auffèves Garnier du LKB, M. Arminjon et C. Rovelli) pour les sujets suivants: la mesure quantique, la non localité quantique, l'écoulement irréversible du temps et le principe de causalité.