Entropie créée

[fichter]

Bonjour,
J'étudiais les moteurs thermiques, et je me posais une question sur l'entropie dont j'ai pas trouvé la formulation exacte.
Donc voilà, sachant selon le 1er principe ΔU=W+Q=0 pour un système fermé, et qu'ainsi :W=-Q
mais que si W→Q se fait à 100%, je crois que c'est le fait que Q→W ne se fasse jamais à 100% qui a amené à formuler le 2nd principe de la thermodynamique.
Et donc ma question c'est, dans ce 2nd principe est ce qu'au final le second terme de l'entropie qu'est l'entropie créée représente entièrement cette énergie perdue lors de la conversion Q→W?
et donc que le 1er terme d'entropie échangée représente l'énergie de la Chaleur qui a été transformée en Travail
(j'ai cherché pas mal sur le net et j'ai pas pu trouver ce lien explicitement)
-----

[petitmousse49]

Bonjour

Prenons le cas simple d'un système fermé décrivant un cycle ditherme en recevant d'une source chaude de température Tc une quantité de chaleur Qc (Qc >0). Le système fournit du travail (W<0) et perd la quantité de chaleur Qf (Qf <0) à une source froide de température Tf.

Selon le premier principe : W+Qc+Qf=0 ; |W|=Qc - |Qf|

L'énergie thermique non convertie en énergie mécanique est l'énergie thermique cédée à la source froide |Qf|. Le second principe de la thermo appliqué au cycle conduit à :

où Sc est l'entropie (strictement positive) créée par irréversibilité.

L'entropie n'a pas la dimension physique d'une énergie ; on ne peut donc pas écrire que l'entropie créée corresponde à l'énergie perdue. En revanche, l'énergie peut être considérée comme le produit d'une température absolue par une entropie mais il n'y a pas de relation simple ici entre Qf et Sc...

[fichter]

D'accord, merci ça répond bien à ma question.
Donc dans un cycle de Carnot, l'énergie perdue par le système est récupérée par le milieu extérieur. Et en plus étant un cycle théorique Scréé=0, donc on peut pas dire plus ou moins comme je croyais que :Energie perdue=Scréé x t°

Mais alors cette part de chaleur qui ne peut pas être convertie en travail dans le cas d'une transformation irréversible, on la retrouve dans quelle grandeur ?

[fichter]

en supposant que Q→W à 100% dans le cas d'une transfo réversible, et pas à 100% si elle est irréversible, ce dont je ne suis même pas sûr...

Je crois que c'est sur une video de Thierry Collet sur youtube de thermo (que je ne retrouve pas car il en a fait des tonnes) où en comprimant brusquement un gaz avec un piston, ce dernier ne remonte pas à sa hauteur initiale. Je pense que c'est clairement ça cette énergie perdue durant la conversion.
Ah va falloir que je la recherche.

[A voir en vidéo sur Futura]

[petitmousse49]

Mais alors cette part de chaleur qui ne peut pas être convertie en travail dans le cas d'une transformation irréversible, on la retrouve dans quelle grandeur ?

La quantité |Qf| perdue est récupérée sous forme d'énergie thermique par la source froide : souvent l'eau d'une rivière ou l'air extérieur tout simplement qui ainsi s'échauffe.
Une précision à propos de l'irréversibilité. L'irréversibilité diminue le rendement du cycle mais attention : un cycle décrit réversiblement (cas limite évidemment impossible à obtenir pratiquement) n'aurait pas un rendement de 100%. Cela est lié au caractère désordonnée de l'énergie thermique. Je prends l'exemple simple du cycle ditherme correspondant à une centrale thermique. Pour obtenir du travail utile dans la turbine, il faut faire circuler dans celle-ci de la vapeur d'eau ayant une forte pression en entrée et une faible pression en sortie. Cela n'est possible qu'en plaçant une source chaude en entrée de la turbine et une source froide en sortie de la turbine. Autrement dit, même dans le cas limite d'un fonctionnement réversible, il est impossible de convertir intégralement de l'énergie thermique en énergie mécanique.
Pour la vidéo que tu évoques : l’existence de frottements mécaniques peut expliquer le phénomène. Un piston à la fois étanche lorsqu'il est au repos par rapport au cylindre et mobile sans frottement, cela n'existe pas !

[fichter]

je vois.
Ok merci.

[fichter]

je crois que je viens de comprendre le truc en comparant avec un moteur à source monotherme.
Déjà effectivement je faisais l'amalgame entre le fait qu'on puisse pas retrouver toute l'énergie de chaleur sous forme et travail (alors que l'inverse est possible: radiateur électrique), et la quantité d'entropie créée en irréversible.

Mais en fait si on a un moteur à une seule source de chaleur, comme le moteur est cyclique il faut ΔU=0 et ΔS=0:
2nd principe: ΔS=0 or ΔS≥Q/T ==> Q<0 , et 1er principe: ΔU=0 donc W=-Q >0
Donc un système monotherme ne peut que recevoir du travail et pas être un moteur.

Donc pour avoir un moteur avec W<0, avec 2 sources de chaleur: -W=Qc+Qf donc Qc+QF>0
et comme 0=ΔS≥Qc/Tc+QF/TF il faut Qc/Tc≤ -QF/TF donc Qc et QF sont de signe opposé :
==> le rendement =η=-W/Qc soit η=-(Qc+QF)/Qc <1 car Qc et QF sont de signe opposés
Donc pour produire un travail (W<0) il faut:
- recevoir de la chaleur de la Source chaude puisque Qc>0, et en donner à la source Froide puisque QF<0.
- mais aussi recevoir plus de la source chaude que ce qu'on cède à la source Froide: Qc+QF>0


==> Donc ça explique bien que, alors que la conversion Q→W est totale, la conversion W→Q ne l'est pas car il faut obligatoirement perdre l'énergie QF à l'extérieur pour produire du travail, indépendamment de l'entropie créée.
Donc oui, effectivement : l'énergie perdue ≠ entropie créée

Maintenant d'où provient cette nécessité de perdre une partie de l'énergie thermique reçue pour produire du travail, sachant que c'est pas liée à la notion d'entropie créée.....
et bien, je vais peut-être dire une bêtise, mais ça m'évoque l'énergie cinétique qu'on gagne en chutant d'un pt B plus haut qu'un pt A plus bas...
mais ça non plus je l'ai pas vu dit littéralement sur le net. Si quelqu'un peut me le confirmer.

[fichter]

En fait j'ai l'impression que ce n'est pas à proprement parler la création d'entropie qui impose qu'on ait 2 sources différentes de chaleur pour créer du travail (la création d'entropie ou on n'est plus dans le cas idéal de Carnot, ne fait que baisser quantitativement le rendement), mais plutôt la notion d'irréversibilité spontanée propre aux énergies thermiques qui oblige à passer par 2 sources de chaleur différentes, si je ne me trompe..

[petitmousse49]

Bonjour
Je crois que tu as compris l'essentiel.
La nécessité d'utiliser au moins deux sources de températures différentes n'est pas lié à l'irreversibilite du cycle mais au caractère désordonné de l'énergie thermique. J'ai déjà évoqué cela dans un message précédent.

[fichter]

oui, effectivement. Bon bien cette fois je crois que j'ai définitivement pigé ce mystère entourant l'énergie thermique.

Merci, pour vos réponse.

[yvon l]

Ceci peut aider: voir intervention #46
https://forums.futura-sciences.com/p...matique-2.html

[fichter]

oui, je vois que je suis pas le seul à me poser des questions, car autant le 1er principe de la conservation de l'énergie est intuitivement facile à comprendre: pour avoir un moteur (W<0) il est nécessaire que globalement le système reçoive de l'énergie (Q>0)

Pour ce qui est de la nécessité d'avoir 2 sources de chaleur différente (due au 2nd principe) ça l'est légèrement moins. Et en fait, après avoir reçue de l'énergie (Q>0), pour respecter ce 2nd principe à savoir garder le désordre du système constant, il faut que le système se refroidisse et donc baisse son entropie en donnant sa chaleur à une source plus froide (puisque la chaleur ne peut aller que vers du plus froid).
Ca signifie juste qu'à la base la Chaleur est source de désordre, et donc que si le système est cyclique il doit retrouver une même valeur de chaleur proportionnellement à sa t°.

Et c'est peut-être ça finalement la nécessité de garder une valeur d'entropie constante pour le système moteur en se refroidissant par l'évacuation de sa chaleur à une source froide, puisque s'il ne le faisait pas il se réchaufferait, et de là la chaleur reçue de la Source chaude serait moins efficace énergétiquement..

Bon d'un autre côté si le système parvenait à convertir toute la chaleur qu'il reçoit de la Source chaude en travail cédé, ça le refroidirait naturellement sans besoin de se refroidir dans une source froide....

Pour ce qui est de la question de Blackfire: pourquoi l'entropie ne peut elle qu'augmenter: si on interprète la formule Q/T1+Q/T2≥0 c'est juste parce qu'une même quantité de chaleur cédée d'un système chaud à un système plus froid a plus d'effet (en rapport Q/T) sur le système froid (en signe opposée) que sur le système chaud. Autrement dit le système froid qui se réchauffe gagne plus de désordre que le système chaud n'en perd en se refroidissant en cédant sa chaleur. Donc globalement pour le système1+système2 il y a gain de désordre.
Et même si pour le système 1 (moteur thermique) qui cède sa chaleur ça change strictement rien, pour l'extérieur j'imagine que c'est ça la cause du réchauffement climatique.

[yvon l]

(...)
Bon d'un autre côté si le système parvenait à convertir toute la chaleur qu'il reçoit de la Source chaude en travail cédé, ça le refroidirait naturellement sans besoin de se refroidir dans une source froide.... (...)

Ce qui est impossible , car cela voudrait dire que le système complet verrait son entropie totale diminuer (par l’énergie mécanique extraite), en violation avec la 2e loi.
(Refroidir vers quoi...si non vers ...une source froide)
Petite remarque: ceci a été découvert par Carnot, alors que le premier principe n’était pas encore connu.

(...)
Et même si pour le système 1 (moteur thermique) qui cède sa chaleur ça change strictement rien, pour l'extérieur j'imagine que c'est ça la cause du réchauffement climatique.

Rien à voir avec le réchauffement climatique. Par contre faut pouvoir refroidir côté source froide du moteur (évacuer l’énergie thermique).

[fichter]

- effectivement..... il y bien l'égalité Chaleur reçue = Travail fournie, mais l'entropie ne voyant que la chaleur et pas le travail, la 2nde loi qui ne concerne que la chaleur ne serait pas satisfaite.
- pour le fait que le système cède sa chaleur à extérieur, je voulais dire pour le système c'est l'essentiel, après le fait que l'extérieur se réchauffe plus vite que lui se refroidit ça change rien au fonctionnement du syst moteur lui-même. Sinon vous avez raison, même si c'est plus ou moins l'activité de production d'énergie qui, au final a un effet sur la couche d'ozone, je pense que c'est plus le dégagement chimique de CO2 que la production de chaleur elle-même vers l'extérieur qui cause le réchauffement climatique.

[fichter]

Je crois que là je viens de mettre le doigt sur la philosophie du truc qui est à l'origine mon questionnement: à savoir que l'énergie thermique a ceci de particulier que sa réalité matérielle de désordre a une part inatteignable par le travail mécanique, et donc qu'elle doit régler "ce prbme d'équilibre en interne" sur une 2nde source de chaleur.

[fichter]

oui c'est exactement ça, je ne crois pas me tromper en disant que l'énergie thermique a ceci d'unique qu'elle se situe au niveau même de la matière, et en cela est capable de la modifier d'où la notion d'entropie et d'irréversibilité. Et qu'en plus cela ne la rend pas totalement équivalente niveau transfert à l'énergie mécanique.
Et donc, qu'elle doit bel et bien gérer son bilan de désordre/entropie du 2nd principe par elle-même et donc au niveau thermique sans compter sur une conversion totale avec l'énergie mécanique, d'où la présence d'une seconde source de chaleur.

Bon et bien cette fois là pour moi totalement clair.

(à la base j'avais juste acheté une machine à vapeur Wilesco D18, au final j'ai appris pas mal de choses )

[yvon l]

(...)
- pour le fait que le système cède sa chaleur à extérieur, je voulais dire pour le système c'est l'essentiel, après le fait que l'extérieur se réchauffe plus vite que lui se refroidit ça change rien au fonctionnement du syst moteur lui-même.

Quand on voit l’importance des systèmes de refroidissement d’une centrale thermique pour maintenir autant ce peu la température de la source froide proche de la température de l’air du temps (le plus bas possible)…

(...)
- effectivement..... il y bien l'égalité Chaleur reçue = Travail fournie, mais l'entropie ne voyant que la chaleur et pas le travail, la 2nde loi qui ne concerne que la chaleur ne serait pas satisfaite.

Explication avec les doigts…
La température correspond microscopiquement à l’énergie cinétique due à la vitesse des molécules de gaz La moyenne de la somme vectorielle de ces vitesses est nulle
Quand le gaz chaud se détend dans le cylindre, l’énergie thermique contenue dans le mouvement individuel de chaque molécule provoque pour une partie de cette énergie une composante vitesse non nulle qui correspond macroscopiquement au déplacement du piston. Une partie de l’énergie thermique (celle qui microscopiquement va dans tous les sens) est convertie en énergie coordonnée grâce à la nature du déplacement global. L’énergie mécanique (coordonnée) prise à l’énergie thermique (désordonnée) dépend du volume et de la force développée lors de la détende. Pendant la détente la température qui est la mesure de la vitesse des molécules de gaz diminue donc . C’est cette énergie à cette nouvelle température qu’il faut évacuer (par conduction, convection, rayonnement, évaporation…). Si on peut relâcher le gaz à sa nouvelle température (après détende) dans un milieu qui a déjà cette température (source froide), le mélange final ne modifie pas l’entropie du gaz .
Ceci est différent si on mélange 2 gaz à des températures différentes. Ici l’entropie augmente

[fichter]

Effectivement ça rapproche de la réalité de voir ce qu'il se passe dans une machine concrète, mais ça confirme ce que je pensais, c'est effectivement parce que l'énergie thermique est de moins bonne qualité et désordonnée que le travail du piston fourni à l'extérieur suffit pas à prendre à 100% l'énergie thermique que lui a fournie la source chaude, et c'est donc bien au niveau thermique qu'il faut une 2nde source de chaleur pour évacuer l'énergie restante du système et donc la perdre dans la source froide extérieure.
Quoique toujours concrètement, je crois qu'il y a l'astuce de récupérer l'énergie d'eau de la source froide pour contribuer à chauffer la source chaude, et donc payer moins en aval. Je crois que c'est le principe de la chaudière à condensation, et doit il y avoir l'équivalent pour les locomotives.

[yvon l]

(...)
Quoique toujours concrètement, je crois qu'il y a l'astuce de récupérer l'énergie d'eau de la source froide pour contribuer à chauffer la source chaude, et donc payer moins en aval. Je crois que c'est le principe de la chaudière à condensation, et doit il y avoir l'équivalent pour les locomotives.

Coté froid, l'eau est condensée (condenseur)(évacuation de l'énergie thermique résiduelle pour maintenir la température de la source froide) puis seulement renvoyée vers la chaudière (pompe) (si circuit fermé car l'eau doit être pure)

[fichter]

Je vois. Oui, si je ne me trompe l'énergie de la "source froide" qu'on récupère est moins énergétique que la source chaude utilisable qu'on doit chauffer, mais elle est quand même plus chaude que le fluide "froid" qu'on devrait chauffer depuis zéro avec le brûleur en dépensant de l'énergie si on ne la récupérait pas.

Bon bien je crois que les machines thermiques n'ont plus de secrets pour moi, enfin je m'avance peut-être un peu ^^
Enfin merci pour vos réponses.