Entropie et plasma

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Bonjour, je me posais une question. On nous dit dans les livres de physique que la variation d'entropie de l'univers est toujours positive ou nulle, ce qui se traduit par la température globale qui ne peut qu'augmenter ou rester constante. Pourtant dans des plasmas chauds comme le soleil, l'énergie dû à la forte température permet d'arracher les électrons et d'ioniser la matière, et plus tard d'émettre des photons, mais pour ioniser et émettre des photons il a bien fallu de l'énergie qui justement a été donnée par la chaleur.
Mais du coup si de la chaleur s'est transformée en lumière (et avec nos panneaux solaires en électricité), cela veut donc-t-il dire que l'entropie globale a diminué ?
Et donc que la variation de l'entropie créée peut-être négative ?
Et je parles des plasmas chaud mais je suppose que ça s'applique pour le rayonnement en général ?
Merci d'avance pour vos réponses.
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[invite51d17075]

Bonjour, je me posais une question. On nous dit dans les livres de physique que la variation d'entropie de l'univers est toujours positive ou nulle, ce qui se traduit par la température globale qui ne peut qu'augmenter ou rester constante.....

non, pas forcement.
en fait il existe différents scénarios selon que l'univers est fermé ou ouvert.
en introduction:
https://fr.wikipedia.org/wiki/Mort_t...ation_actuelle

[Deedee81]

SAlut,

EDIT hé bien quand je parlais de "complémentaire", je ne pouvais pas mieux dire. Croisement avec ansset qui a pris le problème par l'autre bout. C'est bienvenu

ce qui se traduit par la température globale qui ne peut qu'augmenter ou rester constante.

Houlà, non, le lien n'est pas si simple. Sinon on n'aurait pas besoin du concept d'entropie, on parlerait juste de température.

Deux petites explications (mais si on veut aller dans le détail ça peut devenir compliqué, d'autres donneront sans doute des explications complémentaires).
- L'entropie peut se définir comme suit : soit un système avec des microétats (position, mouvement, de chaque particule) et des états macroscopiques (température, pression, composition...). Soit W le nombre de microétats correspondant à un état macroscopique donné (on l'appelle trompeusement "probabilité thermodynamique"), alors l'entropie de cet état macroscopique est k. ln(W) (k = constante de Maxwell-Boltzman). Voir wikipedia pour des définitions plus "thermodynamiques".

Comme tu vois c'est loin de correspondre à "plus chaud".
- Le rayonnement thermique a une entropie élevée. La "combustion" au coeur d'une étoile et l'émission de l'énergie sous forme de rayonnement est donc fortement créatrice d'entropie

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D’accord je vois, donc si je comprends bien l’entropie traduit le fait que dans des conditions définies, le système aille dans un sens et pas dans l’autre ?
Mais du coup je ne comprends pourquoi on parle de pertes quand on dit qu’il y a création d’entropie ? Dans le cas de la chaleur par exemple puisqu’on peut la retransformer en sa forme d’origine si elle ne part pas du système pourquoi parle-t-on d’irréversibilité ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[Deedee81]

Salut,

D’accord je vois, donc si je comprends bien l’entropie traduit le fait que dans des conditions définies, le système aille dans un sens et pas dans l’autre ?

Drôle de manière de le dire, mais oui, c'est ça.

Mais du coup je ne comprends pourquoi on parle de pertes quand on dit qu’il y a création d’entropie ? Dans le cas de la chaleur par exemple puisqu’on peut la retransformer en sa forme d’origine si elle ne part pas du système pourquoi parle-t-on d’irréversibilité ?

C'est irréversible parce que l'entropie totale (par le système seul mais aussi son environnement) ne peut qu'augmenter.

Prenons un exemple :
Soit un corps chaud à température T2 et un à température T1, tel que T2>T1.
En contact et sans échange de travail, la chaleur ne peut aller que du corps chaud vers le corps froid, jusqu'à l'équilibre.
C'est donc irréversible.

On traduit ça par dQ = T.dS
l'échange de chaleur implique une variation d'entropie.
Et si on applique ça aux deux corps (avec changement de signe de dQ évidemment) on voit que l'échange de chaleur de T2 -> T1 implique une augmentation d'entropie.

On peut aussi faire intervenir le travail. On peut utiliser un travail W pour réchauffer le premier corps (par exemple) et lui redonner sa température initiale. Avec W=Q
Et inversement on peut exploiter la chaleur échangée entre les deux corps pour produire un travail..... sauf que là, tintin, on aura W<Q, le rapport étant au mieux le rendement de Carnot.
Ce n'est d'ailleurs pas très difficile à calculer à partir de ce qui précède.

Ici :
https://fr.scribd.com/doc/312477071/...ue-Statistique
Je donne une introduction simple au sujet et très peu calculatoire, très peu de math, avec surtout des exemples et des explications en mots.
C'est de la vulgarisation haut niveau.

[Link1003493649]

Oui bon après dans le cas des pompes à chaleur c’est l’inverse du moteur Q > Wfournie (d’ailleurs pour le cycle idéal on compense tout juste le cycle moteur, c’est que c’est bien fait finalement !).
Mais justement, imaginons qu’on ait à disposition des panneaux solaires à rendement parfait et qu’on isole sous vide totalement les corps dorénavant à la même température, qu’on absorbe leur chaleur par rayonnement et qu’on réchauffe le corps qui était à la température T2, bien que ce soit un peu (très) tiré par les cheveux et idyllique, on arrive quand même à la situation initiale (bon les molécules seront peut-être pas exactement à la même place mais ce n’est pas vraiment ce qui nous intéresse) donc ce ne serait pas totalement irréversible ?
Ou alors ça l’est si on ne change rien au système mais qu’avec les bonnes conditions on peut revenir en arrière ?
Et je vais regarder merci !

[Deedee81]

Pour les panneaux solaires, le mieux qu'on puisse avoir c'est de l'ordre de 30%.
Il est impossible de retransformer un rayonnement thermique à cent pour cent en travail.
Et d'ailleurs le panneau lui-même s'échauffe et réémet une partie du rayonnement, c'est inévitable.

Ceci dit, il est toujours possible (au moins idéalement) d'avoir divers processus totalement réversibles. C'est utile comme sous-processus dans certains dispositifs mais habituellement (sauf exception) comme système complet ce serait absurde dans la mesure où cela implique qu'un cycle redonne exactement la même situation qu'au départ, tout inclut (y compris l'environnement). Ce ne serait pas très utile.

[Link1003493649]

Oui je prenais le cas idéal je sais que ça bnexistera jamais.
Oui ce ne serait pas forcément utile mais c'était pour voir ce qu'on entendait par irréversible si justement malgré les irreversibilités on peut quand même revenir à la situation initiale en changeant les conditions.
Merci de vos réponses en tout cas.

[Deedee81]

Oui je prenais le cas idéal je sais que ça bnexistera jamais.

Non, pire, là ce n'était pas l'idéal mais contraire aux lois physiques.

Comme dit plus haut, le rendement théorique maximal (idéal) est de 30%.
Et le panneau chauffe et réémet du rayonnement.
Ce n'est pas contournable même idéalement.

[Link1003493649]

Ah bon pourtant j’ai cru comprendre qu’on arrivait aux alentours des 50% pour les plus performants

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https://lenergeek.com/2014/12/15/ren...hotovoltaique/
40% par exemple

[Sethy]

L'entropie peut se "sentir" très facilement. Pour l'illustrer, je vais prendre un cas qui ne fait pas intervenir d'échange de chaleur.

Imaginons l'expérience qui consiste à mélanger de l'eau et de l'encre. Imaginons un système à 4 "molécules" 2 d'eau (O) et 2 d'encre (E). Il s'agit bien d'une exéprience "irréversible".

Au début on a (par exemple) :
EO
EO

Après diffusion, on a (par exemple) :
OE
EO.

Il existe 6 configurations distinctes (formule : (O+E) ! / O! /E!) mais une seule équivalent à l'initiale.

Si on quadruple le nombre de molécules (8 E et 8 O), on a au départ, toujours une seule configuration :
EEOO
EEOO
EEOO
EEOO

Mais après mélange, il y a maintenant 12870 situations différentes.

L'entropie, c'est cette mesure (ou plus exactement à un coefficient multiplicatif près son logarithme).

Et même si on tient compte des "4" situations initiales équivalentes comme :
EEEE
EEEE
OOOO
OOOO

Il n'en reste pas moins que 12870 est largement supérieur à 4.

Si on quadruple encore le nombre de molécule (soit 32 "O" et 32 "E", la taille d'un échiquier), on obtient après diffusion 1,8x10^18 combinaisons. Soit plus que le nombre de secondes depuis le big bang (4,4x10^17 secondes) !

[Deedee81]

Salut,

40% par exemple

Ah oui, j'étais un peu trop bas. Désolé.
De plus il ne faut pas confondre le maximum de rendement théorique du photovoltaïque et le rendement de Carnot. Avec une température thermique du rayonnement solaire de six mille degrés on a de la marge (j'y ait pensé hier.... mais je n'étais plus devant le clavier, pffffff).

Et pour ton exemple on pourrait imaginer que l'ensemble est au zéro absolu => le panneau ne risque pas de rayonner (mais là il n'a pas non plus beaucoup à absorber ).

Outre les questions/réponses plutôt de base qui ont été abordées dans cette discussion on peut aussi parler d'une situation précise, suffisamment détaillée (avec schéma et tout) pour discuter des bilans thermiques, de l'éventuel cycle thermodynamique,... etc.... Mais ça peut aussi vite devenir compliqué.

Sinon si tu cherches des trucs un peu spéciaux, imagine ceci :
tu as une boite avec une paroi de séparation. Dans les deux compartiments, tu as la même température, pression, densité,....
Puis tu enlèves la paroi :
- si les deux gaz sont différents, ils vont se mélanger, ce qui augmente l'entropie
- si les deux gaz sont identiques, rien ne change en retirant et remettant la paroi, l'entropie ne doit pas augmenter.
Pourtant si on compte les nombres d'états que peuvent avoir chaque molécule, on doit avoir d'après a physique statistique l'augmentation d'entropie (en retirant la paroi)
delta S = n1 R ln[(V1+V2)/V1] + n2 R ln[(V1+V2)/V2] = (n1 + n2) R ln2
(n1, n2 nombre de molécules et V1 V2 les volumes de chaque compartiment)
(formule évidente avec la formule d'entropie statistique S=k.ln W et en considérant que le nombre d'états d'une particule est proportionnel au volume).
Où est le beans ?

C'est un classique :

 Cliquez pour afficher

https://fr.wikipedia.org/wiki/Paradoxe_de_Gibbs

Qui montre qu'on fait vite des erreurs dès que l'entropie s'en mêle.

[Link1003493649]

Le rendement Carnot c’est pour les moteurs et les pompes à chaleur c’est ça ?
En quoi la température change quelque chose au rendement du panneau ? Enfin oui j’ai vu que ça baissait le rendement de 2 ou 3% mais bon
Dans mon exemple on peut aussi dire qu’il y aurait l’air au centre, ensuite la paroi avec les panneaux solaires, et enfin des miroirs pour renvoyer le rayonnement des panneaux directement sur eux pour finir par tout convertir, enfin c’était juste pour montrer qu’on pouvait revenir à la situation de départ malgré la création d’entropie.
Mais dans l’exemple des gaz qui se mélangent, si nous ce qui nous intéresse c’est d’avoir les deux gaz distincts de chaque côté mais que l’ordre des molécules du même gaz ne nous intéresse pas on peut bien revenir à cette situation même si les gaz se sont mélangés non ?
Enfin dans le cas des gaz je ne sais pas trop comment ça marche, si on fait intervenir de la chimie ou si on a d’autre moyen donc je ne vais pas m’avancer mais j’imagine que si on a un filtre qui retient le premier gaz mais pas le deuxième on peut revenir à la situation de départ malgré la création d’entropie

[Spazi]

La limite théorique dont parle Deedee fait référence à la limite de Shockley-Queisser (qui est de 33%), elle ne concerne que les cellules à une jonction PN

[Deedee81]

Salut,

Le rendement Carnot c’est pour les moteurs et les pompes à chaleur c’est ça ?

C'est générique, pour toute transformation Q->W

Mais oui, tu as raison, j'avais laissé passer une confusion (involontairement) avec le rendement. Je l'ai expliqué plus haut.

Par contre la limite de Carnot explique que même dans un cas extrêmement idéalisé, les panneaux photovoltaïque ne peuvent pas faire une transformation réversible. Il y a forcément au mieux un rendement de quelques pourcent inférieur à 1, et ça suffit pour que ce soit irréversible. Et on ne peut pas concentrer totalement le rayonnement réémit avec des miroirs pour la même raison. Ce serait trop beau. Dans une conversion thermique vers une énergie "noble" (le travail, comme l'énergie électrique par exemple) il y a toujours irréversibilité, c'est strictement incontournable.

La limite théorique dont parle Deedee fait référence à la limite de Shockley-Queisser (qui est de 33%), elle ne concerne que les cellules à une jonction PN

Exact, merci de la précision.

[Link1003493649]

Ah pourtant pour la transformation inverse W -> Q pour les pompes à chaleur on parle aussi de rendement de Carnot.
Je ne pensais pas à concentrer forcément les rayons émis, simplement, comme les pertes des panneaux sont dues soit à un échauffement du panneau, soit à une réflexion des rayons lumineux, si il y avait des miroirs tout autour pour renvoyer la chaleur des panneaux transformée en rayonnement, sur les panneaux eux-mêmes, les panneaux réeffectueraient une transformation de l’énergie lumineuse, avec un rendement encore inférieur à 1, mais encore une fois cela produirait de la chaleur qui serait renvoyée à l’infini jusqu’à laisser de moins en moins d’énergie.
Bon après c’est vrai qu’un miroir n’est jamais parfaitement réfléchissant (encore que peut-être un jour ça existera à l’instar des supraconducteur qui n’ont aucune résistance ou les superfluide qui s’écoulent sans frottements) mais la part de lumière non réfléchie est infime.

Et par rapport à cette limite, j’avais vu un article qui disait que la lumière pourrait être convertie à 80% au maximum, voilà le lien : https://www.rtflash.fr/vers-conversi...trique/article

[Deedee81]

Salut,

[....]

Il faudrait une description précise avec schéma et tout car là je ne vois pas trop bien je dois dire.

Et par rapport à cette limite, j’avais vu un article qui disait que la lumière pourrait être convertie à 80% au maximum, voilà le lien : https://www.rtflash.fr/vers-conversi...trique/article

Ah oui, ça serait fabuleux. Mais attention, le titre est abusif. D'une part ils disent "total" et en dessous 80% (mais ça tu l'avais vu) mais aussi qu'ils combinent conversion photovoltaïque et des capteurs thermiques (et là il n'y a guère de soucis de rendement, transformer de la chaleur en chaleur c'est pas difficile Si ce n'est bien sûr qu'il y a toujours des pertes : réflexions, fuites thermiques.... d'où sans doute le 80% plutôt que 100%).

[XK150]

Re ,
Il vaut bien mieux raisonner sur des systèmes industriels existants , que sur des effets partiels d'annonces sensationnelles de petits labos ( à la recherche de finances )
qui ne verront jamais le jour … Il y en a des centaines d'exemples par jour , même dans Futura Actu , dans les sujets à la mode en particulier ...

[Deedee81]

Re ,
Il vaut bien mieux raisonner sur des systèmes industriels existants

Ou alors il faut lire les travaux de recherches (les vrais, ceux fait par des laboratoires et faisant l'objet de publications sous comité de lecture) . J'ai beaucoup lu sur les progrès fait avec les pérovskites et l'espoir de faire des panneaux "multi-couches" qui permettraient (espoir) de dépasser largement le seuil théorique des panneaux à jonctions PN au silicium. Ils n'en sont pas encore là même si les découvertes fondamentales sont très prometteuses.

Les effets d'annonce ont ceci d'ennuyant qu'on ne sait rien prédire avec ça. Parfois oui (me rappelle l'annonce des led bleues) parfois non (les annonces fracassantes sur le graphène pour un exemple qui me vient en tête).

Et il faut se méfier des titres et toujours bien lire l'article..... pour rire j'utilise toujours ce pseudo article (inventé par moi) :
Titre : "On a découvert de la vie ailleurs"
Article : ".... aurait-on pu dire si on avait cherché."

[Link1003493649]

En fait ce n'est pas comme les panneaux hybrides qui font à la fois de la chaleur et de l'électricité, j'ai peut-être mal compris mais j'ai l'impression qu'ils parlaient de capter le rayonnement solaire sous forme de chaleur dans de la fibre de carbone afin de réémettre cette énergie sous forme de rayonnement avec une longueur d'onde plus adaptée.
En gros lumière -> chaleur -> lumière -> électricité
Bon même si ce n'est pas au point il y a déjà de l'idée

Et concernant mon précédent exemple, vous disiez qu'un panneau ne pouvait pas dépasser un rendement de 35%, car il y avait des pertes par chaleur et par réflexion de la lumière, moi je disais donc que si on arrivait à faire le vide autour des panneaux et à mettre des miroirs autour de ces panneaux, la chaleur des panneaux ne pourrait se dissiper que par rayonnement, qui serait ensuite renvoyé par les miroir sur le panneau et donc partiellement convertis par le panneau jusqu'à ce qu'il n'en reste plus. Demême pour les rayons réfléchis.

[Link1003493649]

Après bien sûr ce n'est qu'hypothétique et sûrement pas réalisable en pratique mais en théorie j'ai l'impression que ça contredit un peu le principe d'irréversibilité, le fait de pouvoir revenir aux paramètres initiaux