agitation thermique et thermodynamique

[skedo]

Bonjour,

L’agitation thermique dans tout conducteur/résistance électrique génère un bruit électrique mesurable en tension et en courant.
Cela constitue un générateur de bruit dont la puissance électrique peut à priori être exploitée.
Certes cette puissance est ridicule mais en théorie est elle est exploitable, puisqu'elle s'ajoute aux signaux électroniques par exemple.

Comment concilier la thermodynamique qui stipule qu’une source de chaleur unique ne peut fournir de travail et le fait qu’un conducteur/résistance en contact avec une source de température unique (l'ambiante) puisse fournir un travail électrique, certes ridicule mais un travail tout de même.

Par avance merci de vos éclaircissements
-----

[Resartus]

Bonjour,

C'est le même problème qu'avec l'énergie cinétique des molécules : les capteurs éventuels de cette énergie ont eux aussi leur bruit, et le bilan sera nul, si la température est la même. Et si leur température est différente au départ, cela va certes fournir un peu d'énergie, mais cela s'arrêtera dès que les températures seront égales. A moins qu'on en maintienne les deux écarts de températures, et là on a tout bêtement un certain type de moteur*

Une autre approche envisageable, qui serait (par exemple), d'utiliser des diodes, et de basculer très rapidement le sens de redressement selon le sens du courant de bruit, ne marche pas non plus, pour des raison un peu plus subtiles : cela serait l'équivalent électrique du "démon de maxwell".
https://fr.wikipedia.org/wiki/D%C3%A9mon_de_Maxwell

Bref, le second principe ne se laissera pas violer...

*C'est par exemple l'effet thermoélectrique : pas inintéressant, car cela peut marcher en petites dimensions, et sans pièces mobiles, même si le rendement est faible (carnot oblige)

[Deedee81]

SAlut,

EDIT j'ai croisé Resartus, avec un message somme-toute assez complémentaire

L’agitation thermique dans tout conducteur/résistance électrique génère un bruit électrique mesurable en tension et en courant.
Cela constitue un générateur de bruit dont la puissance électrique peut à priori être exploitée.
Certes cette puissance est ridicule mais en théorie est elle est exploitable, puisqu'elle s'ajoute aux signaux électroniques par exemple.
Comment concilier la thermodynamique qui stipule qu’une source de chaleur unique ne peut fournir de travail et le fait qu’un conducteur/résistance en contact avec une source de température unique (l'ambiante) puisse fournir un travail électrique, certes ridicule mais un travail tout de même.

Ce qui est exploité ici (générateur de bruit) est le caractère aléatoire (https://fr.wikipedia.org/wiki/Bruit_thermique ou du https://fr.wikipedia.org/wiki/Bruit_de_grenaille )
mais pas l'énergie/puissance : il n'y a rien à récupérer car en moyenne c'est nul. Dans ces dispositifs, l'énergie est fournie par une alimentation externe.
(voir par exemple http://www.msc.univ-paris-diderot.fr...riquerDuHasard
où on donne même des circuits pour le faire)

..... sauf s'il y a des différences de température, évidemment, mais là c'est pas le bruit qui est récupéré. Exemple les thermocouples.

[skedo]

J'entends bien vos réponses, merci, mais je ne suis pas du tout d'accord que l’énergie électrique est nulle.
Si ma tension de bruit faisait 100V crête à crête, vous conviendrez que l’énergie n'es pas nulle.
Personnellement, avec une simple diode et un condensateur, je saurais récupérer de l’énergie sur une telle source.
et j'ai envie de dire, normal , c'est un générateur.

La faiblesse des tensions de bruit ne change rien au principe, à priori.

Par exemple comme source de bruit je peux très bien utiliser la résistance du fil d'une inductance et ajouter un condensateur et réaliser ainsi une amplification de la tension de bruit, sur une fréquence particulière.
Attention je n'ai pas dit amplifier l’énergie !
J'aurais des µV au lieu des nV correspondant a la contribution de la résistance pure.
Je peux ainsi obtenir quelque chose d' éventuellement exploitable, en me donnant beaucoup de mal ensuite...

et tout ce petit monde est à la même température.
Ou qu'est l'os ?

Possiblement la source pompée refroidirait , créant ainsi une source froide ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[skedo]

Ce qui est exploité ici (générateur de bruit) est le caractère aléatoire
mais pas l'énergie/puissance : il n'y a rien à récupérer car en moyenne c'est nul. Dans ces dispositifs, l'énergie est fournie par une alimentation externe.

En pinaillant, le générateur, passif dans le cas d'une résistance, fournit une tension et un micro courant à l'amplificateur, et donc fournit une puissance non nulle.

[Deedee81]

Ou qu'est l'os ?

L'os est dans le fait que, à cause du caractère aléatoire du phénomène, le travail fournit sera parfois positif, parfois négatif. Nul en moyenne. Et si tu espères filtrer sur le positif on retombe sur le démon de Maxwell. Par exemple avec une résistance passive, elle aussi "fluctue" (et de la même manière à T identique) et sans "chauffer" et la brancher sur le conducteur qu'on espère filouter ne change rien.

Bon, je te demanderais bien un schéma concret (pas juste un truc "brouillon") pour pouvoir faire un calcul précis (*). Mais là on risquerait carrément d'être hors charte (épinglé "faq", point 12).

(*) Probablement très difficile. Passer comme ça du micro au macro est souvent une gageure. Il est souvent plus simple de faire confiance aux bilans donnés par les deux principes de la thermo.

[XK150]

Certains y ont déjà pensé sinon réalisé : 25 moteurs de 10 nm = 0.4 W

https://arxiv.org/abs/1009.5942
https://www.sciencedirect.com/scienc...60077911000051

[yvon l]

En pinaillant, le générateur, passif dans le cas d'une résistance, fournit une tension et un micro courant à l'amplificateur, et donc fournit une puissance non nulle.

Pas dit. on est dans le monde des variations. La puissance peut être purement réactive et on n'extrait pas d'énergie

[Deedee81]

Certains y ont déjà pensé

C'est du sérieux ces trucs là ?

[XK150]

A l'origine de ces concepts : https://en.wikipedia.org/wiki/Laszlo_B._Kish , rien à mettre en doute .
Son labo : http://www.ece.tamu.edu/~noise/resea...se_engines.htm

Cliquer sur les liens en rouge , notamment celui-çi qui décrit les moteurs : http://www.ece.tamu.edu/~noise/resea..._eng_ICNF_.pdf

Mais aussi publication française ( 2008 ) : http://jacques-arnaud.info/pdf/Mecha...at_engines.pdf

[Deedee81]

Salut,

Ca me semble quand même très louche. Une violation du second principe c'est quand même assez douteux. Sauf s'il y a quelque chose que je n'ai pas compris (puisqu'ils disent texto que le second principe n'est pas violé, mais bon, le dire c'est bien, le vérifier c'est mieux. Mais pour décortiquer tout ça.....).

[gts2]

Je suis loin d'avoir tout lu et compris mais dans le premier lien de 12h56, il y a un cycle de Carnot avec deux températures : un condensateur qui oscille entre deux résistances à T1 et T2.

"silicon wafer with 10°C temperature difference between the warm-source and the cold-sink"

Mais on ne parle peut-être pas du même texte

[skedo]

Merci pour toutes ces infos XK150 toutefois il y a toujours 2 sources de température, dans les premiers liens en tout cas.

J’avoue que je pensais mettre en avant un sujet connu comme le loup blanc avec cette histoire de résistance génératrice de bruit.

L'os est dans le fait que, à cause du caractère aléatoire du phénomène, le travail fournit sera parfois positif, parfois négatif. Nul en moyenne.

D'accord pour le puissance moyenne effectivement mais pas d'accord pour la puissance efficace qui n’est pas nulle.
Si c’était vrai, ça reviendrait a dire que l’on ne peut rien espérer d’une prise 240V 50Hz puisque la puissance moyenne y est nulle.

Par exemple avec une résistance passive, elle aussi "fluctue" (et de la même manière à T identique) et sans "chauffer" et la brancher sur le conducteur qu'on espère filouter ne change rien.

Selon moi on peut en tirer quelque chose mais c’est effectivement infime.
Disons que c’est le principe qui m’intéresse, je souhaite comprendre comment ça respecte la thermodynamique alors que ça semble ne pas le faire.
Je serais bien étonné d’être le premier a avoir cette idée, ça a du être traité quelque part.
Intuitivement je dirais que ça refroidi la résistance qui se réchauffe immédiatement par la température ambiante.
La résistance agirait comme un capteur/convertisseur.
Par contre je ne sais pas aller plus loin.

[skedo]

En préambule, calcul de la tension de bruit d'une résistance de 1 Ohm par le simulateur (tina)
valeur efficace de la tension 128pV à 1KHz, 300°K sur une bande de 1Hz.
bruit 1 Ohm.jpg

Schéma du générateur de bruit, grâce à la résistance de 1 Ohm qui est la résistance repartie du fil de cuivre constituant l'inductance L1.
L'ensemble L1, C1 amplifie la tension de bruit à 1KHz, par résonance et privilégie cette fréquence, comme on peut le constater sur les chronogrammes au point V_LC.
futura schema.png

Chronogrammes temporels:
Le niveau de tension du 1KHz reste bas , admettons qu'on puisse en faire quelque chose. C'est une étude théorique plus que pratique.
Comment expliquer cette tension utilisable (et toutes les autres fréquences ) en respectant la thermodynamique ?
chronos futura.jpg

Gain du montage en fonction de la fréquence:
futura.jpg

[skedo]

Pas dit. on est dans le monde des variations. La puissance peut être purement réactive et on n'extrait pas d'énergie

Les convertisseurs font ça très bien.E =1/2LI² ou 1/2CV².
et je ne vois pas pourquoi l’énergie issue d'une résistance serait purement réactive.

[skedo]

Bonjour,

Un petit up, et tenter de simplifier ma question.
Je précise par avance que je suis autodidacte en thermodynamique, donc plutôt nul, pardonnez-moi si je déraille, je compte sur vous pour me remettre sur les rails.
Le problème est peut-être aussi mal posé ?

Ma question se résume à :
Une résistance est un générateur électrique de bruit thermique.
Comment expliquer qu’avec une seule source de température, la température ambiante, on puisse générer de l’électricité et donc potentiellement un travail.

https://en.wikipedia.org/wiki/Johnso...3Nyquist_noise
Ce passage me parait significatif pour dire qu'une resistance est un generateur (de puissance bien faible mais générateur tout de même)

A resistor in a short circuit dissipates a noise power of

The noise generated at the resistor can transfer to the remaining circuit; the maximum noise power transfer happens with impedance matching when the Thévenin equivalent resistance of the remaining circuit is equal to the noise-generating resistance. In this case each one of the two participating resistors dissipates noise in both itself and in the other resistor. Since only half of the source voltage drops across any one of these resistors, the resulting noise power is given by

where P is the thermal noise power in watts. Notice that this is independent of the noise-generating resistance.

Et ici sur le second principe de la thermodynamique
https://www.futura-sciences.com/scie...ynamique-3898/

Appliqué à l'Univers considéré comme un système isolé, cela voudrait dire que celui-ci s'achemine lentement mais inexorablement vers la « mort thermique » où le désordre serait maximal.
La thermodynamique peut se déduire de la mécanique à partir de certaines hypothèses d'ordre statistique, or les lois de la mécanique sont, elles, réversibles ! La flèche du temps et le second principe seraient alors des illusions et de simples approximations pratiques mais fondamentalement fausses.
Ces questions ne sont toujours pas résolues aujourd'hui et font l'objet de débats incessants.

" Ma " question rentre t elle dans le cadre des questions non- résolues et des débats incessants qu'il faut faire cesser ?

[coussin]

Deedee a répondu, non ? On ne peut pas tirer de travail utile de ce bruit. Qu'est-ce qui vous gène dans cette réponse ?

[skedo]

Deedee a répondu, non ? On ne peut pas tirer de travail utile de ce bruit. Qu'est-ce qui vous gène dans cette réponse ?

Je ne sais pas, j'ai quand même fait une tentative plus haut de montrer qu'il serait possible d'extraire de l’énergie ? via les schémas et chronogrammes joints.
(aucun intérêt pratique mais c'est pour le principe)

Et puis la résistance rebouclée sur elle même qui dissipe sa propre puissance électrique, il ne se passe pas rien ?

Ou encore la résistance qui sert de source bruit à un amplificateur, elle fournit bien une puissance d'entrée à cet amplificateur.

et tout cela avec une seule source de température.

Bref, j'ai un peu de mal a être clair sur le sujet.

[yvon l]

Une analogie avec l'énergie thermique dans un gaz qui se manifeste par une pression sur la paroi de l'enceinte qui contient le gaz. Cette pression ne travaille pas si la paroi est immobile (On peut pourtant la constater et la mesurer sans travail. la pression est une structuration potentiel de l'énergie, mais faut-il encore la faire travailler.

[skedo]

Je comprends l'analogie.
Toutefois dans le cas de la mesure du bruit électrique de la résistance, il y a un prélèvement de puissance, si minime soit-il, les appareils de mesure n’étant pas d’impédance infinie.

Pour la résistance l'analogie serait de mesurer la pression d'un gaz a travers une fuite perpétuelle. (le mot est lâché ! )

Concernant la résistance je n'ai jamais constaté d'emballement suite a un court circuit sur elle même. ouf !
Visiblement il y a équilibre entre la température ambiante et l'aspect générateur de bruit électrique.

Mais comment ça s’équilibre, comment ça fonctionne, c'est ça que j'aimerais comprendre.

[yvon l]

non, pas de fuite.
Si maintenant le gaz est dans un cylindre et que le piston se déplace sous la pression, tu as transfert d’énergie*: le gaz se refroidi (la vitesse des molécules diminue) . La différence de températures entre le gaz et le milieu va amener de la chaleur au gaz (qui est maintenant plus froid) et tant que le piston peut se déplacer tu réorganiseras (travail) ton énergie thermique provenant du milieu en produisant du travail.

Si tu veux une réponse plus électrique.
La résistance peut être considérée comme réseau électrique très complexes avec pratiquement une infinité de petits générateurs et récepteurs qui échangent de l’énergie. Chacun des petits transferts à l’intérieur de la résistance se fait à travail nul (comme un choc élastique en mécanique se fait avec un double travail à somme nulle (le travail à la compression fournit le travail de détente). Pour l’électricien cela correspond à un réseau électrique parcouru des courants réactifs (un réseau électrique classique peut être parcouru par une grande énergie réactive sans pour cela transférer de l’énergie globalement hors du réseau
Ce que tu mesures donc c’est une activité périphérique au bornes de la résistance.
Si tu veux lui retirer en permanence de l’énergie structurée, tu dois lui en rendre même de façon déstructurée. Donc au moins sous forme de chaleur. Bref, ce que tu peux prendre comme énergie a la résistance (au réseau), il faudra le compenser par de la chaleur. Pour disposer de cette chaleur il faut donc un léger déséquilibre de température entre la résistance (légèrement plus froide) et le milieu dans lequel elle se trouve.
L’avantage par rapport à l’analogie du piston est que tu n’es pas limité par la longueur du piston (pas dans un cycle) et que l’énergie est directement sous forme électrique.

[skedo]

non, pas de fuite. .

Je sais bien que l’on mesure les pressions sans fuite .
La fuite c’était pour faire coller l’analogie du gaz au cas de la résistance…qui génère en permanence une tension de bruit ,un courant de bruit, donc une puissance de bruit, qui peut être exploitée/consommée par un amplificateur par exemple.
.

Pour l’électricien cela correspond à un réseau électrique parcouru des courants réactifs (un réseau électrique classique peut être parcouru par une grande énergie réactive sans pour cela transférer de l’énergie globalement hors du réseau
Ce que tu mesures donc c’est une activité périphérique au bornes de la résistance. .

J’entends mais vu de l’extérieur une résistance reste un composant non réactif (aux imperfections près)
Je prend la résistance comme une boite noire qui comporte un générateur de tension de bruit et une resitance pure, réalisant ainsi un générateur de thevenin des plus classique.

Comme dejà dit plus haut, si cette tension de bruit faisait 100V crete a crete, elle serait tout a fait exploitable: Diode + capa et c’est gagné.
Je ne vois pas en quoi le fait qu'ne résistance génère une tension de l'ordre du nV changerait quelque chose au principe qui est valable pour un générateur de 100V crete a crete.
En pratique, on ne saurait pas redresser des nV (à ma connaissance)
C’est un problème de réalisation pratique et non un problème théorique.
or je recherche une réponse au niveau théorique.

Si tu veux lui retirer en permanence de l’énergie structurée, tu dois lui en rendre même de façon déstructurée. Donc au moins sous forme de chaleur. Bref, ce que tu peux prendre comme énergie a la résistance (au réseau), il faudra le compenser par de la chaleur. .

C’est un peu mon hypothèse de départ, la résistance dissipe la puissance électrique qu’elle fournit .
Puisqu’elle dissipe de la chaleur interne, en toute logique, elle se refroidit.
La température ambiante venant réchauffer a nouveau la résistance.
Tout cela s’équilibre.

Le second principe de la thermodynamique ne serait pas violé, puisque la résistance, en fournissant le l’énergie électrique, génère sa propre source de température froide ( par rapport a l'ambiante)
Il y a bien 2 source de température et la résistance joue le rôle d'un capteur/convertisseur d’énergie thermique en électricité.

Plausible ou pas pour un thermodynamicien ?

[coussin]

Pourquoi s'arrêter à cette résistance : prenez n'importe quelle surface métallique autour de vous. Elle est à 20°C et des courants fluctuants à sa surface fait qu'elle rayonne justement pour être en équilibre.
Pouvez-vous, d'une manière ou d'une autre, exploiter ces courants de surface ?

[skedo]

Pourquoi s'arrêter à cette résistance : prenez n'importe quelle surface métallique autour de vous. Elle est à 20°C et des courants fluctuants à sa surface fait qu'elle rayonne justement pour être en équilibre.
Pouvez-vous, d'une manière ou d'une autre, exploiter ces courants de surface ?

Ok, dois je comprendre que je ne dis pas que des bêtises dans mon post précédent concernant ma thermodynamique "avec les mains "?

Pour les courants de surface je ne sais pas, je ne connais pas leur distribution spectrale, leur amplitude ?

Pour la résistance c'est cadré et on a un générateur avec 2 bornes, donc il est tout a fait exploitable (en théorie)

[yvon l]

J
J’entends mais vu de l’extérieur une résistance reste un composant non réactif (aux imperfections près)
Je prend la résistance comme une boite noire qui comporte un générateur de tension de bruit et une resitance pure, réalisant ainsi un générateur de thevenin des plus classique.

Bon, je précise donc. Une résistance pure est un idéal ou l’activité du réseau (échange inter atomique) n’existe plus.
Mais on n’est pas 0k en interne.On peut dire que l’on a une l’infinité de petits générateurs-récepteurs qui transfere continuellement par interaction électromagnétique leurs énergies. Ces échanges se font par les champs électriques et magnétiques des charges (électrons). Pour l’électricien par de petits condensateurs (potentielle: 1/2CU²) et de petite self (cinétique*1/2LI²). C’est ce phénomène qui apparaît à toutes les fréquences . C’est un phénomène interne à la résistance (au réseau) qui correspond à un travail nul (comme déjà dit). Le bilan de cette activité complexe se manifeste sur la surface de la matière qu’est la résistance. On peut la mesurer aux 2 points particuliers du réseau, c-a-d au bornes de la résistance.
Pour cela, le générateur de Norton (j’aime mieux celui là pour les explication) y ajoute un générateur de courant de type bruit blanc (une infinité de fréquences) pour rendre compte du phénomène. (D’ailleurs on peut modifier dans une certaine mesure le comportement du réseau en facilitant une fréquence (résonance) en ajoutant selfs/condensateur entre les bornes de la résistance).
Bon on montre ainsi un transfert thermique vers électrique. Sauf qu’on n’a pas encore réellement un transfert structuré (comme l’est un travail)

J



C’est un peu mon hypothèse de départ, la résistance dissipe la puissance électriqueou on peut qu’elle fournit .
Puisqu’elle dissipe de la chaleur interne, en toute logique, elle se refroidit.
La température ambiante venant réchauffer a nouveau la résistance.
Tout cela s’équilibre.

Le second principe de la thermodynamique ne serait pas violé, puisque la résistance, en fournissant le l’énergie électrique, génère sa propre source de température froide ( par rapport a l'ambiante)
Il y a bien 2 source de température et la résistance joue le rôle d'un capteur/convertisseur d’énergie thermique en électricité.

Plausible ou pas pour un thermodynamicien ?

OUI pour moi c’est ok. Si la résistance est complètement isolée thermiquement, elle continuerait à refroidir tant qu’il y a de l’énergie à prendre.

[skedo]

@Yvon I , Parfait, merci beaucoup pour tous ces éclaircissements.

[Deedee81]

Salut,

J'étais absent. Merci à tous pour ces explications vraiment intéressantes.
Et pour une fois qu'on arrive à discuter d'un sujet fort limite (proche de l'énergie "libre", interdit ici) et sereinement, sans devoir devenir tout vert et fermer, c'est presque à épingler. Un bonheur

[skedo]

Bonjour,

Merci
Ce qui me brûle maintenant, serait de faire un démonstrateur comme quoi on peut faire quelque chose d'utile avec ce bruit électrique, ne serait ce qu'allumer une led mais en pratique ça me parait une gageure.
Déjà il faut élever le bruit du capteur au dessus du reste des composants électroniques.
La solution que j’envisageais plus haut, avec un circuit accordé, n’utilise l’énergie que d’une seule fréquence.
L’énergie des autres fréquences est perdue à l’utilisation et c’est bien dommage.
Ensuite il faut soit encore amplifier le niveau de tension et/ou redresser de manière active (transistors), car a ces niveaux de tension , utiliser des diodes, il ne faut pas y compter.

On est très loin de pouvoir collecter une énergie suffisante .

Ou alors il faudrait multiplier le nombre de capteurs...
Enfin, c’est vite une usine a gaz !

Bref, je n’ai pas trouvé de bonne idée.

[yvon l]

Bon continuons …pour alimenter la réflexion...
L’énergie électrique ici en soi n’a aucun intérêt. Ce sont les transferts de cette forme d’énergie qui sont intéressants. Bref, il faut se mettre dans la situation ou un appareil transfere l’énergie électrique sous une autre forme (thermique, mécanique, rayonnant. Bref à ton générateur il faut y ajouter un récepteur.
Si tu regardes le schéma équivalent en Norton, tu vois que t’on générateur de bruit blanc est déjà accolé à un récepteur qui n’est autre que la résistance pure . On a donc déjà une perte par effet joule du bruit blanc électrique. Cette perte réchauffe déjà en partie la résistance (qui se refroidit donc moins).
Maintenant ajoutons un récepteur constitué d’une simple résistance identique à la première. Cette seconde résistance a également un shéma équivalent en Norton avec une résistance pure et un générateur de bruit blanc. Tout ce petit monde se retrouve en parallèle.
Tout cela devient intéressant si les 2 résistances sont à des températures différentes. Celle qui a une température plus élevée génère dans sont bruit blanc plus d’énergie que celle qui est à température basse. Le résultat est un transfert global sous forme électrique d’énergie de la résistance à température élevée vers la résistance à température basse. Le résultat est un transfert thermique par effet joule de la résistance chaude vers la résistance froide. Bref, si je prends la casquette du thermodynamicien, on a un simple transfert thermique entre une source chaude vers une source froide. On redémontre la transfert thermique dans des solides et également qu’un bon conducteur électrique est un bon conducteur thermique

[Deedee81]

Salut,

Bonne explication

Ceci dit, si skedo veut expérimenter, je l'y encourage. Avec un peu de connaissance en électronique ce n'est pas trop difficile (bien qu'un peu délicat vu les niveaux des signaux dont on parle). Le but n'est pas de rivaliser avec ITER mais de faire des essais, en jouant avec les sources chaudes et froides ou ... en monotherme. C'est en expérimentant qu'on apprend le mieux la physique. Rien de tel que de mettre les mains dans le cambouis au moins une fois même si après on se consacre uniquement à la théorie.