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Physique des systèmes complexes
(Sb)
En définitive
h =-T(ôY) ôT x
(6)
Si l'on connaît, expérimentalement ou théoriquement, une équation d'état reliant
les variables X Y, T, alors h est connu et donc dU et dS aussi. De ce fait, le système est complètement déterminé du point de vue thermodynamique.
5. L'équilibre thermodynamique
En reconnaissant la chaleur comme une forme d'énergie qui peut s'échanger entre
différents systèmes physiques en interaction, l'approche thermodynamique permet
une description phénoménologique du comportement des systèmes macroscopiques, dont la complexité, le trop grand nombre de particules qui les composent,
rend matériellement impossible - voir inutile - l'étude par le seul biais des lois de
la mécanique. Comme l'ont montrés les quelques exemples précédents (étude des
gaz réels, de la charge d'un condensateur ... ), son application dépasse largement
l'étude théorique du gaz parfait qui nous a servi de point de départ pour introduire
la notion de « grandeur physique moyenne » comme la température, la pression ...
L'un des apports les plus importants est celui du concept d'entropie qui permet de
définir le sens dans lequel évolue tout système isolé. En mécanique, on avait déjà
constaté que les systèmes simples évoluent toujours dans le sens qui minimise
l'énergie potentielle au bénéfice de l'énergie cinétique qui, elle, ne fait
qu'augmenter. En the1modynamique, cette loi est généralisée par le fait que tout
système complexe isolé n'évolue que dans le sens qui maximise son entropie !
C'est donc l'accroissement de l'entropie qui détermine la «flèche» du temps et
dont la valeur maximale définit l'équilibre final du système isolé !
Et pourtant, lorsqu'on laisse refroidir une tasse de café, son entropie diminue.
Mais, ceci n'est pas contradictoire avec ce que nous avons affirmé précédemment
car la diminution de l'entropie de la tasse, consécutive à son refroidissement, est
moins importante que l'augmentation de l'entropie de la pièce qui a absorbé cette
énergie calorifique à une température pratiquement constante et bien évidemment
inférieure à la température de la tasse. Alors, ceci veut dire que l'équilibre thermodynamique de la tasse de café dépend de son environnement et cet exemple
montre qu'il devient nécessaire de savoir caractériser l'équilibre de tout système
lorsqu'il est en contact avec le reste de l'univers. Comme nous allons le montrer
dans la suite, cette question se résout par le biais de « potentiels thermodynamiques » définis par les « sources extérieures » avec lesquelles un système ouvert J;
peut échanger des grandeurs extensives. Mais d'abord, commençons par définir ce
qu'est une « source » de grandeur extensive
- Définition d'une source de chaleur
On appelle source de chaleur un réservoir idéal, infiniment grand, et dont, par
conséquent, la température ne change pas, quelle que soit la quantité de chaleur
échangée entre ce réservoir et tout système mis en son contact. Par exemple
Physique des systèmes complexes
(Sb)
En définitive
h =-T(ôY) ôT x
(6)
Si l'on connaît, expérimentalement ou théoriquement, une équation d'état reliant
les variables X Y, T, alors h est connu et donc dU et dS aussi. De ce fait, le système est complètement déterminé du point de vue thermodynamique.
5. L'équilibre thermodynamique
En reconnaissant la chaleur comme une forme d'énergie qui peut s'échanger entre
différents systèmes physiques en interaction, l'approche thermodynamique permet
une description phénoménologique du comportement des systèmes macroscopiques, dont la complexité, le trop grand nombre de particules qui les composent,
rend matériellement impossible - voir inutile - l'étude par le seul biais des lois de
la mécanique. Comme l'ont montrés les quelques exemples précédents (étude des
gaz réels, de la charge d'un condensateur ... ), son application dépasse largement
l'étude théorique du gaz parfait qui nous a servi de point de départ pour introduire
la notion de « grandeur physique moyenne » comme la température, la pression ...
L'un des apports les plus importants est celui du concept d'entropie qui permet de
définir le sens dans lequel évolue tout système isolé. En mécanique, on avait déjà
constaté que les systèmes simples évoluent toujours dans le sens qui minimise
l'énergie potentielle au bénéfice de l'énergie cinétique qui, elle, ne fait
qu'augmenter. En the1modynamique, cette loi est généralisée par le fait que tout
système complexe isolé n'évolue que dans le sens qui maximise son entropie !
C'est donc l'accroissement de l'entropie qui détermine la «flèche» du temps et
dont la valeur maximale définit l'équilibre final du système isolé !
Et pourtant, lorsqu'on laisse refroidir une tasse de café, son entropie diminue.
Mais, ceci n'est pas contradictoire avec ce que nous avons affirmé précédemment
car la diminution de l'entropie de la tasse, consécutive à son refroidissement, est
moins importante que l'augmentation de l'entropie de la pièce qui a absorbé cette
énergie calorifique à une température pratiquement constante et bien évidemment
inférieure à la température de la tasse. Alors, ceci veut dire que l'équilibre thermodynamique de la tasse de café dépend de son environnement et cet exemple
montre qu'il devient nécessaire de savoir caractériser l'équilibre de tout système
lorsqu'il est en contact avec le reste de l'univers. Comme nous allons le montrer
dans la suite, cette question se résout par le biais de « potentiels thermodynamiques » définis par les « sources extérieures » avec lesquelles un système ouvert J;
peut échanger des grandeurs extensives. Mais d'abord, commençons par définir ce
qu'est une « source » de grandeur extensive
- Définition d'une source de chaleur
On appelle source de chaleur un réservoir idéal, infiniment grand, et dont, par
conséquent, la température ne change pas, quelle que soit la quantité de chaleur
échangée entre ce réservoir et tout système mis en son contact. Par exemple