18
Roger BALIAN
L’entropie S d’un matériau dépend de son énergie interne, ainsi que de toutes les
autres grandeurs extensives qui caractérisent son état macroscopique. Par exemple, c’est pour un fluide une fonction de l’énergie, du nombre de molécules et du
volume. De même que le nombre W de configurations microscopiques, S croît avec
l’énergie et avec le volume.
IRRÉVERSIBILITÉ, DISSIPATION D’ENTROPIE ET DÉGRADATION DE L’ÉNERGIE
Le deuxième principe implique que les processus pouvant survenir dans un système isolé sont en général irréversibles : lorsqu’un certain processus est autorisé,
le processus inverse est interdit. Comme le premier principe, le deuxième exprime
une limitation de ce que permet la nature. Les processus réversibles, pour lesquels
l’entropie reste constante au cours du temps, sont des cas limites, autorisés mais
exceptionnels en pratique. Le degré d’irréversibilité d’une transformation d’un système isolé peut être caractérisé par la dissipation, que nous définissons pour plus
de généralité comme l’augmentation de son entropie.
Les transformations où l’énergie change de forme doivent en particulier faire croître
l’entropie globale (ou éventuellement la laisser constante). Or, l’effet JOULE convertit intégralement une énergie électrique en chaleur ; les frottements ou la viscosité
convertissent intégralement une énergie cinétique en chaleur. De telles transformations d’énergie électrique ou mécanique en énergie interne sont irréversibles et
dissipatives : l’entropie augmente lorsque le système reçoit de la chaleur, parce
qu’elle est une fonction croissante de l’énergie interne, alors qu’elle ne dépend
pratiquement pas des variables électriques ou mécaniques macroscopiques. Pour
cette même raison, les conversions entre une forme ou une autre d’énergie électrique ou mécanique sont des phénomènes réversibles (ou presque) : oscillation
d’un ressort ou d’un pendule, auquel cas l’énergie cinétique et l’énergie potentielle (élastique ou de gravité) s’échangent, fonctionnement d’un alternateur ou d’un
moteur électrique (où l’effet JOULE est faible). De ces observations émerge une
nouvelle classification des diverses formes d’énergie. La transformation d’énergie électrique ou mécanique en chaleur apparaît comme une dégradation, car à
l’inverse une transformation intégrale de chaleur en énergie électrique ou mécanique est impossible. La chaleur est une forme dégradée d’énergie, les énergies
mécaniques et l’énergie électrique sont des formes nobles, équivalentes en ce
sens qu’elles peuvent s’échanger de façon réversible.
A l’échelle microscopique, cette distinction traduit un caractère plus ou moins
désordonné de chaque forme d’énergie. La chaleur s’interprète à cette échelle
comme l’énergie cinétique désordonnée, inaccessible à l’observation macroscopique, des particules (molécules pour un fluide, électrons pour un métal). Mais si
celles-ci ont un mouvement collectif global, avec une vitesse de dérive d’ensemble
qui se superpose aux mouvements désordonnés, isotropes en moyenne, ce mouvement collectif s’observe à notre échelle comme un courant hydrodynamique ou
un courant électrique, auquel est associée une énergie ordonnée.
Roger BALIAN
L’entropie S d’un matériau dépend de son énergie interne, ainsi que de toutes les
autres grandeurs extensives qui caractérisent son état macroscopique. Par exemple, c’est pour un fluide une fonction de l’énergie, du nombre de molécules et du
volume. De même que le nombre W de configurations microscopiques, S croît avec
l’énergie et avec le volume.
IRRÉVERSIBILITÉ, DISSIPATION D’ENTROPIE ET DÉGRADATION DE L’ÉNERGIE
Le deuxième principe implique que les processus pouvant survenir dans un système isolé sont en général irréversibles : lorsqu’un certain processus est autorisé,
le processus inverse est interdit. Comme le premier principe, le deuxième exprime
une limitation de ce que permet la nature. Les processus réversibles, pour lesquels
l’entropie reste constante au cours du temps, sont des cas limites, autorisés mais
exceptionnels en pratique. Le degré d’irréversibilité d’une transformation d’un système isolé peut être caractérisé par la dissipation, que nous définissons pour plus
de généralité comme l’augmentation de son entropie.
Les transformations où l’énergie change de forme doivent en particulier faire croître
l’entropie globale (ou éventuellement la laisser constante). Or, l’effet JOULE convertit intégralement une énergie électrique en chaleur ; les frottements ou la viscosité
convertissent intégralement une énergie cinétique en chaleur. De telles transformations d’énergie électrique ou mécanique en énergie interne sont irréversibles et
dissipatives : l’entropie augmente lorsque le système reçoit de la chaleur, parce
qu’elle est une fonction croissante de l’énergie interne, alors qu’elle ne dépend
pratiquement pas des variables électriques ou mécaniques macroscopiques. Pour
cette même raison, les conversions entre une forme ou une autre d’énergie électrique ou mécanique sont des phénomènes réversibles (ou presque) : oscillation
d’un ressort ou d’un pendule, auquel cas l’énergie cinétique et l’énergie potentielle (élastique ou de gravité) s’échangent, fonctionnement d’un alternateur ou d’un
moteur électrique (où l’effet JOULE est faible). De ces observations émerge une
nouvelle classification des diverses formes d’énergie. La transformation d’énergie électrique ou mécanique en chaleur apparaît comme une dégradation, car à
l’inverse une transformation intégrale de chaleur en énergie électrique ou mécanique est impossible. La chaleur est une forme dégradée d’énergie, les énergies
mécaniques et l’énergie électrique sont des formes nobles, équivalentes en ce
sens qu’elles peuvent s’échanger de façon réversible.
A l’échelle microscopique, cette distinction traduit un caractère plus ou moins
désordonné de chaque forme d’énergie. La chaleur s’interprète à cette échelle
comme l’énergie cinétique désordonnée, inaccessible à l’observation macroscopique, des particules (molécules pour un fluide, électrons pour un métal). Mais si
celles-ci ont un mouvement collectif global, avec une vitesse de dérive d’ensemble
qui se superpose aux mouvements désordonnés, isotropes en moyenne, ce mouvement collectif s’observe à notre échelle comme un courant hydrodynamique ou
un courant électrique, auquel est associée une énergie ordonnée.