La thermodynamique en tant que branche indépendante de la science physique est née dans la première moitié du 19e siècle. L'âge des machines est arrivé. La révolution industrielle a nécessité l'étude et la compréhension des processus associés au fonctionnement des moteurs thermiques. A l'aube de l'ère des machines, les inventeurs solitaires ne pouvaient se permettre que d'utiliser l'intuition et la « méthode du poke ». Il n'y avait pas d'ordre public pour les découvertes et les inventions, il ne pouvait même pas venir à l'esprit de personne qu'elles pouvaient être utiles. Mais lorsque les machines thermiques (et un peu plus tard, électriques) sont devenues la base de la production, la situation a changé. Les scientifiques ont fini par démêler peu à peu la confusion terminologique qui régnait jusqu'au milieu du XIXe siècle, décidant comment appeler énergie, quelle force, quelle impulsion.
Ce que postule la thermodynamique
Commençons par la connaissance commune. La thermodynamique classique repose sur plusieurs postulats (principes) introduits successivement tout au long du XIXe siècle. Autrement dit, ces dispositions ne sont pasdémontrable en son sein. Ils ont été formulés à la suite de la généralisation de données empiriques.
La première loi est l'application de la loi de conservation de l'énergie à la description du comportement des systèmes macroscopiques (constitués d'un grand nombre de particules). Brièvement, elle peut être formulée comme suit: le stock d'énergie interne d'un système thermodynamique isolé reste toujours constant.
La signification de la deuxième loi de la thermodynamique est de déterminer la direction dans laquelle les processus se déroulent dans de tels systèmes.
La troisième loi vous permet de déterminer avec précision une quantité telle que l'entropie. Considérez-le plus en détail.
Le concept d'entropie
La formulation de la deuxième loi de la thermodynamique a été proposée en 1850 par Rudolf Clausius: "Il est impossible de transférer spontanément de la chaleur d'un corps moins chauffé à un corps plus chaud." En même temps, Clausius soulignait le mérite de Sadi Carnot, qui établissait dès 1824 que la proportion d'énergie pouvant être convertie en travail d'un moteur thermique ne dépendait que de la différence de température entre le radiateur et le réfrigérateur.
Dans le développement ultérieur de la deuxième loi de la thermodynamique, Clausius introduit le concept d'entropie - une mesure de la quantité d'énergie qui se transforme de manière irréversible en une forme impropre à la conversion en travail. Clausius a exprimé cette valeur par la formule dS=dQ/T, où dS détermine le changement d'entropie. Ici:
dQ - changement de chaleur;
T - température absolue (celle mesurée en Kelvin).
Un exemple simple: touchez le capot de votre voiture avec le moteur en marche. Il est clairementplus chaud que l'environnement. Mais le moteur de la voiture n'est pas conçu pour chauffer le capot ou l'eau du radiateur. En convertissant l'énergie chimique de l'essence en énergie thermique, puis en énergie mécanique, il effectue un travail utile - il fait tourner l'arbre. Mais la majeure partie de la chaleur produite est gaspillée, car aucun travail utile ne peut en être extrait, et ce qui sort du tuyau d'échappement n'est en aucun cas de l'essence. Dans ce cas, l'énergie thermique est perdue, mais ne disparaît pas, mais se dissipe (se dissipe). Une hotte chaude, bien sûr, se refroidit et chaque cycle de cylindres du moteur lui ajoute de la chaleur. Ainsi, le système tend à atteindre l'équilibre thermodynamique.
Caractéristiques de l'entropie
Clausius a dérivé le principe général de la deuxième loi de la thermodynamique dans la formule dS ≧ 0. Sa signification physique peut être définie comme la "non-diminution" de l'entropie: dans les processus réversibles, elle ne change pas, dans les processus irréversibles ça augmente.
Il convient de noter que tous les processus réels sont irréversibles. Le terme "non décroissant" reflète uniquement le fait qu'une version idéalisée théoriquement possible est également incluse dans la considération du phénomène. Autrement dit, la quantité d'énergie indisponible dans tout processus spontané augmente.
Possibilité d'atteindre le zéro absolu
Max Planck a apporté une contribution sérieuse au développement de la thermodynamique. En plus de travailler sur l'interprétation statistique de la deuxième loi, il a participé activement à la postulation de la troisième loi de la thermodynamique. La première formulation appartient à W alter Nernst et fait référence à 1906. Le théorème de Nernst considèrecomportement d'un système à l'équilibre à une température tendant vers le zéro absolu. Les première et deuxième lois de la thermodynamique rendent impossible de savoir quelle sera l'entropie dans des conditions données.
Quand T=0 K, l'énergie est nulle, les particules du système arrêtent le mouvement thermique chaotique et forment une structure ordonnée, un cristal avec une probabilité thermodynamique égale à un. Cela signifie que l'entropie disparaît également (nous verrons ci-dessous pourquoi cela se produit). En réalité, il le fait même un peu plus tôt, ce qui signifie que le refroidissement de tout système thermodynamique, de tout corps au zéro absolu est impossible. La température approchera arbitrairement ce point, mais ne l'atteindra pas.
Perpetuum mobile: non, même si vous le voulez vraiment
Clausius a généralisé et formulé les première et deuxième lois de la thermodynamique de cette manière: l'énergie totale de tout système fermé reste toujours constante et l'entropie totale augmente avec le temps.
La première partie de cette déclaration impose une interdiction sur la machine à mouvement perpétuel du premier type - un appareil qui fonctionne sans apport d'énergie provenant d'une source externe. La seconde partie interdit également les machines à mouvement perpétuel du second type. Une telle machine transférerait l'énergie du système en travail sans compensation d'entropie, sans violer la loi de conservation. Il serait possible de pomper la chaleur d'un système à l'équilibre, par exemple pour faire frire des œufs brouillés ou verser de l'acier grâce à l'énergie du mouvement thermique des molécules d'eau, le refroidissant ainsi.
Les deuxième et troisième lois de la thermodynamique interdisent une machine à mouvement perpétuel du second type.
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Mort par la chaleur
Il y a peu de concepts en science qui ont provoqué autant d'émotions ambiguës non seulement parmi le grand public, mais aussi parmi les scientifiques eux-mêmes, autant que l'entropie. Les physiciens, et en premier lieu Clausius lui-même, ont presque immédiatement extrapolé la loi de non-diminution, d'abord à la Terre, puis à l'Univers entier (pourquoi pas, car on peut aussi le considérer comme un système thermodynamique). En conséquence, une grandeur physique, un élément de calcul important dans de nombreuses applications techniques, a commencé à être perçue comme l'incarnation d'une sorte de Mal universel qui détruit un monde brillant et bienveillant.
Il y a aussi de telles opinions parmi les scientifiques: puisque, selon la deuxième loi de la thermodynamique, l'entropie croît de manière irréversible, tôt ou tard toute l'énergie de l'Univers se dégrade en une forme diffuse, et la "mort thermique" viendra. De quoi être heureux ? Clausius, par exemple, a hésité pendant plusieurs années à publier ses découvertes. Bien sûr, l'hypothèse de la "mort par la chaleur" a immédiatement suscité de nombreuses objections. Il existe de sérieux doutes quant à son exactitude, même maintenant.
Démon de trieur
En 1867, James Maxwell, l'un des auteurs de la théorie cinétique moléculaire des gaz, dans une expérience très visuelle (quoique fictive) a démontré le paradoxe apparent de la deuxième loi de la thermodynamique. L'expérience peut être résumée comme suit.
Qu'il y ait un récipient avec du gaz. Les molécules qu'il contient se déplacent de manière aléatoire, leurs vitesses sont de plusieursdiffèrent, mais l'énergie cinétique moyenne est la même dans tout le vaisseau. Maintenant, nous divisons le navire avec une cloison en deux parties isolées. La vitesse moyenne des molécules dans les deux moitiés du vaisseau restera la même. La cloison est gardée par un petit démon qui permet aux molécules "chaudes" plus rapides de pénétrer d'une part, et aux molécules "froides" plus lentes d'une autre. En conséquence, le gaz se réchauffera dans la première moitié et se refroidira dans la seconde moitié, c'est-à-dire que le système passera de l'état d'équilibre thermodynamique à une différence de potentiel de température, ce qui signifie une diminution de l'entropie.
Tout le problème est que dans l'expérience le système ne fait pas cette transition spontanément. Il reçoit de l'énergie de l'extérieur, grâce à laquelle la cloison s'ouvre et se ferme, ou le système comprend nécessairement un démon qui dépense son énergie pour les tâches d'un gardien. L'augmentation de l'entropie du démon couvrira plus que la diminution de son gaz.
Molécules indisciplinées
Prenez un verre d'eau et laissez-le sur la table. Il n'est pas nécessaire de regarder le verre, il suffit de revenir après un moment et de vérifier l'état de l'eau qu'il contient. Nous verrons que son nombre a diminué. Si vous laissez le verre pendant une longue période, aucune eau ne s'y trouvera, car tout s'évaporera. Au tout début du processus, toutes les molécules d'eau se trouvaient dans une certaine région de l'espace limitée par les parois du verre. À la fin de l'expérience, ils se sont dispersés dans toute la pièce. Dans le volume d'une pièce, les molécules ont beaucoup plus de possibilités de changer de place sans aucuneconséquences sur l'état du système. Il n'y a aucun moyen de les rassembler dans un "collectif" soudé et de les refouler dans un verre afin de boire de l'eau bénéfique pour la santé.
Cela signifie que le système a évolué vers un état d'entropie plus élevé. Basé sur la deuxième loi de la thermodynamique, l'entropie, ou le processus de dispersion des particules du système (dans ce cas, les molécules d'eau) est irréversible. Pourquoi est-ce ?
Clausius n'a pas répondu à cette question, et personne d'autre ne le pouvait avant Ludwig Boltzmann.
Macro et micro-états
En 1872, ce scientifique a introduit l'interprétation statistique de la deuxième loi de la thermodynamique dans la science. Après tout, les systèmes macroscopiques dont traite la thermodynamique sont formés d'un grand nombre d'éléments dont le comportement obéit à des lois statistiques.
Revenons aux molécules d'eau. Volant au hasard dans la pièce, ils peuvent prendre différentes positions, avoir des différences de vitesse (les molécules entrent constamment en collision les unes avec les autres et avec d'autres particules dans l'air). Chaque variante de l'état d'un système de molécules est appelée micro-état, et il existe un grand nombre de telles variantes. Lors de la mise en œuvre de la grande majorité des options, le macro-état du système ne changera en aucune façon.
Rien n'est interdit, mais quelque chose est hautement improbable
La célèbre relation S=k lnW relie le nombre de façons possibles d'exprimer un certain macro-état d'un système thermodynamique (W) avec son entropie S. La valeur de W est appelée la probabilité thermodynamique. La forme finale de cette formule a été donnée par Max Planck. Le coefficient k, une valeur extrêmement petite (1,38×10−23 J/K) qui caractérise la relation entre l'énergie et la température, Planck a appelé la constante de Boltzmann en l'honneur du scientifique qui fut le le premier à proposer une interprétation statistique du second le début de la thermodynamique.
Il est clair que W est toujours un nombre naturel 1, 2, 3, …N (il n'y a pas de nombre fractionnaire de voies). Alors le logarithme W, et donc l'entropie, ne peut pas être négatif. Avec le seul micro-état possible pour le système, l'entropie devient égale à zéro. Si nous revenons à notre verre, ce postulat peut être représenté comme suit: les molécules d'eau, se précipitant au hasard dans la pièce, sont retournées dans le verre. En même temps, chacun répétait exactement son chemin et prenait la même place dans le verre où il se trouvait avant le départ. Rien n'interdit la mise en œuvre de cette option, dans laquelle l'entropie est égale à zéro. Attendre simplement la mise en œuvre d'une probabilité aussi faible n'en vaut pas la peine. Ceci est un exemple de ce qui ne peut être fait que théoriquement.
Tout est mélangé dans la maison…
Ainsi, les molécules volent au hasard dans la pièce de différentes manières. Il n'y a pas de régularité dans leur disposition, il n'y a pas d'ordre dans le système, peu importe comment vous modifiez les options pour les micro-états, aucune structure intelligible ne peut être tracée. C'était la même chose dans le verre, mais en raison de l'espace limité, les molécules ne changeaient pas leur position aussi activement.
L'état chaotique et désordonné du système comme le plusle probable correspond à son entropie maximale. L'eau dans un verre est un exemple d'état d'entropie plus faible. La transition vers celui-ci depuis le chaos uniformément réparti dans toute la pièce est presque impossible.
Donnons un exemple plus compréhensible pour nous tous - nettoyer le désordre dans la maison. Pour remettre chaque chose à sa place, il faut aussi dépenser de l'énergie. Au cours de ce travail, nous devenons chauds (c'est-à-dire que nous ne gelons pas). Il s'avère que l'entropie peut être utile. C'est le cas. On peut dire encore plus: l'entropie, et à travers elle la deuxième loi de la thermodynamique (avec l'énergie) gouvernent l'univers. Jetons un autre regard sur les processus réversibles. Voici à quoi ressemblerait le monde s'il n'y avait pas d'entropie: pas de développement, pas de galaxies, d'étoiles, de planètes. Pas de vie…
Un peu plus d'informations sur la "mort par la chaleur". Il y a de bonnes nouvelles. Étant donné que, selon la théorie statistique, les processus "interdits" sont en fait peu probables, des fluctuations surviennent dans un système d'équilibre thermodynamique - des violations spontanées de la deuxième loi de la thermodynamique. Ils peuvent être arbitrairement grands. Lorsque la gravité est incluse dans le système thermodynamique, la distribution des particules ne sera plus chaotiquement uniforme et l'état d'entropie maximale ne sera pas atteint. De plus, l'Univers n'est pas immuable, constant, stationnaire. Par conséquent, la formulation même de la question de la "mort par la chaleur" n'a aucun sens.
