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Deuxième loi de la thermodynamique

1850
  • Sadi Carnot
  • Rudolf Clausius
  • William Thomson (Lord Kelvin)
Ingénieurs concevant un moteur thermique efficace dans un laboratoire, illustrant les applications de la thermodynamique.

(Image générée à titre d'illustration uniquement)

La deuxième loi de la thermodynamique introduit le concept d'entropie et définit le sens des processus spontanés. Elle peut être formulée de différentes manières, mais une conséquence essentielle est que l'entropie totale d'un système isolé ne peut jamais diminuer au cours du temps. Cette loi explique la « flèche du temps » et l'irréversibilité de certains processus, comme le transfert spontané de chaleur d'un corps chaud vers un corps froid.

La deuxième loi de la thermodynamique est l'un des principes les plus fondamentaux de la science. L'une de ses premières formulations est l'énoncé de Clausius : « La chaleur ne peut jamais passer d'un corps froid à un corps chaud sans qu'un autre changement, lié à ce transfert, ne se produise simultanément. » Une autre est l'énoncé de Kelvin-Planck : « Il est impossible de concevoir un dispositif fonctionnant cycliquement, dont le seul effet serait d'absorber de l'énergie sous forme de chaleur à partir d'une unique source thermique et de fournir une quantité de travail équivalente. » Ces deux énoncés interdisent les machines à mouvement perpétuel de seconde espèce.

La nouveauté de cette loi résidait dans l'introduction de l'irréversibilité en physique fondamentale. Première loi traite avec économie d'énergieLa deuxième loi de la thermodynamique traite de la qualité de l'énergie et de sa dégradation inévitable en formes moins utiles (chaleur perdue). Ludwig Boltzmann en a ensuite donné une interprétation statistique, définissant l'entropie (S) comme une mesure du nombre d'arrangements microscopiques possibles (micro-états) correspondant à l'état macroscopique observé d'un système. La formule S = kB ln W relie l'entropie à la probabilité statistique, expliquant que les systèmes tendent à évoluer vers leur état le plus probable (entropie maximale).

UNESCO Nomenclature: 2212
Thermodynamique, physique statistique et matière condensée

Taper

Système abstrait

Perturbation

Révolutionnaire

Usage

Utilisation généralisée

Précurseurs

  • Les travaux de Sadi Carnot sur la force motrice du feu et la chaleur idéale cycle moteur
  • observations de l'inefficacité inhérente des machines à vapeur
  • la compréhension intuitive que la chaleur ne circule pas spontanément du froid vers le chaud
  • développement de la théorie des probabilités et des statistiques par Laplace et autres

Applications

  • conception de moteurs thermiques et de réfrigérateurs performants (efficacité Carnot)
  • génie chimique pour prédire la spontanéité des réactions
  • théorie de l'information, où l'entropie de Shannon est une mesure du contenu informationnel
  • cosmologie (l'hypothèse de la « mort thermique de l'univers »)
  • science des matériaux pour comprendre le désordre et les transitions de phase

Brevets:

NA

Idées d'innovations potentielles

  • entropy-driven self-assembling nanomaterials for electronics
  • moteurs d'information qui convertissent l'information en travail à l'échelle microscopique
  • algorithmes d'optimisation des réseaux énergétiques en minimisant la production d'entropie
  • ‘time-reversal’ data processing to correct errors in quantum computing by locally reducing entropy
  • matériaux biomimétiques dotés de capacités d'auto-guérison pilotées par des gradients locaux de réduction d'entropie
  • procédés de dessalement avancés utilisant un apport énergétique minimal en gérant soigneusement les changements d'entropie
  • logiciel de prédiction du repliement des protéines basé sur les principes de minimisation de l'énergie libre et de l'entropie
  • cryogénique cooling systems that approach the theoretical carnot efficiency limit
  • analyse basée sur l'entropie pour la volatilité des marchés financiers et la prévision des krachs
  • procédés de recyclage des déchets qui trient les matériaux en fonction de leurs signatures entropiques à l'aide de la spectroscopie
En lien avec : deuxième loi, entropie, irréversibilité, flèche du temps, machine thermique, énoncé de Clausius, énoncé de Kelvin-Planck, désordre, mécanique statistique, spontanéité.

Contexte historique

Deuxième loi de la thermodynamique

1845
1850
1850
1850
1850
1850
1851
1842
1847
1850
1850
1850
1850
1850
1851

(si la date est inconnue ou non pertinente, par exemple « mécanique des fluides », une estimation arrondie de son émergence notable est fournie)

10e année anniversaire

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