Thread by @gro_tsen

Bon, puisqu'on fait semblant de croire que le tweet sous-cité se veut pédagogique et que je suis incapable d'expliquer quelque chose clairement, voici une tentative de raconter les bases fondamentales de la thermodynamique à tout le monde, en un fil pas hyper long: 🧵⤵️ •1/24

https://twitter.com/gro_tsen/status/1531743410817728512

‣ Le PREMIER principe de la thermodynamique affirme qu'il y a un concept appelé «énergie», qu'on ne peut ni créer, ni détruire, mais seulement déplacer et transformer. L'énergie se conserve, donc: s'il y en a qui apparaît qq part, c'est forcément qu'elle vient d'ailleurs. •2/24

Un moteur, par exemple, transforme de l'énergie électrique en énergie mécanique. Une pile, de l'énergie chimique (stockée dans la pile) en énergie électrique. Mais par exemple si on freine une voiture, où part l'énergie? Elle se transforme en chaleur dans les freins. •3/24

(NB: la chaleur n'est pas la même chose que la température. En général, quand on apporte de la chaleur à un objet, sa température augmente, mais pas toujours: de la glace fondante reste à 0°C quand on la chauffe, c'est juste que plus de glace se transforme en eau.) •4/24

La chaleur est la forme la moins utilisable de l'énergie, et la raison pour ça réside dans le SECOND principe, qui affirme l'existence d'un autre concept, l'«entropie», dont le transfert accompagne toujours celui de la chaleur et vice versa. •5/24

(Note: on vulgarise souvent l'entropie en parlant de «désordre». Au niveau moléculaire, certes, mais une chambre mal rangée n'a pas significativement plus d'entropie qu'une chambre bien rangée! C'est une quantité physique précise, pas un jugement esthétique.) •6/24

‣ Le SECOND principe affirme que l'entropie peut se déplacer, elle s'échange en même temps que la chaleur selon une formule simple, et elle peut se créer, mais ne peut jamais être détruite. ❧ Ceci formalise l'idée que toute énergie tend à devenir chaleur. •7/24

Spécifiquement: si vous avez une source de chaleur et que vous espérez prendre cette énergie pour la transformer en quelque chose de plus utile (p.ex., de l'énergie mécanique), vous devez forcément prendre de l'entropie en même temps, et il faudra bien la mettre qq part. •8/24

Insistons: puisque détruire de l'entropie est impossible, la seule façon de s'en débarrasser est de la mettre ailleurs, et comme son échange accompagne forcément un échange de chaleur, en ce faisant on évacue de la chaleur DONC de l'énergie (perdue). •9/24

Alors SI la chaleur et l'entropie étaient exactement la même chose, ça dirait qu'il n'y a aucune façon de rien faire avec la chaleur: on ne pourrait que créer de la chaleur et jamais en faire autre chose. Mais heureusement, les choses sont un peu moins graves que ça! •10/24

Ce qui nous sauve (un peu), c'est que ✱PLUS un objet est froid (température basse), PLUS on peut faire passer d'entropie dans cet objet pour une MÊME quantité de chaleur✱. (Donc, un objet très froid, on peut lui fournir de l'entropie sans gâcher TROP d'énergie.) •11/24

(COMPLÉMENT avec formule: c'est cette idée que détaille la formule précise du second principe, découverte par Rudolf Clausius: ΔS = ΔQ / T, où ΔQ est la quantité d'énergie échangée sous forme de chaleur, ΔS la quantité d'entropie, et T la température absolue, … •12/24

… c-à-d mesurée par rapport au zéro absolu. Donc plus T est faible, plus une même quantité ΔS d'entropie peut s'échanger en accompagnant une quantité d'énergie ΔQ faible. Ici, ΔQ se mesure en joules, T en kelvins, et donc l'entropie en joules par kelvin. FIN COMPLÉMENT) •13/24

Le principe théorique fondamental d'un moteur à chaleur, c'est donc le suivant: on a besoin de DEUX sources, une «source chaude» qui fournit l'énergie sous forme de chaleur, et une «source froide» vers laquelle on évacue l'entropie; … •14/24

… on prend de l'énergie de la source chaude sous forme de chaleur, il y a forcément de l'entropie qui l'accompagne, on évacue idéalement la même entropie vers la source froide, forcément en lui cédant de la chaleur, mais MOINS parce que sa température est plus FAIBLE, … •15/24

… et la différence entre la quantité d'énergie prise à la source chaude et évacuée à la source froide va pouvoir devenir de l'énergie utilisable (mécanique, électrique, etc.). On NE PEUT PAS extraire de l'énergie juste du chaud, il faut AUSSI la source froide. •16/24

(COMPLÉMENT: si la source chaude est à température T₁ et la froide à T₂<T₁, pour chaque ΔQ pris à la chaude, on transfère ΔQ/T₁ d'entropie, donc ΔQ·T₂/T₁ d'énergie vers la froide, et il reste ΔQ·(1−T₂/T₁) utilisables, d'où un «rendement» maximal de 1 − T₂/T₁.)
•17/24

On peut de même comprendre la différence entre un chauffage simple (radiateur électrique, p.ex.) et une pompe à chaleur: un chauffage simple convertit directement de l'énergie (électrique) en chaleur, en CRÉANT de l'entropie: ça c'est autorisé (mais inefficace)! •18/24

Une pompe à chaleur cherche à créer le moins d'entropie possible (idéalement, pas du tout): on prend chaleur et entropie de l'air extérieur, et on met cette même entropie dans la pièce; mais comme l'air extérieur est plus froid, … •19/24

… cette même quantité d'entropie prise à l'air extérieur et injectée dans la pièce doit accompagner une quantité plus importante de chaleur, donc il faut fournir de l'énergie pour pouvoir transférer la chaleur (du froid vers le chaud). •20/24

Enfin, sur un frigo (ou une clim): le PREMIER principe dit que pour refroidir quelque chose il faut forcément prendre de énergie pour la mettre ailleurs, et le SECOND principe dit qu'en prenant cette chaleur, on va lui prendre de l'entropie, … •21/24

… qu'il faudra bien mettre ailleurs, et comme on va la mettre dans un endroit plus chaud, il faudra fournir plus de chaleur pour évacuer la même quantité d'entropie, donc apporter de l'énergie: donc un frigo ne peut pas fonctionner sans apport d'énergie extérieure. •22/24

❦ Voilà, fin des explications. (J'en avais fait une variante sur mon blog autrefois: madore.org/~david/weblog/…‌.) J'ai vraiment du mal à accepter l'idée que ce que je viens de dire soit si compliqué qu'on ne puisse pas l'enseigner au lycée, ou, en simplifié, au collège. •23/24

Sans doute qu'on peut améliorer ma présentation, mais je reste persuadé que:
⁃ c'est vraiment des idées qu'on peut expliquer à tout le monde (en <qqs heures),
⁃ et c'est un des concepts scientifiques les plus fondamentaux et importants à diffuser, surtout de nos jours.
•24/24