Définition de l'entropie | ||||
Qu'est-ce que l'entropie ? | Mise à jour 01 juin 2013 | |||
L'entropie est liée aux notions d'ordre et de désordre microscopique et plus précisément à la transition d'un état désordonné vers un état encore plus désordonné. Un état est d'autant plus désordonné qu'il peut prendre un plus grand nombre d'états microscopiques différents. L'entropie est donc une grandeur thermodynamique augmentant avec le nombre d'états microscopiques d'un système. La dégradation, l'incertitude, le désordre font partie du concept d'entropie. En d'autres termes, avec le temps tout système doit se dérégler, les choses ordonnées se désorganisent globalement. L'entropie, du grec 'retour en arrière', est une fonction thermodynamique. En thermodynamique, l'entropie est une fonction d'état (pression, température, volume, quantité de matière...), introduite au milieu du XIXe siècle par Rudolf Julius Emmanuel Clausius (1822-1888) dans le cadre du second principe, d'après les travaux de Nicolas Léonard Sadi Carnot. Clausius introduisit cette grandeur afin de caractériser mathématiquement l'irréversibilité de processus physiques tels qu'une transformation de travail en chaleur. Il a montré que le rapport Q/T (où Q est la quantité de chaleur échangée par un système à la température T) correspond, en thermodynamique classique, à la variation d'une fonction d’état qu'il a appelée en 1965 'entropie' (S) et dont l'unité est le joule par kelvin (J/K). L'unité d’entropie, le Joule par Kelvin correspond à la quantité d’entropie gagnée par un système qui reçoit 1 Joule de chaleur par Kelvin. | Projetée dans une turbine, l'eau d'un barrage transforme son énergie gravitationnelle en énergie électrique, plus tard, on en fera un mouvement dans un moteur électrique ou de la chaleur dans un radiateur. Tout au long de ces transformations, l'énergie se dégrade, en d'autres termes, son entropie augmente. Une tasse qui se casse ne revient jamais en arrière, un organisme qui meurt ne revivra plus. Ce qui veut dire que la dégradation augmente. L'entropie totale d'un système doit toujours augmenter, son désordre doit toujours croitre, c’est cela le deuxième principe de la thermodynamique. | Image : Les fichiers d'un disque dur sont aussi une manifestation de l'entropie, ils ne retrouveront jamais l'ordre du départ. Entropie, incertitude, désordre, dégradation font partie du même concept. | ||
Entropie ou désordre | ||||
La thermodynamique statistique a ensuite fourni une nouvelle orientation à cette grandeur physique abstraite. L'entropie va mesurer le degré de désordre d'un système au niveau microscopique. Plus l'entropie du système est élevée, moins ses éléments sont ordonnés, liés entre eux, capables de produire des effets mécaniques, et plus grande est la part de l'énergie inutilisée ou utilisée de façon incohérente. | Dans cet exemple le nombre de configurations microscopiques (donc l'entropie) est bien une mesure du désordre. Si cette notion de désordre est souvent subjective, le nombre Ω de configurations est lui, objectif puisque c’est un nombre. | Image : La possibilité de trouver toutes les molécules du même coté du récipient de manière à laisser la moitié du volume vide, est faible par rapport aux possibilités immensément plus grandes pour lesquelles les molécules sont uniformément réparties dans tout le volume. Ainsi l'équilibre d'un système thermodynamique se produit quand son entropie a la valeur maximale. L'entropie est définie par la formule de Boltzmann, S = k log W. | ||
Exemples d'entropie | ||||
Les deux expressions de l'entropie résultent simplement de deux points de vue différents, selon que l'on considère le système thermodynamique au niveau macroscopique ou au niveau microscopique. La difficulté à donner une définition intuitive de l’entropie d’un système vient du fait qu’elle ne se conserve pas. Elle peut augmenter spontanément lors d’une transformation irréversible. Les transformations réelles (ou transformations naturelles) sont irréversibles à cause de phénomènes dissipatifs. Le système ne peut jamais spontanément revenir en arrière. En effet, selon le second principe de la thermodynamique, l’entropie d’un système isolé ne peut pas diminuer, elle augmente ou elle reste constante si la transformation est réversible. La matière est formée de particules (molécules, atomes, électrons...) en perpétuel mouvement (agitation thermique) exerçant les unes sur les autres une interaction dont l'intensité décroit lorsque leur distance mutuelle augmente. Dans un gaz cette distance est relativement grande, les interactions sont donc faibles, de sorte que les particules sont libres de se déplacer dans tout le volume qui leur est offert, mais subissent de nombreuses collisions au cours desquelles leur énergie varie. | Dans un liquide les distances mutuelles sont plus petites et les molécules sont moins libres. Dans un solide chaque molécule est liée élastiquement à ses voisines et vibre autour d'une position moyenne fixe. L'énergie de chaque particule est aléatoire. | Image : Au centre de notre galaxie, connue sous le nom de Zone Moléculaire Centrale, il y a un trou noir. Dans un trou noir l'entropie est maximale. crédit image: A. Ginsburg et al., équipe BGPS, équipe GLIMPSE II. |