Le second principe et l'entropie

Le premier principe autorise énormément de transformations qui, pourtant, ne se produisent jamais dans la nature : rien ne t'empêche, sur le papier, qu'une tasse de café refroidi se réchauffe spontanément en prélevant de la chaleur à l'air ambiant, tout en respectant la conservation de l'énergie. Pourtant, cela n'arrive jamais. Il manque une règle qui fixe le sens des transformations : c'est le second principe.

Ce principe introduit une nouvelle fonction d'état, l'entropie, notée S, qui mesure le désordre microscopique d'un système. Pour un système isolé, l'entropie ne peut qu'augmenter ou rester constante au cours du temps : Delta S est toujours superieur ou egal a zero. Elle augmente strictement lors d'une transformation irréversible (comme un mélange, une diffusion, un frottement) et reste constante lors d'une transformation réversible idéale, une limite théorique jamais atteinte exactement dans la réalité.

Cette loi donne une flèche du temps à la physique : contrairement aux lois de Newton, parfaitement réversibles dans le temps, le second principe distingue le passé du futur. Un glaçon fond dans l'eau tiède et jamais l'inverse ne se produit spontanément ; un gaz se répand dans tout le volume disponible et ne se recomprime jamais tout seul dans un coin.

Idée reçue à corriger : l'entropie d'un système particulier peut diminuer, un réfrigérateur refroidit bien son contenu, mais alors l'entropie de l'univers entier, système plus extérieur, augmente forcément davantage ailleurs. C'est le bilan total qui ne peut jamais diminuer.

Le diagramme pression-volume ci-dessous illustre un cycle de Carnot, la référence théorique des machines réversibles : deux transformations isothermes et deux transformations adiabatiques s'enchaînent pour ramener le système à son état de départ, sans variation nette d'entropie sur un cycle complet.

P
^
6 |A
5 |    ___B
4 |        |
3 |        |___C
2 |D___
1 |    |_______|
  +--------------------------> V
       1   2   3   4   5   6

A -> B : (isotherme chaude, a Tc : expansion)
B -> C : (adiabatique : expansion, refroidissement)
C -> D : (isotherme froide, a Tf : compression)
D -> A : (adiabatique : compression, rechauffement)

Cycle parcouru dans le sens horaire = (cycle moteur, type Carnot)
Aire fermee du cycle = W (travail net fourni par cycle)