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Les erreurs du bon sens en thermodynamique

samedi 17 décembre 2016, par Robert Paris

Les erreurs du bon sens en thermodynamique

L’idée intuitive que se font la plupart des gens sur la chaleur, sur la température et sur les autres manifestations de la thermodynamique sont fréquemment erronées.

La chaleur est une forme de l’énergie mais cela ne nous éclaire guère puisque Richard Feynman, qui fût prix Nobel de physique, et qui est connu aussi par ses ouvrages de physique affirme dans le Tome 1 de son cours de Mécanique :

« Il est important de réaliser que dans la physique d’aujourd’hui, nous n’avons aucune connaissance de ce qu’est l’énergie ».

Cela répond à tous ceux qui croient que l’on sait tout en physique et qu’il n’y a plus rien à découvrir !

On peut cependant dire que l’énergie est un concept créé pour quantifier les interactions entre des phénomènes très différents ; c’est un peu une monnaie d’échange commune entre les phénomènes physiques. Ces échanges sont contrôlés par les lois et principes de la thermodynamique.

Les différentes « formes » de l’énergie dépendent du niveau d’organisation de la matière où elles agissent. Ainsi, la chaleur est déterminée par le mouvement des molécules à l’intérieur de la matière. On appellera cela aussi de l’énergie thermique. L’énergie électrique sera, elle, le mouvement des particules chargées, essentiellement des électrons. L’énergie nucléaire dépendra de la transformation (fusion ou fission) des noyaux des atomes. L’énergie mécanique dépendra des mouvements de la matière, au niveau macroscopique. L’énergie peut passer d’une forme à une autre.

Aux divers niveaux d’organisation correspondent des énergies différentes en qualité et pas seulement en quantité. Il y a des formes d’énergie qui concernent le niveau microscopique et d’autres le niveau macroscopique.

A certains niveaux, les transferts de chaleur restent incompris : par exemple au niveau nanométrique

L’existence de cette agitation de la matière à toutes les échelles, agitation qui ne s’annule jamais, provient de l’agitation du vide quantique, premier niveau qui entretient l’énergie de tous les niveaux de la matière.

L’énergie est reliée aux questions ordre/désordre à chaque échelle de la matière et du vide quantique. C’est la manifestation du caractère dialectique de la structure de l’univers : chaque ordre suppose un désordre aussi bien par rapport au niveau immédiatement inférieur que supérieur au sien. Tout niveau d’organisation peut être agité jusqu’au seuil où la structure casse, relâchant de l’énergie.

Un transfert d’énergie ne nécessite pas un transfert de matière. Ainsi, la chaleur ne doit pas être confondue avec un fluide, comme Einstein l’expose ici ;

La chaleur est-elle une substance ?

Les concepts les plus fondamentaux dans la description des phénomènes de la chaleur sont ceux de « température » et de « chaleur ». Il fallut un temps incroyablement long dans l’histoire de la science pour établir une distinction entre ces deux concepts, mais une fois cette distinction faite, des progrès rapides en furent le résultat. Bien que ces concepts soient maintenant familiers à chacun, nous voulons les examiner de plus près, en faisant ressortir les différences qui existent entre eux.

Notre sens du toucher nous dit de manière déterminée que tel corps est chaud et tel autre froid. Mais ceci est un critère purement qualitatif, insuffisant pour une description quantitative, et parfois même ambigu. On peut le montrer par une expérience bien connue. Supposons trois vases contenant respectivement de l’eau froide, tiède et chaude. Si nous plongeons une main dans l’eau froide et l’autre dans l’eau chaude, nous recevons de la première le message qu’elle est froide et de la seconde qu’elle est chaude. Si ensuite nous plongeons les deux mains dans la même eau tiède, nous recevons de chaque main se contredisent. Pour la même raison, un Esquimau et un natif de quelque pays équatorial se rencontrant à New York un jour de printemps émettront des opinions différentes sur le climat ; l’un dira qu’il est chaud, l’autre qu’il est froid. Nous réglons toutes ces questions par l’emploi d’un thermomètre, un instrument qui, sous sa forme primitive, fut construit par Galilée. Ici, également surgit ce nom familier ! L’emploi du thermomètre est basé sur quelques suppositions physiques évidentes. Nous allons les rappeler en citant quelques lignes des conférences faites par Black il y a environ cent cinquante ans ; il a beaucoup contribué à éclaircir les difficultés qui sont liées aux deux concepts de chaleur et de température.

« En nous servant de cet instrument nous avons appris que si nous prenons mille espèces différentes de matières ou plus, telles que des métaux, des pierres, des sels, du bois, des plumes, de la laine, de l’eau et divers autres fluides, qui possèdent des « chaleurs » différentes, et les plaçons dans la même pièce non chauffée et où le soleil ne pénètre pas, les plus chauds de ces corps communiqueront leur chaleur aux plus froids, pendant quelques heures peut-être ou une journée ; si au bout de ce temps nous appliquons le thermomètre successivement à chacun d’entre eux, il marquera exactement le même degré. »

Les mots « chaleurs » doivent, conformément à la nomenclature d’aujourd’hui, être remplacés par « températures ».

Un médcin qui retire le thermomètre de la bouche d’un malade pourrait raisonner ainsi : « Le thermomètre indique sa propre température par la hauteur de la colonne de mercure. Nous supposons que la hauteur de la colonne de mercure augmente proportionnellement à l’élévation de la température. Mais le thermomètre était pendant quelques minutes en contact avec mon patient, de sorte que le patient et le thermomètre ont la même température. J’en conclus, par conséquent, que la température de mon patient est celle qu’indique le thermomètre. » Il est probable que le médecin agit machinalement, mais il applique les principes physiques sans y penser.

Mais le thermomètre contient-il la même quantité de chaleur que le corps du malade ? Certainement non. Supposez que deux corps possèdent des quantités de chaleur égales parce que leurs températures sont égales, ce serait, remarque Black « prendre une vue trop rapide du sujet. C’est confondre la quantité de chaleur dans des corps différents avec sa force ou son intensité générale, bien qu’il soit manifeste que ce sont là deux choses différentes, qui devraient toujours être distinguées quand nous réfléchissons sur la distribution de la chaleur. »

On arrive à comprendre cette distinction en faisant une expérience très simple. Un litre d’eau chauffée avec un brûleur à gaz met quelque temps pour passer de la température de la pièce au point d’ébullition. Un temps plus long est nécessaire pour chauffer douze litres d’eau dans le même vase et avec le même brûleur à gaz. Nous interprétons ce fait en disant que maintenant ce « quelque chose » de plus est nécessaire, et nous appelons ce « quelque chose » chaleur.

Un autre concept important, la « chaleur spécifique », est obtenu en poursuivant cette expérience : versons dans un vase un litre d’eau et dans un autre un litre de mercure et chauffons-les de la même manière. Le mercure s’échauffe beaucoup plus rapidement que l’eau, ce qui montre que beaucoup moins de chaleur est nécessaire pour élever sa température d’un degré. En général, différentes quantités de « chaleur » sont nécessaires pour élever d’un degré les températures de différentes substances, telles que l’eau, le mercure, le fer, le cuivre, le bois, etc., supposé que toutes soient de masse égale. Nous disons que chaque substance a une « capacité calorifique » individuelle ou une « chaleur spécifique ».

Une fois que nous avons obtenu le concept de chaleur, nous pouvons étudier sa nature de plus près. Prenons deux corps, l’un chaud, l’autre froid, ou, pour parler plus précisément, l’un étant à une température plus élevée que l’autre. Mettons-les en contact et libérons-les de toutes les influences extérieures. Nous savons qu’ils finiront par être à la même température. Mais comment cela se produit-il ? Que se passe-t-il entre l’instant où ils sont mis en contact et celui où ils sont à la même température ? L’image de la chaleur « s’écoulant d’un corps à l’autre se présente d’elle-même, semblable à l’eau qui s’écoule d’un niveau supérieur à un niveau inférieur.

L’image, bien que primitive, semble convenir à beaucoup de faits, de sorte que l’analogie se présente ainsi :

Eau – Chaleur

Niveau supérieur – Température élevée

Niveau inférieur – Température basse

L’écoulement a lieu jusqu’à ce que les deux niveaux, c’est-à-dire les deux températures, soient égales. Cette vue naïve peut être rendue plus utile par des considérations quantitatives. Si des masses déterminées d’eau et d’alcool, dont chacune est à une température définie, sont mélangées ensemble, la connaissance de leurs chaleurs spécifiques permet de prédire la température finale et un peu d’algèbre nous permet de trouver le rapport entre les deux chaleurs spécifiques.

Le concept de chaleur qui se présente ici a une resemblance avec d’autres concepts physiques. La chaleur, d’après notre conception, est une substance, comme la masse en mécanique. Sa quantité peut varier ou ne pas varier, comme la monnaie qu’on met de côté dans un coffre-fort ou qu’on dépense. La somme d’argent dans un coffre-fort reste intacte aussi longtemps qu’il reste fermé, et il en sera de même de la quantité de masse et de chaleur dans un corps isolé. Une bouteille isolante idéale ressemble à un tel coffre-fort. En outre, de même que la masse d’un système isolé reste invariable, même si une transformation chimique s’y produit, de même la chaleur se conserve, même si elle s’écoule d’un corps à un autre. Et même si la chaleur n’est pas employée pour élever la température d’un corps, mais pour fondre la glace ou transformer l’eau en vapeur, nous pouvons encore la concevoir comme une substance et la récupérer entièrement en faisant revenir l’eau à l’état de glace et la vapeur à l’tat d’eau.

Les vieux termes de chaleur latente de fusion ou de vaporisation indiquent que ces concepts sont itrés de la conception de la chaleur comme substance. La chaleur latente est temporairement cachée, comme l’argent mis dans un coffre-fort, mais qui peut être utilisée si l’on connaît le mécanisme de la serrure.

Mais la chaleur n’est certainement pas une substance dans le même sens que la masse. Celle-ci peut être mise en évidence au moyen de la balance, mais en est-il de même de la chaleur ? Un morceau de fer chauffé au rouge pèse-t-il plus que quand il est à la température de la glace ? L’expérience montre qu’il n’en est pas ainsi. Si la chaleur est une substance, elle est sans poids. La « chaleur-substance » était habituellement appelée « calorique », et c’est pour la première fois que nous faisons connaissance d’un membre de toute une famille de substances sans poids. Plus tard nous aurons l’occasion de suivre l’histoire de cette famille, sa grandeur et sa décadence. Pour le moment nous nous contentons de signer la naissance de ce membre particulier.

Le but d’une théorie physique quelconque est d’expliquer un domaine aussi vaste que possible de phénomènes. Elle se justifie dans la mesure où elle rend les événements intelligibles. Nous avons vu que la théorie de la « chaleur-substance » explique beaucoup de phénomènes de la chaleur. Il deviendra cependant bientôt évident que ceci est une fausse piste, car la chaleur ne peut pas être regardée comme une substance, même sans poids. Ceci devient clair si nous réfléchissons sur quelques expériences simples qui marquèrent le commencement de la civilisation.

Nous concevons la substance comme une chose qui ne peut être ni créée ni être détruite. Mais l’homme primitif a créé par le frottement de la chaleur suffisante pour allumer le bois. Les exemples d’échauffement par le frottement sont en fait trop nombreux et familiers pour qu’il soit nécessaire de les citer. Dans tous les cas une certaine quantité de chaleur est créée, un fait qui est difficile à expliquer par la théorie de la « chaleur-substance ». Il est vrai que celui qui soutient cette théorie pourrait trouver des arguments pour l’expliquer.

Son argument serait à peu près celui-ci : « La théorie de la « chaleur-substance » peut expliquer la création apparente de la chaleur. Prenons l’exemple très simple de deux pièces de bois qu’on frotte l’une contre l’autre ; le frottement exerce une influence sur le bois et change ses propriétés. Il est vraisemblable que les propriétés soient modifiées d’une façon telle qu’une quantité de chaleur invariable arrive à produire une température plus élevée qu’avant. Après tout, la seule chose que nous constatons est l’élévation de la température. Il est possible que le frottement change la chaleur spécifique du bois et non pas la quantité totale de la chaleur. »

A cette phase de la discussion il serait inutile d’argumenter contre le partisan de la théorie de la « chaleur-substance », car c’est là un sujet qui ne peut être éclairci que par l’expérience. Imaginons deux pièces de bois identiques et supposons que des changements de température égaux y soient produits par des procédés différents : dans un cas par le frottement, dans l’autre par le contact avec un radiateur. Si les deux pièces ont la même chaleur spécifique à la nouvelle température, la théorie de la « chaleur-substance » s’écroule d’un coup. Il existe des méthodes très simples pour déterminer les chaleurs spécifiques, et le sort de la théorie dépend précisément du résultat de ces déterminations. Les preuves capables de décider de la vie ou de la mort d’une théorie se rencontrent souvent dans l’histoire de la physique et sont appelées expériences « cruciales ». La valeur cruciale d’une expérience se révèle seulement par la façon dont la question a été formulée et c’est une seule théorie des phénomènes qui peut être mise à l’épreuve par elle. La détermination des chaleurs spécifiques de deux corps de même espèce à la même température, obtenue respectivement par le frottement et le flux de chaleur, est un exemple typique d’une expérience cruciale. Cette expérience fut faite, il y a cent cinquante ans environ, par Rumford et porta le coup mortel à la théorie de la « chaleur-substance ».

Un extrait de sont propre exposé nous fera connaître son observation :

« Il arrive souvent, dans les affaires ordinaires et les occupations de la vie, que des occasions favorables de contempler les opérations les plus curieuses de la Nature s’offrent à nous d’elles-mêmes ; des expériences physiques très intéressantes peuvent souvent être faites, presuqe sans peine et sans dépense, au moyen de machines inventées pour satisfaire simplement les besoins de l’industrie… Ayant été occupé dernièrement à surveiller le forage des canons dans les ateliers de l’arsenal militaire de Munich, je fus frappé du degré considérable de chaleur que peut atteindre, dans un court espace de temps, un canon de cuivre qu’on fore, et de la chaleur plus intense encore (plus intense que celle de l’eau bouillante, comme je l’ai constaté par l’expérience) que possèdent les copeaux qui sont séparés par la tarière… D’où vient la chaleur réellement produite par l’opération mécanique mentionnée plus haut ? Est-elle fournie par les copeaux qui sont séparés par la tarière de la masse solide du métal ? S’il en était ainsi, la capacité, conformément aux doctrines modernes de la chaleur latente et du calorique, devrait alors non seulement changer, mais le changement qu’ils ont subi devrait être suffisamment grand pour rendre compte de toute la chaleur produite. Mais aucun changement de ce genre ne s’est produit, car en prenant des quantités de poids égal de ces copeaux et des bandes minces du même bloc de métal, détachées par une scie fine, et en les mettant ensemble à la même température (celle de l’eau bouillante) dans des quantités égales d’eau froide (c’est-à-dire à la température de 59,5 degrés Fahrenheit), la portion d’eau où furent jetés les copeaux n’était pas, selon toute apparence, plus chaude, ou moins, que l’autre portion où furent jetées les bandes de métal. »

Voici finalement sa conclusion :

« Et en réfléchissant sur ce sujet nous ne devons pas oublier de prendre en considération cette circonstance hautement remarquable que la source de la chaleur produite, dans ces expériences, par le frottement paraissait manifestement INEPUISABLE. Il est à peine nécessaire d’ajouter que ce qu’un corps isolé quelconque, ou un système de corps, peut continuer à fournir SANS LIMITATION, ne peut être une « substance matérielle » ; et, excepté le mouvement, il me paraît extrêmement difficile, pour ne pas dire tout à fait impossible, de se former l’idée distincte d’une chose quelconque capable d’être excitée et transmise de la manière que, dans ces expériences, la chaleur fut excitée et transmise. »

Nous voyons ici que la vieille théorie s’écroule, ou, pour être plus précis, que la théorie de la « chaleur-substance » est limitée aux problèmes du flux de chaleur. De nouveau, comme Rumford le laissait entendre, nous devons chercher une autre piste…

La théorie cinétique de la matière

Est-il possible d’expliquer les phénomènes de la chaleur par des mouvements de particules agissant les unes sur les autres au moyen de forces simples ? Un vase fermé contient une certaine masse d’un gaz, d’air par exemple, à une certaine température. En chauffant, nous élevons la température et augmentons l’énergie. Mais de quelle façon cette chaleur est-elle liée au mouvement ?

La possibilité d’une telle connexion est suggérée aussi bien par notre point de vue philosophique (la tentative provisoire de tout décrire par la mécanique), accepté provisoirement, que par la façon dont la chaleur est produite par le mouvement.

La chaleur doit être une énergie mécanique, si tout problème est un problème mécanique.

L’objet de la « théorie cinétique » est de présenter le concept de la matière justement de cette manière. Un gaz, selon cette théorie, est un amas d’un nombre énorme de particules ou « molécules », qui se meuvent dans toutes les directions, se heurtent les unes contre les autres et changent de direction après chaque collision. Il doit exister une vitesse moyenne de ces molécules, exactement comme dans une grande communauté humaine, il existe un âge moyen ou une richesse moyenne. Il y aura, par conséquent, une énergie cinétique moyenne par particule. Plus de chaleur dans le vase signifie une énergie cinétique moyenne plus grande.

La chaleur, conformément à cette image, n’est pas une forme spéciale d’énergie, différente de l’énergie mécanique ; elle est exactement l’énergie cinétique du mouvement moléculaire.

A une température définie correspond, par particule, une énergie cinétique moyenne définie. Ceci n’est pas une supposition arbitraire. Nous sommes obligés de regarder l’énergie cinétique d’une molécule comme la mesure de la température d’un gaz, si nous voulons former une consistante image mécanique de la matière.

Cette théorie est plus qu’un jeu de l’imagination. On peut montrer que la théorie cinétique des gaz n’est pas seulement en accord avec l’expérience, mais qu’elle conduit réellement à une intelligence plus profonde des faits. Ceci peut être illustré par quelques exemples.

Nous avons un vase fermé par un piston qui peut se mouvoir librement. Le vase contient une certaine quantité de gaz qui doit garder une température constante. Si, au début, le piston est au repos en gardant une certaine position, il se mouvra vers le haut, si l’on diminue son poids, et vers le bas, si l’on augmente ce dernier. Pour pousser le piston en bas, il faut employer une force qui agit contre la pression intérieure du gaz. Quel est, d’après la théorie cinétique, le mécanisme de cette pression intérieure ? Un nombre énorme de particules constituant le gaz se meuvent dans toutes les directions. Elles bombardent les parois et le piston et rebondissent comme des balles qu’on lance contre un mur. Le bombardement continuel d’un grand nombre de particules tient le piston à une certaine hauteur, en s’opposant à la force de la pesanteur, qui agit vers le bas sur le piston et les poids. Dans une direction agit constamment la force de gravitation, dans la direction opposée un très grand nombre de chocs irréguliers venant des molécules. Pour qu’il y ait équilibre, il faut que l’effet net sur le piston de toutes ces forces irrégulières soit égal à celui de la force de la gravitation.

Supposons que le piston soit poussé vers le bas de façon à comprimer le gaz d’une fraction de son volume, disons de la moitié, sa température restant invariable. Que doit-il arriver selon la théorie cinétique ? La force due au bombardement sera-t-elle plus grande qu’avant ou moins grande ? Les particules sont maintenant plus serrées. Bien que l’énergie cinétique moyenne soit toujours la même, les chocs des particules contre le piston seront maintenant plus fréquents et la force totale sera ainsi plus grande. De cette image que présente la théorie cinétique il résulte clairement que, pour maintenir le piston dans cette position plus basse, il faut employer un poids plus grand. Ce fait expérimental simple est bien connu, mais sa prévision découle logiquement de la conception cinétique de la matière.

Considérons un autre dispositif expérimental. Prenons deux vases contenant des volumes égaux de gaz différents, par exemple d’hydrogène et d’azote, tous les deux étant à la même température. Supposons que les deux vases soient fermés par des pistons identiques et chargés de poids égaux. Ceci signifie, en bref, que les gaz ont le même volume, sont à la même température et subissent la même pression. Puisque la température est la même, l’énergie cinétique moyenne, par particule, est, d’après la théorie, la même. Et, puisque les pressions sont égales, les deux pistons sont bombardés par la même force totale. En moyenne, chaque particule porte la même énergie et les deux vases ont le même volume.

Donc le nombre de molécules doit être le même dans chaque vase bien que les gaz soient chimiquement différents.

Ce résultat très important permet de comprendre beaucoup de phénomènes chimiques. Il signifie que le nombre de molécules dans un volume donné, à une certaine température et à une certaine pression, n’est pas la caractéristique d’un gaz particulier, mais de tous les gaz.

Il est au plus haut degré curieux de constater que la théorie cinétique non seulement prédit l’existence d’un tel nombre universel, mais nous rend aussi capables de le déterminer.

La théorie cinétique de la matière explique, quantitativement aussi bien que qualitativement, les lois des gaz déterminés par l’expérience. En outre, la théorie n’est pas limitée aux gaz, bien que ce soit dans ce domaine qu’elle a obtenu ces plus grands succès.

Un gaz peut être liquéfié, si l’on fait baisser se température. La chute de température que subit une matière signifie que ses particules subissent une décroissance de l’énergie cinétique moyenne. Il est ainsi clair que l’énergie cinétique moyenne d’une particule liquide est plus petite que celle d’une particule gazeuse correspondante.

Le mouvement de particules dans un liquide fut rendu manifeste, pour la première fois, par le « mouvement brownien », phénomène remarquable, qui serait resté mystérieux et incompréhensible sans la théorie cinétique de la matière. »

Einstein et Infeld dans « L’évolution des idées en physique »

Le discours sur le réchauffement global bénéficie de l’ignorance générale des lois de la thermodynamique et de la manière dont elles s’appliquent au globe terrestre. Ainsi, il particularise la "température globale" alors que le facteur température ne peut jamais être isolé en thermodynamique. Les lois de la thermodynamique précisent toujours que sont interdépendants : température, pression, volume et quantité de matière (sous la forme du nombre de moles). Ce nombre de paramètres et la non-linéarité de la fonction entraînent que les lois du climat sont du domaine du chaos déterministe alors qu’une loi linéaire à un ou deux facteurs ne pourrait pas l’être.

La dynamique de la météorologie est fondée sur des structures auto-organisées comme les nuages ou les états de la neige qui sont des états qui sautent d’un niveau à un autre et dont la base est l’interaction entre des paramètres comme la force des vents, la pression, la température, le degré d’humidité dans l’air et l’ensoleillement (chaleur et fréquence du rayonnement). On pourrait croire que les moyennes décrivent une réalité continue mais il suffit de constater que les états décrits sautent d’un équilibre à un autre très différent de manière brutale pour constater que cela est faux. Ainsi, les nuages ont des structures et des niveaux d’altitude très différents quand on passe d’un équilibre à un autre. Les états de la neige ou de la glace connaissent les mêmes types de sauts. Les états de la météorologie sont eux aussi des discontinuités brutales. La raison fondamentale en est qu’il n’y a jamais un seul facteur mais au moins trois fondamentaux qui rétroagissent et le chaos qui en résulte ne peut trouver que des sauts qui sont des équilibres instables lointains les uns des autres.

La thermodynamique, les changements d’état de la matière, les effets de la température et de la pression sont à la base de nombre de phénomènes qui font partie de notre vie quotidienne : quand nous examinons la surface d’un lac, faisons bouillir de l’eau ou examinons un nuage pour voir s’il ne va pas pleuvoir. S’ils ont permis la construction des moteurs, des réfrigérateurs et autres appareils très importants dans notre existence actuelle, ils sont d’abord à la base de phénomènes naturels que nous observons et utilisons même sans le vouloir : de la météo à l’utilisation de l’eau dans notre cuisine.

Nous connaissons bien des adages populaires qui proviennent de cette expérience quotidienne comme « l’air chaud monte », « l’eau bout à 100° » ou « l’eau glace à 0° » ou encore « le nuage noir est porteur de pluie ». On a popularisé également celui de Lavoisier : « Rien ne se perd, rien ne se créée, tout se transforme ». Ou un plus récent selon lequel « tout va vers de plus en plus de désordre ». Malheureusement, bien des adages populaires mentent ou nécessitent de préciser le domaine d’application parfois très étroit…

Nous sommes habitués à voir l’eau sous les formes gazeuse, liquide et solide et les passages de l’un à l’autre ne nous étonnent plus alors qu’il y aurait largement de quoi s’étonner et que bien des phénomènes qui nous semblent tout à fait classiques sont difficiles à comprendre et posent de grands problèmes en fait.

Il est très courant que le grand public fasse d’importantes confusions concernant la thermodynamique et notamment confonde température et chaleur.

Nous raisonnons facilement sur la température mais oublions facilement la pression car elle nous est beaucoup moins évidente intuitivement. Or, les changements d’états de la matière ne dépendent jamais de la seule température. Nous sommes accoutumés à dire ce qui se passe à pression atmosphérique mais oublions que certains phénomènes naturels n’ont pas lieu à cette pression. Et c’est loin d’être le seul problème qui nous dérange pour comprendre la thermodynamique.

Nous connaissons la loi de la thermodynamique qui impose l’augmentation d’entropie d’un système isolé et nous savons que le phénomène de la vie augmente l’ordre, l’organisation et donc, curieusement, diminue l’entropie. Et ce n’est pas le seul cas : le simple fait de former une structure nuageuse est déjà création d’un ordre.

Nous pensons savoir que la nature va spontanément vers l’équilibre, vers la stabilité et même l’immobilité et pourtant nous voyons en thermodynamique des phénomènes qui se déroulent à l’inverse, à commencer par le mouvement brownien qui présente une agitation permanente des molécules n’allant nullement vers la stabilité ni l’immobilité.

Les phénomènes de la thermodynamique se déroulent tous les jours sous nos yeux et nous ne leur marquons pas le plus souvent d’étonnement bien que nous ne les comprenions pas vraiment. Pourquoi l’eau liquide forme des surfaces et pas l’eau vapeur ni l’eau solide, sous forme de glace ou de neige, alors que la composition moléculaire est la même dans les trois cas ? Que se passe-t-il au changement d’état ? Comment se fait-il que la température de l’eau qui bout soit bloquée même si on continue à chauffer. Pourquoi le lait qui bout déborde et pas l’eau qui bout ?

Les questions sont multiples et diverses. Qu’est-ce que la surface de séparation d’un liquide ? Quelle est l’origine de la vapeur d’eau et quelle est sa nature ? Pourquoi la glace surnage dans l’eau ? Pourquoi les nuages, composés de gouttelettes d’eau et pas seulement de vapeur d’eau (sinon les nuages seraient transparents à la lumière), ne tombent pas du fait de leur poids colossaux ? Pourquoi les nuages qui sont même composés de mini-cristaux et de poussières ne tombent pas par gravitation ? Comment se fait-il qu’à 100°C toute l’eau ne soit pas en vapeur d’eau (on dit l’eau bout) ? Comment se fait-il que l’eau puisse rester sous forme liquide bien en dessous de 0°C ? Comment se fait-il que la glace puisse rester sous cette forme bien au dessus de 0°C ? Par exemple, la neige au soleil ou les neiges éternelles des glaciers. La glace sous-marine de profondeur du pôle Nord est la plus grande quantité de glace de la planète puisque l’océan arctique a une profondeur de 5520 m et une partie de son eau est glacée du fait de la pression énorme de la masse de glace au dessus, malgré des températures élevées.

On sait que la température est liée à l’agitation moléculaire dite mouvement brownien qui ne s’arrête jamais. Comment se fait-il qu’elle ne finisse pas par atteindre un équilibre et cesser de s’agiter puisqu’un des principes de la thermodynamique est qu’un système qui ne reçoit pas d’énergie de l’extérieur doit aller à l’équilibre ? Comment se fait-il que les molécules continuent de s’agiter même si elles sont isolées les unes des autres ? C’est cette agitation que l’on remarque en regardant les poussières dans un rai de lumière. Il faut bien que l’agitation brownienne soit entretenue par une énergie extérieure ? Laquelle ?

Comment se fait-il que la vie soit un système qui gagne en ordre (néguentropie ou perte d’entropie) alors qu’un des principes de la thermodynamique suppose que tout système isolé doit augmenter son entropie (son degré de désordre) ?

Il y a dans de nombreux adages du bon sens sur ces thèmes pas mal d’erreurs. Par exemple, de dire que la glace est moins dense que l’eau liquide. Cela n’est vrai que pour certains types de glaces ayant certaines densités. En fait, ce n’est vrai que pour les glaces dites de type I qui ont dix à quatorze pourcents de densité en moins que l’eau liquide mais pas pour les glaces de type II à VI qui ont jusqu’à 22% de densité en plus…

Tous les discours sur la température de la formation de la glace ou de sa fonte sont faux si on ne tient pas compte de la pression extérieure qui n’est pas forcément la pression atmosphérique.

Bien des phénomènes observables quotidiennement sont plus étonnants qu’il n’y paraît : la condensation des nuages se fait plutôt dans les montagnes où l’air est plus froid alors que l’air chaud monte.

Les nuages ne sont pas seulement des produits de la condensation de l’eau liée aux jeux de la chaleur et de la pression : la longueur d’onde des rayons lumineux joue aussi, par exemple pour définir le niveau d’altitude de la base du nuage. L’électromagnétisme détermine des mouvements au sein du nuage, mouvements qui sont déterminants dans l’énergie du nuage, qui pousse la masse à remonter vers le haut du nuage, combattant la gravitation.

Tous ces phénomènes sont dynamiques alors que, spontanément nous raisonnons de manière statique, ils produisent des contradictions et ne sont pas linéaires alors que, spontanément, nous raisonnons de manière non dialectique et linéaire. Ils présentent des discontinuités, des sauts qualitatifs, des contradictions… Les différents états de la matière ne se comportent pas souvent comme on l’imagine et ne sont pas exactement ce qu’on imagine. La matière n’est pas faite de choses mais de structures émergentes, ce qui est profondément différent. Elle n’est pas fondée sur des équilibres stables, image qui nous est donnée par l’univers apparent à notre échelle. Même le simple corpuscule dit élémentaire est une structure émergente et non un objet !

Bien des notions spontanées en thermodynamique portent sur ce qui se passe à notre échelle (macroscopique) alors que leur base est microscopique et que ce qui se passe à cette échelle est contre intuitif. Et que ce qui se passe au niveau microscopique (quantique) est fondé sur le vide quantique (encore plus contre intuitif puisque le temps y circule dans les deux sens, que la matière n’y a pas de masse au repos et que l’antimatière y est aussi importante que la matière !). Pourtant la matière est une structure émergente au sein du vide quantique de la même manière que le nuage émerge de l’atmosphère humide.

L’émergence de matière au sein du vide est complètement absente de nos images mentales et encore plus de nos images visuelles de l’univers or il est impossible de comprendre la thermodynamique de la matière sans étudier celle du vide….

Notre manque de conceptions dynamiques spontanées explique nos difficultés à concevoir des systèmes dans lesquels plusieurs états de la matière coexistent car des groupes de molécules sautent sans cesse d’un état dans un autre. L’apparente surface d’eau est bien loin de la séparation fixe et plan que notre œil nous renvoie puisqu’il s’agit au contraire d’une fractale de pénétrations entre eau liquide et vapeur d’eau, fractale aux formes sans cesse changeantes.

Le nuage qui semble sur une courte durée avoir une forme et un contenu à peu près donné est l’objet de changements beaucoup plus brutaux et violents qu’il n’y paraît, changement dans lesquels des masses de molécules descendent et d’autres montent sans cesse au sein du nuage.

Cela explique qu’il nous paraisse difficile à comprendre comment un nuage calme, même s’il est très noir, va d’un seul coup déverser une masse immense d’eau, de grêle ou de neige, ou encore provoquer un violent orage.

En réalité, l’apparence calme du nuage n’est qu’illusion et cette masse est sans cesse le produit de confrontations brutales qui, en temps normale, produisent la conservation globale de la structure mais, parfois, provoquent sa rupture.

Les nuages ne sont nullement des objets fixes. Il y a sans cesse des colonnes d’air montantes et d’autres descendantes. Chez certain type de nuages, le bourgeonnement violent au dessus du nuage témoigne du caractère éruptif des phénomènes considérés. Mais, même dans les autres, le nuage n’est jamais une chose fixe ni ressemblant à une chose fixe. Il n’existe que du fait d’un énorme désordre qui donne globalement une illusion de conservation d’ensemble. Mais le nuage a une relativement courte durée de vie et sa structure se dissout assez rapidement dans l’air, pour former à côté de nouveaux nuages.

Une autre raison de comprendre difficilement les nuages est le fait qu’on les imagine comme des masses de gouttelettes et de vapeurs d’eau alors que les petits cristaux y jouent aussi un grand rôle. Le nuage est la coexistence des trois états : gaz, liquide et solide et le jeu des sauts entre ces états. La formation de cristaux a des effets parfois violents comme la formation de grands trous au sein des masses nuageuses.

Toute la matière, sous toutes ses formes et à toutes ses échelles, est par bien des aspects du même type que le nuage : des confrontations brutales avec des changements radicaux qui, le plus souvent, entraînent la conservation globale de la structure et, parfois, provoquent sa rupture.

Un des aspects que l’on oublie souvent est que le nuage est une masse électrisée comme l’est la matière. Mais, étant l’objet de mouvements violents, l’électrisation prend un caractère à grande échelle avec, notamment, des électricités opposées sur le sommet du nuage et à sa base et avec une électrisation provoquée sur l’air environnant.

Ce n’est pas seulement le grand public qui est trompé par les anciennes images de la matière, provenant de ce que nous croyons voir à notre échelle. Les sciences l’ont été aussi. On s’est ainsi aperçus que la thermodynamique dérive de la physique quantique et non de la mécanique classique comme on l’a longtemps cru. Et cela change de nombreuses visions de ce domaine des sciences.

En effet, le mouvement moléculaire est à la base de la thermodynamique, des notions de température ou de pression et des notions plus complexes. Cependant, on peut réaliser que ce ne sont pas les seuls. Notamment, les mouvements en question sont réversibles alors que bien des phénomènes thermodynamiques ne le sont pas…

Comprendre la transmission de chaleur nécessite de comprendre celle d’énergie or cette transmission n’est continue comme on le croyait mais quantique. L’existence d’une quantité minimale d’action (égale à la constante de Planck) change profondément toute la conception des échanges d’énergie, de chaleur, de lumière. La perte ou le gain de chaleur étant un phénomène déterminant de la thermodynamique, l’apport de la physique quantique y est déterminant.

Il ne suffit pas de voir la température et la pression comme des mouvements mécaniques de molécules assimilées à des petites billes qui se heurtent et rebondissent après les chocs. Et d’abord parce que la physique quantique interdit non seulement aux molécules de se heurter, de se toucher, mais elle l’interdit même aux particules dites élémentaires, protons, électrons, neutrons… Le principe de Pauli empêche la matière de se toucher, de se retrouver dans une même position et les interactions (attractions ou répulsions) se font par intermédiaires appelés bosons (qui sont du même type que les corpuscules de lumière). Il n’est donc pas possible de concevoir les interactions matière-matière sans connaitre les interactions quantiques matière-lumière.

Comme on l’a dit précédemment à propos du mouvement brownien, l’agitation qui est à la base de tous les phénomènes de température ou de pression provient du vide quantique. La seule observation de la matière possédant une masse, alors que la matière dite virtuelle du vide quantique n’en possède pas, ne peut suffire à comprendre les phénomènes qui sont impliqués en thermodynamique et en particulier la raison pour laquelle la matière subit sans cesse une agitation qui est incapable de s’arrêter.

Une pente de neige uniforme qui est caressée mollement par le soleil est l’objet de changements permanents de structures de la neige qui saute d’un état à un autre, du fait des modifications de température et de pression. Comme la glace, la neige admet de multiples structures différentes possibles et les sauts entre ces états cristallins différents ne s’arrêtent jamais. Loin de la situation d’équilibre stable, ce qui la caractérise est les changements d’état et les discontinuités.

Il y a encore d’autres raisons qui rendent difficile la compréhension des phénomènes thermodynamiques et notamment il faut citer la relation entre phénomènes de volume et phénomènes de surface.

Ainsi, on raisonne mal sur la température de fonte de la glace car c’est seulement en surface que la glace est en contact avec la température extérieure. La masse de glace peut entraîner une grande inertie et un retard important de la fonte, même à des températures extérieures élevées. On a rappelé aussi que raisonner seulement sur la température en oubliant la pression trompe la vision des changements thermodynamiques. Sous des masses de glace, la pression du poids est considérable et l’eau peut y former de la glace à des températures élevées.

Einstein a renouvelé la thermodynamique en donnant la première interprétation du mouvement brownien et en découvrant la base quantique des transformations de la matière et des interactions matière-lumière. Prigogine a entraîné une des nombreuses révolutions de la thermodynamique en montrant l’importance créatrice de structures du non-équilibre. Toutes ces découvertes ont bien éloigné la thermodynamique des préceptes du bon sens mais ce n’est pas à regretter…

Il faut d’autre part, concernant les erreurs du bons sens, souligner la différence entre chaleur et énergie interne comme entre chaleur et température.

La température doit être considérée comme la mesure locale de l’agitation moléculaire, de même que la pression est la mesure des chocs provoqués sur une surface par cette agitation. La chaleur est d’une nature un peu différente. Cela explique les relations entre température, pression et volume au sein des lois thermodynamiques des différents états de la matière.

Si l’origine de la chaleur, cette capacité de la matière à transporter de l’agitation des molécules de part en part au sein de la matière (la conduction de la chaleur), est bien fondée sur l’agitation provoquée au sein des particules et des molécules (mouvement dit « brownien ») par l’agitation permanente du vide quantique, la chaleur n’est pas la totalité de l’énergie d’agitation de la matière mais seulement une petite partie, et à une échelle seulement des structures hiérarchiques de la matière. Une grande partie de la chaleur n’est pas capable de se transmettre d’une molécule à une autre et est conservée localement pour agiter en interne les particules, les noyaux et autres… La chaleur ne doit donc pas être considérée comme identique à l’énergie interne d’agitation des molécules. La chaleur est seulement la part de l’énergie interne capable de se déplacer d’une matière à sa voisine par vibration, en somme une énergie rayonnante d’une certaine fréquence, énergie de type lumineuse… La chaleur est donc la part de l’énergie qui peut se changer en un rayonnement dont la fréquence correspond à certains seuils précis qui lui permettent d’entrer en résonance avec les structures de la matière ayant des tailles comparables à la longueur d’onde de cette énergie. Rappelons que le rayonnement n’est plus conçu comme ondulatoire mais comme une dualité onde/corpuscule fondée sur les couples particules/antiparticules du vide fondant les corpuscules dits photons. L’agitation capable de se transformer en photons dont les énergies correspondent aux dimensions des molécules est donc la seule capable de se changer en « chaleur » et c’est loin d’être la totalité de l’agitation interne. Certes, la transmission de chaleur augmente la température mais les deux sont loin d’être identiques, contrairement à ce que croit le sens commun.

Cela signifie que le porteur de l’énergie de chaleur est une onde d’origine électromagnétique et non le mouvement mécanique de molécules de matière de masse inerte.

Par contre, la température, c’est l’énergie cinétique moyenne des molécules…

La température, c’est donc la matière et la chaleur, c’est le rayonnement, c’est des photons !

7 Messages de forum

  • Les erreurs du bon sens en thermodynamique 20 décembre 2015 09:00, par alain

    Quelles sont les erreurs à ne pas commettre en thermodynamique ?

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  • Les erreurs du bon sens en thermodynamique 20 décembre 2015 09:00, par Robert

    Choisir la ou les variables pertinentes pour décrire un phénomène est le plus difficile en thermodynamique car cela change d’un exemple à un autre. De nombreux paramètres sont proportionnels à la température mais pas identiques à celle-ci.

    L’erreur, par exemple, c’est de confondre chaleur et température, changement d’ordre et changement du désordre, c’est-à-dire travail et chaleur. . « C’est plus chaud » signifie aux yeux de tous une augmentation de température alors que la chaleur n’est du tout identique à la température…

    Ensuite, il ne faut pas confondre les phénomènes rapides comme une action mécanique (l’établissement d’un équilibre de pression par exemple) et les phénomènes lents (l’établissement d’un équilibre de température par exemple) car les premiers sont un changement d’ordre (une action mécanique) et les seconds un changement de désordre (une action calorifique).

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  • Les erreurs du bon sens en thermodynamique 17 décembre 2016 08:49, par Will

    Vous avez raison. Il est très courant de confondre la chaleur et la température. Ces notions sont liées, mais à différentier quand même.

    La chaleur, c’est la quantité d’énergie thermique contenue dans un corps et qu’il est possible d’extraire pour s’en servir (pour chauffer par exemple).

    La température est l’agitation de l’atome. C’est sa vitesse de vibration au sein de la structure solide qui la contient, ou bien sa vitesse de déplacement dans un gaz.

    Voici un exemple parlant.

    De l’eau bouillante, c’est chaud non ? Si vous en recevez sur les doigts, vous risquez de vous bruler sévèrement. Pourtant, l’eau bouillante n’est toujours qu’à 100°C.

    Parallèlement, tout le monde a déjà utilisé les bâtonnets d’étincelles, lors des fêtes de fin d’année ou sur un gâteau. Vous avez même peut-être constaté que ces étincelles ne brulaient pas la peau si on approchait la main (mêmes étincelles qu’avec une meuleuse). Pourtant, une de ces étincelles est à une température de plus de 1000°C.

    Alors où est le problème ? En fait, une étincelle est juste une poussière se trouvant à très haute température : elle est peut-être extrêmement chaude, mais elle est très petite. Elle ne transporte donc que très peu d’énergie (donc de chaleur) et peut très difficilement vous bruler.

    Au contraire, avec l’eau bouillant que vous recevez sur votre main (je ne vous le souhaite pas), c’est une grande quantité d’eau que vous recevez, et même si 100°C est beaucoup moins que 1000°C, la quantité d’énergie (la chaleur) reçue sur votre peau est beaucoup plus importante.

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  • Les erreurs du bon sens en thermodynamique 29 décembre 2016 09:06, par Robert

    Un exemple typique des erreurs d’interprétation du bon sens sur les changements d’état : la température de fusion ou de solidification. Quand on dit l’eau bout à 100° à la pression atmosphérique ou l’eau glace à 0°, on a tendance à penser qu’il suffit d’atteindre cette température pour ce changement d’état de la matière se produise. Cela laisse croire que le changement d’état serait produit par l’augmentation de température de 99° à 100° ou la diminution de température de 1° à 0°, soit un changement d’un degré. Mais on pourrait croire aussi que c’est causé par une augmentation ou une diminution d’un dixième de degré de 99,9° à 100° ou de 0,1° à 0°. Et pourquoi ne pas penser que c’est un centième de degré d’augmentation ou de diminution qui cause le saut d’un état à un autre. Ou encore moins… En fait, si on calcule pour une masse donnée d’eau ou de glace l’énergie qu’il a fallu pour opérer le changement d’état, on trouve comme équivalent l’énergie nécessaire pour chauffer ou refroidir la même quantité d’eau non de 1°, de 0,1° ni de 0,01° mais de… 80° !!!! Comme on le voit, le bon sens en prend un coup en thermodynamique et le changement d’état est un saut qui nécessite un bon élan et une quantité d’énergie pour effectuer ce saut !

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  • Les erreurs du bon sens en thermodynamique 16 janvier 07:32, par Will

    Un point qui me semble particulièrement obscur concernant la thermodynamique terrestres : pour quelle raison la température de l’atmosphère est-elle plus faible quand on monte en altitude. On pourrait s’attendre au contraire, vu qu’on se rapproche du soleil dont on bénéficie des rayons ! D’autre part, il est connu que l’air chaud devient moins dense et monte. On devrait donc avoir de l’air chaud en hauteur et froid en bas, c’est-à-dire aux niveaux plus roches du sol…

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  • Les erreurs du bon sens en thermodynamique 16 janvier 07:33, par Robert Paris

    La raison fondamentale provient du fait que l’atmosphère est moins dense plus on monte en altitude. Donc l’air chaud, qui monte se dilate, et perd donc en température. Cependant, cette remarque sur la température qui baisse en altitude ne concerne que la partie la plus basse de l’atmosphère, la troposphère (jusqu’à 11 km) et pas la stratosphère ni la ionosphère.

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  • Les erreurs du bon sens en thermodynamique 9 février 08:27, par R.P.

    Ilya Prigogine dans « L’homme devant l’incertain » :

    « Ce qui caractérise les systèmes thermodynamiques, c’est l’existence de deux types de grandeurs, les grandeurs intensives comme la température ou la pression, et les grandeurs extensives, comme l’énergie, qui sont proportionnelles au volume… Quant au mécanisme de l’irréversibilité dans les systèmes thermodynamiques, il est bien simple : c’est l’apparition de corrélations associant un nombre croissant de particules, d’où les phénomènes collectifs qui peuvent correspondre à des changements de phase et à ce qu’on a appelé des « structures dissipatives ». »

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