Apport de la thermodynamique à la compréhension des processus métamorphiques

I.1.3. Deuxième principe : Entropie12(*)

I.1.3.1. Le Deuxième Principe

Nécessité d'un deuxième principe :

Le premier principe qui stipule la conservation de l'énergie permet de faire le bilan d'énergie des systèmes, sans imposer de conditions sur les types d'échanges possibles. Mais, ce bilan énergétique ne permet pas de prévoir le sens d'évolution des systèmes.

Exemple : sens des réactions chimiques ou des transformations naturelles, ou le transfert spontané de la chaleur du chaud vers le froid

Le premier principe par son bilan n'exclut pas le transfert de la chaleur du froid vers le chaud (ce qui est impossible) et il n'explique pas l'irréversibilité de certaines transformations spontanées ou naturelles.

Il faut donc introduire un deuxième principe dit aussi principe d'évolution, déduit des faits expérimentaux, qui permettra de prévoir l'évolution des systèmes. Le deuxième principe introduit une nouvelle fonction d'état dite entropie S qui décrit le comportement des systèmes par la maximalisation de leur entropie:

· l'entropie S d'un système croît si le système tend vers son équilibre : d'où D S > 0

· l'entropie S est maximum si le système est à l'équilibre.

I.1.3.2. Transformations Irréversibles

Certaines transformations naturelles sont irréversibles: elles n'évoluent que dans un seul sens.

Exemple 1: la détente d'un gaz, caractérisée par:

- l'écoulement brusque du gaz d'une HP?BP ;

- la détente est spontanée et irréversible.

Fig. 11: Détente irréversible d'un gaz

On remarque que:

· l'état initial 1 (les deux gaz séparés par une cloison) est relativement ordonné, car presque toutes les molécules sont concentrées du côté HP: cet état est hautement instable

· dans l'état final 2, en perçant un trou dans la cloison, un grand nombre de molécules passent du côté BP jusqu'à l'état d'équilibre caractérisé par une répartition homogène des molécules des deux côtés

Cet état final 2 est plus désordonné (mélange homogène) et surtout cet état est stable.

Exemple 2: le transfert spontané de la chaleur, caractérisé par:

- l'écoulement de la chaleur des HT > BT ;

- ce transfert est spontané et irréversible.

Fig. 12: Transfert de chaleur

· Dans l'état initial 1(cloison en place), les molécules les plus agitées (°) sont situées du côté gauche et les molécules moins agitées (.) du côté droit: ceci correspond à un certain ordre où les molécules (°) sont séparées des molécules (.): c'est un état hors équilibre ;

· Dans l'état final 2 (cloison enlevée), les molécules plus chaudes (°) diffusent vers la gauche et communiquent par chocs une partie de leur énergie aux molécules plus froides (.), pour atteindre finalement un état d'équilibre où les deux régions sont à la même température.

Dans cet état final d'équilibre, les molécules ont en moyenne même énergie cinétique et le système est caractérisé par un plus grand désordre.

Exemple 3: une roue de voiture en mouvement est freiné progressivement jusqu'à son arrêt, avec comme résultat un échauffement des freins et de la jante

Fig. 13: Freinage d'une roue

- Jamais, on ne voit cette roue se mettre seule en mouvement en absorbant la chaleur dégagée par le freinage et remonter la pente

Ces processus naturels sont irréversibles et respectent le premier principe (énergie conservée), comme d'ailleurs les processus inverses qui sont impossibles. Le premier principe n'exclut donc pas ces transformations inverses : mais, il n'explique pas leur sens privilégié et leur donc leur irréversibilité.

On a vu dans les deux exemples précédents que les systèmes évoluent vers un plus grand désordre pour atteindre un état final stable ou état d'équilibre :

=> Les transformations irréversibles sont spontanées et elles satisfont à la règle d'augmentation de l'entropie des systèmes, qui prend sa valeur maximale à l'équilibre.

v Le premier principe considère toutes les transformations comme également possibles: il ne tient pas compte du caractère irréversible d'une transformation et ne se prononce pas sur la notion d'irréversibilité des transformations spontanées. Il exclut le mouvement perpétuel de première espèce c'est à dire qu'on ne peut indéfiniment fournir de l'énergie sous une certaine forme sans en consommer ailleurs sous une autre forme.

v Le deuxième principe va définir le sens privilégié suivant lequel les transformations peuvent se dérouler et préciser les conditions d'équilibre du système. C'est un postulat basé sur des observations expérimentales.

* ¹² G. FAVERJON, Op.cit, p117