L’univers contient depuis la nuit des temps et contiendra jusqu’à leur fin toujours la même quantité d’énergie. Aucune énergie ne se créée, ni de disparait. Cette énergie peut toutefois changer de forme de telle sorte que nous avons l’impression que l’univers évolue. C’est une illusion.

 Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme. Lavoisier.

universSeul le désordre augmente et augmentera toujours dans l’Univers. Il finira dans l’anarchie la plus totale, dans un grand vide glacé où tout sera dilué, toute structure aura disparu, anéantie par le temps cynique…

Le silence éternel de ces espaces infinis m’effraie. Blaise Pascal

Nous ne sommes pas égaux devant les affres du temps : Un atome ne vieillit jamais, ne meurt jamais. Pourtant, l’homme, assemblage complexe d’atomes, ne connait pas le même destin éternel. Il a cette intuition de la flèche du temps, orientée toujours dans la même direction, celle du vieillissement irréversible, de la mort.  Le temps ne serait-il donc pas une simple conséquence, et seulement une conséquence, de l’irréversibilité des phénomènes macroscopiques imposée par le second principe de la thermodynamique ?

Qu’est-ce que en effet que le temps ? Qui saurait en donner avec aisance et brièveté une explication ? … Si personne ne me pose la question, je le sais ; si quelqu’un pose la question et que je veuille expliquer, je ne sais plus.
Saint Augustin, Confessions, XI, 14, 17

Le premier principe de la thermodynamique

Au cours d’une transformation, un système passe d’un état initial i à un état final f. Son énergie interne varie. Il échange avec l’extérieur :

  • de la chaleur Q (de l’agitation) ; qui fait, en général, monter la température T du système ;
  • du travail W ; produit de
    • la force F qui appuie sur le système et
    • du déplacement de son point d’application.

Son énergie interne U passe de Ui (comme initial) et Uf (comme final), de telle sorte qu’on peut écrire dU = Uf – Ui.

Imaginons que l’on pousse avec une pression (Pext)  le piston d’un cylindre comme le montre le schéma ci-dessous. La pression Pext est constante puisqu’il s’agit dans l’exemple de la pression atmosphérique. Elle génère sur le piston une force F = Pext . S (S étant la surface ou la section du piston).  F est également constante.

therLe Travail (W)

Le travail (W comme work) d’une force F est le produit de cette force F par le déplacement (dx) qu’elle génère sur l’objet sur lequel elle s’applique. Dans notre exemple, W = – F . dx. Le travail W est positif (le système reçoit le travail lorsque dx est négatif, c’est-à-dire que le volume se réduit).

dW = – F . dx ou

dW = -P . S . dx ou (avec S . dx représentant la réduction du volume)

dW = – P dV

Comme P est constante W = -P ∫ dV

L’enthalpie (H)

La pression étant constante, dU = dW + dQ revient à dire

Uf – Ui = -Pext (Vf-Vi) + dQ ou

Uf + Pext Vf – (Ui + Pext Vi) = dQ

On note l’enthalpie H = U + PV et on obtient

dH = dQ

La variation d’enthalpie est égale à la variation d’énergie.

Le second principe

Il fait appel à une nouvelle notion qui a eu une importance capitale, notamment en astrophysique : l’entropie S qui mesure grosso-modo le degré d’organisation d’un système. Le second principe pose que S = – ∂Q/T.

Le désordre augmentera toujours

Cette entropie ne peut qu’augmenter : un système va toujours vers plus de désordre. L’univers étant lui-même un système, il se dirige vers un accroissement de son entropie et donc de son désordre. En certains points de celui-ci (comme notre cerveau), l’entropie au contraire est très réduite car le degré d’organisation (ou de complexité) y est particulièrement élevé.  Notre cerveau viole-t-il donc le second principe de la thermodynamique ? Non. Car il faut voir ce principe au niveau du système dans son ensemble. L’univers a tendance à s’étendre, à se diluer, à de désorganiser, à se refroidir. Globalement, son entropie augmente.

L’irréversibilité

Le second principe de la thermodynamique montre également que le phénomène est irréversible (sauf à lui apporte de l’énergie de l’extérieur) et que l’Univers a jamais se diluera dans la froideur du vide… Sauf si ce dernier est inséré dans un système encore plus vaste capable de lui fournir de l’énergie.

Pourtant, au niveau microscopique, c’est-à-dire des atomes, toute transformation se fait selon les lois du mouvement qui sont réversibles ! Alors ? Pourquoi au niveau macroscopique, les phénomènes deviennent-ils irréversibles ?

Qu’est ce que le temps ? Une tentative de réponse

Conclusion : le temps est-il une conséquence du passage du monde microscopique au monde macroscopique ?

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CATÉGORIE

Physique, Thermodynamique