Entropie
L'entropie est une notion de thermodynamique qui mesure le désordre. C'est une notion très abstraite mais essentielle pour toute notre industrie et les sciences.
Aussi il a fallu un long temps d'expériences, de réflexions sur plus de deux siècles pour bien en prendre conscience, la décrire et la rendre quantitative.
Historique simplifié
D'abord il y a eu les machines à vapeur marchant très mal au début avant 1830, avec un rendement très faible par ignorance de l'entropie dont on a pris conscience pour augmenter le rendement des machines à vapeur, puis les moteurs tous les systèmes plus modernes, chimiques, réfrigérateurs.
Sadi Carnot vers 1824 a le premier par analyse subtile des machines à vapeur et moteurs découvert le second principe thermodynamique ( de fait plus complexe et découvert 20 ans plus tôt que l'expression claire du premier principe ) et a mis en évidence l'existence de l'entropie, sous le constat qu'un moteur thermique ne peut pas fonctionner avec une seule source de chaleur ( voir Sadi Carnot physicien sur wikipedia premier créateur de la thermodynamique ).
Il est impossible de produire un travail mécanique en refroidissant un seul corps comme de l'eau, comme un bateau qui avance en laissant des blocs de glace derrière lui sans user de carburant en récupérant l'énergie calorifique cédée par l'eau liquide lorsqu'elle devient de la glace pour faire avancer le bateau. Ceci est impossible expérimentalement par ce second principe qui conduit à mesurer l'entropie, car alors le désordre du total bateau et eau liquide et glace diminue.
De façon simple, refroidir revient à passer du désordre des molécules d'eau liquide à l'ordre de ces molécules sous forme solide de glace. On diminue ainsi le désordre des molécules que l'entropie mesure.
Description concrète du désordre et son entropie :
Pour des objets en désordre, comme pour des feuilles en papier désordonnées sur un bureau, en les agitant, ou secouant, il est impossible de les voir s'ordonner et se ranger en bon ordre spontanément. Leur désordre ne peut qu'augmenter, désordre mesuré par l'entropie.
Ce désordre est mesuré par le nombre de manières de ranger les feuilles de papier et leur nombre est tellement élevé que les ranger correctement dans le bon ordre ne se produira jamais en agitant au hasard. Ce nombre de manières ou états est gigantesque, par rapport la seule unique manière de les ranger en un texte lisible de la page 1 à la dernière,
C'est un calcul utile de calculer le nombre de manières de ranger des feuilles au hasard dans des cases, Ce nombre appelé nombre de permutations ou combinaisons est très élevé même déjà pour 500 pages ( voir mathématiques ), sur 500 cases on pose une feuille au hasard sur une de ces 500 cases possibles, donc 500 possibilités, puis sur les 499 cases restantes il reste 499 cases possibles dond à multiplier 500 par 499 possibilités, puis 498, puis 497, ainsi de suite à multiplier les un par les autres les 500 premiers nombres de 1 à 500.
On appelle cela la factorielle 500 notée 500!, nombre déjà gigantesque, qui dépasse la capacité maximale d'une calculette.
Mais à la place de 500 pages ou cases, pour les molécules dans 3 grammes d'eau, le nombre de molécules est 100mille milliards de milliards de molécules ou cases pour simplifier et donc le nombre d'états de désordre possibles est épouvantablement gigantesque, factorielle ce nombre, multiplier les uns par les autres les nombres de un par 2 par 3, ainsi de suite jusqu'à 100mille milliards de milliards. !!!!!.
Aussi on se limite à compter le nombre de chiffres dans ce nombre d'états désordonnés pour mesurer l'entropie, nombre appelé logarithmique base 10 qui donne l'entropie, très fortement élevée déjà.
Conséquences du désordre.
Le désordre ne peut qu' augmenter au hasard dans ce nombre gigantesque de possibilités et l'entropie mesure ce désordre.
Le désordre total ne peut qu'augmenter.
Cependant, astucieux, si on diminue le désordre d'une partie en faisant de la glace (comme pour un frigo ) il faut que dans l'autre partie on augmente bien plus ce désordre avec de l'eau bien plus chaude (on le constate dans un frigo, de la glace dedans, mais dehors derrière il dégage une forte chaleur ), avec le désordre du total fortement augmenté, sommé sur les deux parties, mesuré par l'entropie totale qui croit, glace dedans et dehors derrière le frigo.
Il faut une source chaude par exemple en chauffant avec un carburant, charbon ou pétrole, qui avec sa chaleur permet de fournir du travail mais elle doit en laisser une partie de la chaleur à la source froide, pour que le désordre total et l'entropie totale augmente.
L'entropie est utilisée pour décrire et mettre en équation quantitative le fait que tout changement de n'importe quel système produit une augmentation du désordre. par exemple en particulier les réactions chimiques spontanées, ou en tapant sur un clou, ou frottant pour nettoyer une casserole, etc...
Propriété
L'entropie ne peut qu'augmenter, contrairement à l'énergie totale qui se conserve. L'entropie correspond à la partie de l'énergie devenue désordonnée qui est définitivement perdue pendant une transformation comme en particulier une réaction chimique, en chauffant ou un frigidaire.
Une réaction ou transformation, quelle qu'elle soit, ne peut se faire que si l'entropie totale augmente. Par exemple, un glaçon va fondre chauffé par le soleil : il va passer d'un état ordonné (solide) à un état désordonné (liquide). Il va absorber l' énergie de fusion nécessaire pour fondre venant de son environnement qui lui se refroidit un peu avec le désordre total ou entropie totale plus grande, et même si l'environnement est trop petit le glaçon s'arrête de fondre avec cet environnement devenu trop froid.
De même, une bougie, de fait paraffine carburant solide, qui brûle peut le faire parce que les grosses molécules (donc ordonnées avec des liaisons chimiques pleines d'énergie stockée en réserve ( fournie par le soleil il y a des millions d'années par photosynthèse en formant le pétrole puis la paraffine )) vont brûler pour libérer cette énergie en formant des petites molécules ( agitées et désordonnées) bien plus chaudes gazeuses de gaz carbonique et d'eau désordonnées. L'entropie, c'est à dire le désordre augmente.
Conséquence
Le principe de l'entropie décrit le fait que le désordre ne peut qu'augmenter. En effet, dans l'état actuel des connaissances, et des expériences comme moteurs, pompes à chaleur, etc.. il est impossible de créer de l'ordre sans augmenter encore plus le désordre ailleurs. On peut, par exemple, produire un cristal ou congeler de l'eau : la forme solide est plus ordonnée que la forme liquide. Mais pour faire cela, il aura fallu fournir plus d'énergie pour faire fonctionner le réfrigérateur avec son compresseur, que l'énergie en chauffant nécessaire pour fondre la glace obtenue.