Thermodynamique appliquée - Deuxième principe. Entropie

Le langage courant mentionne l’existence des « énergies » thermiques, mécaniques, renouvelables, fossiles, nucléaire, etc. Ce langage courant va même jusqu’à mentionner des pertes d’énergie. Or, le premier principe de la thermodynamique stipule la conservation de l’énergie. Une perte d’énergie est donc un non sens scientifique. Un langage correct doit faire état de diverses formes d’énergie ou de différents types d’énergie. On peut alors effectivement constater une « perte d’énergie mécanique » par exemple au bénéfice d’un « gain d’énergie thermique ». Il s’agit d’une conversion d’un type d’énergie en un autre type. Le premier principe traduit ainsi une équivalence entre les différents types d’énergie : un type d’énergie en vaut un autre sur le plan quantitatif.

Or le sens commun, intuitif, ne place pas toutes les formes d’énergie sur le même plan d’où la notion de « perte ». Par exemple, de l’énergie mécanique est convertie en énergie thermique spontanément par frottement, de l’énergie électrique se transforme aussi facilement en énergie thermique par effet Joule ; on n’observe pas l’inverse. Mieux encore, chacun sait, par exemple, que de la chaleur à haute température est plus intéressante que de la chaleur à température moyenne. De la même manière, il vaut mieux disposer d’un gaz sous forte pression que sous la pression atmosphérique, le premier pouvant réaliser un certain travail. Ainsi apparaît la notion de qualité de l’énergie, associée à celle de quantité.

Quantité et qualité sont indissociables des concepts énergétiques et sont à la base du fondement de la thermodynamique que sont les premier et deuxième principes. Si le premier principe apparaît comme étant celui de la quantité, le deuxième principe est celui de la qualité ou de la différence entre les formes d’énergie et de l’intérêt des variables intensives. En effet, pour étayer ce dernier point, on note que, s’il est plus intéressant de disposer d’énergie thermique à haute température, c’est tout simplement parce qu’on constate que la chaleur va naturellement du chaud vers le froid, soit d’un système à haute température vers un système à plus basse température. De même en hydraulique, l’eau va naturellement de l’altitude la plus haute vers une altitude plus basse, jamais dans l’autre sens, si ce n’est en utilisant une pompe pour le faire. Température et altitude sont des paramètres (ou variables) intensifs, comme la pression, la tension électrique, la force, etc., et ce sont ces paramètres qui règlent le sens des échanges énergétiques. De plus, la rapidité des échanges (puissance) entre deux éléments est liée au gradient d’intensité qui existe entre eux.

Le deuxième principe est aussi celui des notions d’entropie, d’irréversiblité et de création d’entropie. C’est celui de l’opposition entre échanges quasi statiques, réversibles (donc à puissance nulle et conservation de l’entropie) et échanges efficaces, irréversibles (à puissance finie et création d’entropie).

Ce sont l’ensemble de ces concepts qui font l’objet de cet article.

Dans l’article qui suit Thermodynamique appliquée- Bilans entropiques et exergétiques, ces concepts sont développés afin de pouvoir quantifier les irréversibilités et avoir ainsi une indication chiffrée sur leurs incidences sur le fonctionnement des systèmes énergétiques. Les méthodes d’analyses basées sur les bilans entropiques et exergétiques y sont présentées. Les deux articles sont donc indissociables.