La loi Constructale et sa place dans la thermodynamique

Toute loi de la physique est un énoncé concis qui adresse un phénomène se produisant dans la nature. La loi Constructale est née du constat que le concept de « design » est un phénomène physique universel couvrant des domaines extrêmement larges et des échelles extrêmement différentes, de la forme dendritique du flocon de neige au bassin hydrologique de l’Amazone. Son principe a été énoncé en 1996 . Cette loi est à l’origine d’un ensemble de travaux qui représentent une nouvelle extension de la thermodynamique : la thermodynamique des systèmes hors équilibre avec configuration et évolution.

Imaginons un système thermodynamique isolé dans un état initial interne de non-uniformité comme par exemple des sous-domaines à différentes pressions ou températures séparés par une paroi interne qui se brise soudainement. La première loi et la deuxième loi de la thermodynamique prennent en compte des observations qui décrivent une tendance dans le temps : si le temps est suffisant, le système isolé tend vers un nouvel état d’équilibre : pas de courants internes, l’entropie devient maximale à énergie constante. La première et la deuxième loi décrivent une boîte noire. Rien n’est indiqué sur l’évolution de la configuration (le dessin, l’architecture) des écoulements concernés.

La thermodynamique classique n’est pas concernée par les configurations de ces systèmes d’écoulements hors équilibre. Pourtant, elle le devrait. En effet, le mémoire de Sadi Carnot traite d’améliorations de configurations dans le temps. Son intuition était partagée par beaucoup qui cherchaient à augmenter la performance thermodynamique dans différents domaines (ingénierie, biologie, géophysique, économie…) sans percevoir l’universalité de leur démarche : la génération de configurations dans le temps pour l’optimisation du rendement thermodynamique.

Cette tendance, séquence temporelle de nouveaux dessins, nouvelles formes que le système possède alors qu’il évolue, est le phénomène couvert par la loi Constructale ; pas le dessin en soi, mais la direction dans le temps vers laquelle le système évolue s’il en a la liberté.

Selon la loi Constructale, la génération de configurations d’écoulement dans la nature et en ingénierie obéit à un principe identique. La nature et l’ingénierie peuvent chacune être appréhendées de deux manières, empiriquement ou théoriquement. D’un côté, l’observation de la nature pour la copier vient d’abord et sert de point de départ à la modélisation, description, et ingénierie bio-inspirée. L’approche Constructale va à l’encontre de cette approche : l’architecture des flux est déduite de la loi Constructale. Ce n’est que dans un deuxième temps que la configuration théorique est comparée avec une configuration équivalente trouvée dans la nature.