6.3 : Les lois de la thermodynamique

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Compétences à développer

Discutez du concept d'entropie
Expliquer les première et deuxième lois de la thermodynamique

La thermodynamique fait référence à l'étude de l'énergie et du transfert d'énergie impliquant de la matière physique. La matière et son environnement pertinents pour un cas particulier de transfert d'énergie sont classés comme un système, et tout ce qui se trouve en dehors de ce système est appelé environnement. Par exemple, lorsque vous chauffez une casserole d'eau sur la cuisinière, le système inclut la cuisinière, la marmite et l'eau. L'énergie est transférée dans le système (entre le poêle, la marmite et l'eau). Il existe deux types de systèmes : ouverts et fermés. Un système ouvert est un système dans lequel l'énergie peut être transférée entre le système et son environnement. Le système de cuisson est ouvert car la chaleur peut être perdue dans l'air. Un système fermé est un système qui ne peut pas transférer d'énergie à son environnement.

Les organismes biologiques sont des systèmes ouverts. L'énergie est échangée entre eux et leur environnement, car ils consomment des molécules qui stockent de l'énergie et libèrent de l'énergie dans l'environnement en travaillant. Comme toutes les choses du monde physique, l'énergie est soumise aux lois de la physique. Les lois de la thermodynamique régissent le transfert d'énergie dans et entre tous les systèmes de l'univers.

La première loi de la thermodynamique

La première loi de la thermodynamique concerne la quantité totale d'énergie présente dans l'univers. Il indique que cette quantité totale d'énergie est constante. En d'autres termes, il y a toujours eu et il y aura toujours exactement la même quantité d'énergie dans l'univers. L'énergie existe sous de nombreuses formes différentes. Selon la première loi de la thermodynamique, l'énergie peut être transférée d'un endroit à l'autre ou transformée sous différentes formes, mais elle ne peut être ni créée ni détruite. Les transferts et les transformations d'énergie se produisent tout le temps autour de nous. Les ampoules transforment l'énergie électrique en énergie lumineuse. Les cuisinières à gaz transforment l'énergie chimique du gaz naturel en énergie thermique. Les plantes effectuent l'une des transformations énergétiques les plus utiles sur Terre sur le plan biologique : celle de convertir l'énergie de la lumière solaire en énergie chimique stockée dans les molécules organiques (Figure 2.3.b.1). Quelques exemples de transformations énergétiques sont présentés dans la figure\(\PageIndex{1}\).

Le défi pour tous les organismes vivants est d'obtenir de l'énergie de leur environnement sous des formes qu'ils peuvent transférer ou transformer en énergie utilisable pour leur travail. Les cellules vivantes ont évolué pour répondre très bien à ce défi. L'énergie chimique stockée dans les molécules organiques telles que les sucres et les graisses est transformée par une série de réactions chimiques cellulaires en énergie au sein des molécules d'ATP. L'énergie contenue dans les molécules d'ATP est facilement accessible pour travailler. Parmi les types de travail que les cellules doivent effectuer, citons la construction de molécules complexes, le transport de matériaux, la stimulation du mouvement des cils ou des flagelles, la contraction des fibres musculaires pour créer du mouvement et la reproduction.

La partie gauche de ce diagramme montre l'énergie transférée d'un cornet de crème glacée à deux garçons faisant du vélo. Le côté droit représente une plante convertissant l'énergie lumineuse en énergie chimique. — Figure\(\PageIndex{1}\) : Deux exemples d'énergie transférée d'un système à un autre et transformée d'une forme à une autre sont illustrés. Les humains peuvent convertir l'énergie chimique des aliments, comme ce cornet de crème glacée, en énergie cinétique (l'énergie du mouvement pour faire du vélo). Les plantes peuvent convertir le rayonnement électromagnétique (énergie lumineuse) du soleil en énergie chimique. (crédit « crème glacée » : modification de l'œuvre par D. Sharon Pruitt ; crédit « kids on bikes » : modification de l'œuvre par Michelle Riggen-Ransom ; crédit « feuille » : modification de l'œuvre de Cory Zanker)

La deuxième loi de la thermodynamique

Les principales tâches d'une cellule vivante, qui consistent à obtenir, transformer et utiliser l'énergie pour travailler, peuvent sembler simples. Cependant, la deuxième loi de la thermodynamique explique pourquoi ces tâches sont plus difficiles qu'il n'y paraît. Aucun des transferts d'énergie dont nous avons parlé, de même que tous les transferts et transformations d'énergie dans l'univers, n'est totalement efficace. Lors de chaque transfert d'énergie, une certaine quantité d'énergie est perdue sous une forme inutilisable. Dans la plupart des cas, cette forme est l'énergie thermique. Sur le plan thermodynamique, l'énergie thermique est définie comme l'énergie transférée d'un système à un autre qui ne fonctionne pas. Par exemple, lorsqu'un avion vole dans les airs, une partie de l'énergie de l'avion volant est perdue sous forme d'énergie thermique en raison de la friction avec l'air ambiant. Ce frottement réchauffe en fait l'air en augmentant temporairement la vitesse des molécules d'air. De même, une partie de l'énergie est perdue sous forme d'énergie thermique lors des réactions métaboliques cellulaires. C'est bon pour les créatures à sang chaud comme nous, car l'énergie thermique aide à maintenir la température de notre corps. À proprement parler, aucun transfert d'énergie n'est totalement efficace, car une partie de l'énergie est perdue sous une forme inutilisable.

Un concept important des systèmes physiques est celui de l'ordre et du désordre (également connu sous le nom de hasard). Plus un système perd de l'énergie dans son environnement, moins il est ordonné et aléatoire. Les scientifiques appellent entropie la mesure du caractère aléatoire ou du désordre au sein d'un système. Une entropie élevée signifie un trouble élevé et une faible énergie (Figure\(\PageIndex{2}\)). Pour mieux comprendre l'entropie, pensez à la chambre d'un étudiant. Si l'on n'y consacrait ni énergie ni travail, la pièce deviendrait rapidement désordonnée. Il existerait dans un état très désordonné, caractérisé par une entropie élevée. De l'énergie doit être injectée dans le système, sous la forme de l'étudiant qui travaille et range tout, afin de remettre la pièce dans un état de propreté et d'ordre. Cet état est un état de faible entropie. De même, une voiture ou une maison doit être constamment entretenue avec des travaux afin de la maintenir dans un état ordonné. Laissée seule, l'entropie de la maison ou de la voiture augmente progressivement à cause de la rouille et de la dégradation. Les molécules et les réactions chimiques présentent également des niveaux d'entropie variables. Par exemple, lorsque les réactions chimiques atteignent un état d'équilibre, l'entropie augmente, et lorsque des molécules à forte concentration se diffusent et s'étalent en un seul endroit, l'entropie augmente également.

Lien scientifique : transfert d'énergie et entropie qui en résulte

Organisez une expérience simple pour comprendre comment l'énergie est transférée et comment se produit une modification de l'entropie.

Prends un bloc de glace. C'est de l'eau sous forme solide, elle a donc un ordre structurel élevé. Cela signifie que les molécules ne peuvent pas beaucoup bouger et se trouvent dans une position fixe. La température de la glace est de 0 °C. Par conséquent, l'entropie du système est faible.
Laissez la glace fondre à température ambiante. Quel est l'état actuel des molécules dans l'eau liquide ? Comment s'est passé le transfert d'énergie ? L'entropie du système est-elle plus ou moins élevée ? Pourquoi ?
Faites chauffer l'eau jusqu'à ébullition. Qu'arrive-t-il à l'entropie du système lorsque l'eau est chauffée ?

Tous les systèmes physiques peuvent être considérés de cette façon : les êtres vivants sont très ordonnés, nécessitant un apport énergétique constant pour être maintenus dans un état de faible entropie. Au fur et à mesure que les systèmes vivants absorbent des molécules qui stockent de l'énergie et les transforment par des réactions chimiques, ils perdent une certaine quantité d'énergie utilisable au cours du processus, car aucune réaction n'est totalement efficace. Ils produisent également des déchets et des sous-produits qui ne sont pas des sources d'énergie utiles. Ce processus augmente l'entropie de l'environnement du système. Puisque tous les transferts d'énergie entraînent la perte d'une partie de l'énergie utilisable, la deuxième loi de la thermodynamique stipule que chaque transfert ou transformation d'énergie augmente l'entropie de l'univers. Même si les êtres vivants sont très ordonnés et maintiennent un état de faible entropie, l'entropie de l'univers dans son ensemble augmente constamment en raison de la perte d'énergie utilisable à chaque transfert d'énergie qui se produit. Essentiellement, les êtres vivants sont engagés dans une lutte acharnée contre cette augmentation constante de l'entropie universelle.

Ce diagramme montre que les solides ont un arrangement de conditionnement régulier et une faible entropie, tandis que les liquides ont un tassement irrégulier et une entropie plus élevée. — Figure\(\PageIndex{2}\) : L'entropie est une mesure du caractère aléatoire ou du désordre dans un système. Les gaz ont une entropie plus élevée que les liquides et les liquides ont une entropie plus élevée que les solides.

Résumé

Lorsqu'ils étudient l'énergie, les scientifiques utilisent le terme « système » pour désigner la matière et son environnement impliqués dans les transferts d'énergie. Tout ce qui se trouve à l'extérieur du système est appelé environnement. Les cellules individuelles sont des systèmes biologiques. Les systèmes peuvent être considérés comme ayant un certain ordre. Il faut de l'énergie pour rendre un système plus ordonné. Plus un système est ordonné, plus son entropie est faible. L'entropie est une mesure du désordre d'un système. À mesure qu'un système devient plus désordonné, plus son énergie diminue et plus son entropie augmente.

Une série de lois, appelées lois de la thermodynamique, décrivent les propriétés et les processus du transfert d'énergie. La première loi stipule que la quantité totale d'énergie dans l'univers est constante. Cela signifie que l'énergie ne peut être ni créée ni détruite, mais uniquement transférée ou transformée. La deuxième loi de la thermodynamique stipule que chaque transfert d'énergie entraîne une certaine perte d'énergie sous une forme inutilisable, telle que l'énergie thermique, ce qui entraîne un système plus désordonné. En d'autres termes, aucun transfert d'énergie n'est totalement efficace et tend au désordre.

Lexique

entropie (S): mesure du caractère aléatoire ou du désordre au sein d'un système

chaleur: énergie transférée d'un système à un autre qui n'est pas du travail (énergie du mouvement des molécules ou des particules)

thermodynamique: étude de l'énergie et du transfert d'énergie impliquant de la matière physique