Physique thermique

Transfert thermique et sens de variation de l'entropie

Observez la chaleur s'écouler spontanément du chaud vers le froid et l'augmentation de l'entropie totale lors d'un processus irréversible ; examinez aussi l'inversion de l'échange. Relevez les températures des deux réservoirs et l’entropie totale pendant l’échange, puis vérifiez $ΔS_{total} ≥ 0$ .

Licence

⚠ La simulation thermique est virtuelle ; lors d'expériences réelles, ne manipulez les réservoirs chauds et appareils thermiques qu'avec une supervision adaptée.

Matériel

Deux réservoirs chaud et froid échangeant de la chaleur à travers une paroi
Curseurs de température initiale et de conductance ; graphe des températures et de l'entropie

Protocole

Suivre un échange thermique spontané
Réglez avec les deux curseurs la température T_h du réservoir chaud au-dessus de T_c, celle du réservoir froid, puis gardez κ/C fixe. Sur le graphe, T_h baisse et T_c monte jusqu'à se rapprocher ; vérifiez que l'entropie totale ne diminue pas. Augmentez la conductance de la paroi pour accélérer l'échange. Cliquez sur « Inverser le sens » pour examiner le transfert inverse simulé et sa variation d'entropie, puis réinitialisez. Comparez les grandeurs observées à $ΔS_total ≥ 0$ .
Lire les variations d'entropie
Relevez sur le graphe les températures initiales et finales des deux réservoirs, puis examinez l'entropie totale. Pour une chaleur Q transférée du chaud vers le froid avec $T_h > T_c$ , vérifiez $\Delta S_{total} = -Q/T_h + Q/T_c > 0$ .
Faire varier l'écart de température
Gardez la conductance fixe et augmentez puis réduisez l'écart initial de température. Comparez les vitesses d'équilibrage et les hausses d'entropie totale ; utilisez ensuite l'inversion pour constater que le processus inverse n'est pas spontané. Comparez les grandeurs observées à $ΔS_total ≥ 0$ .

Simulation

Histoire de l’expérience

Le deuxième principe de la thermodynamique s'est développé au XIXe siècle autour de deux questions : pourquoi la chaleur ne se convertit-elle pas entièrement en travail utile, et pourquoi les processus naturels ont-ils un sens privilégié ? Sadi Carnot analysa le rendement des machines thermiques en 1824 ; Rudolf Clausius et William Thomson (lord Kelvin) précisèrent ensuite les limites de conversion et le sens des transferts thermiques. Clausius introduisit l'entropie en thermodynamique en 1865 et énonça que l'entropie d'un système isolé ne diminue pas. Mis en contact, deux corps de températures différentes échangent spontanément de la chaleur du chaud vers le froid ; leur équilibre augmente l'entropie totale, tandis que le processus inverse n'est pas spontané. Cette description idéalisée exige de considérer l'entropie des deux corps, et non d'un seul.

Physiciens associés

Sadi Carnot Rudolf Clausius William Thomson (Lord Kelvin)

Sujets liés de la bibliothèque

Deuxième principe de la thermodynamique Entropie et deuxième principe généralisé