Entropie

L’entropie est un principe thermodynamique fondamental utilisé pour décrire le transfert de chaleur dans un système.

Le terme entropie est souvent considéré comme une mesure du « désordre » d’un système et la deuxième loi de la thermodynamique stipule que si le système subit un processus irréversible, alors l’entropie du système augmentera toujours.

Pensez au gaz piégé dans un récipient dont le volume, la pression et la température sont connus. Les molécules de gaz peuvent avoir un nombre énorme de configurations possibles. Si le récipient est ouvert, les molécules de gaz s’échappent et le nombre de configurations augmente considérablement, approchant essentiellement l’infini. Par conséquent, S, qui dénote l’entropie, a certainement augmenté après l’ouverture du récipient. Ainsi? S, ou la variation de l’entropie, est supérieure à zéro.

De même, l’entropie augmente également lorsque l’eau chaude est laissée à température ambiante et laissée refroidir. Dans cette vidéo, nous allons illustrer comment mesurer la variation d’entropie d’un système lors de telles expériences de refroidissement.

Avant d’apprendre à faire l’expérience et à recueillir des données, apprenons quelques lois et équations qui nous permettent de calculer le taux de changement de température et l’augmentation de l’entropie pendant les expériences de refroidissement.

La loi de refroidissement de Newton stipule que le taux de changement de température d’un objet est proportionnel à la différence entre sa propre température et la température de l’environnement. En utilisant le calcul, cette relation peut être convertie dans cette équation, où t minuscule représente le temps, Ts désigne la température de l’environnement, T0 est la température initiale et k est une constante qui dépend des caractéristiques de l’objet et de son environnement.

À l’aide de cette équation, on peut calculer la température d’un système de refroidissement à tout moment si toutes les autres variables sont connues. Cette équation montre également que la température est une fonction exponentielle du temps. Ainsi, lorsqu’un objet chaud, comme un verre d’eau chaude, est placé dans un environnement plus frais, sa température diminuera à un rythme exponentiel jusqu’à ce qu’il atteigne la température de l’environnement.

Voyons maintenant comment calculer la variation de l’entropie, ou ?S. Revenons à l’époque où l’eau était chaude.

Lorsque l’on parle d’entropie, il faut d’abord définir le système. Ici, le système est le verre d’eau plus l’air dans la pièce. Donc, le changement d’entropie du système, ou ? Stotal est la somme de la variation des entropies de ces composants individuels. Mathématiquement, la variation de l’entropie est définie comme la chaleur gagnée ou perdue, notée Q, divisée par la température.

Dans ce scénario, nous savons que la chaleur quitte l’eau, donc ? S pour l’eau diminue. Au contraire, l’air ambiant gagne en chaleur. Donc? L’air augmente. D’après la deuxième loi de la thermodynamique, nous savons que la variation de l’entropie du système total doit être positive.

Voyons maintenant comment mener une expérience pour tester ces prédictions théoriques de la loi de refroidissement de Newton et de la deuxième loi de la thermodynamique.

Pour commencer, remplissez un grand bécher avec entre 500 ml et un litre d’eau. Placez le bécher sur une plaque chauffante et faites bouillir l’eau. Une fois l’eau bouillante, éteignez l’élément chauffant.

Ensuite, retirez délicatement le bécher de la plaque chauffante et placez-le sur la table sur du papier absorbant. Les serviettes en papier serviront d’isolant entre l’eau et la table froide. Mesurez la température de l’eau à l’aide du thermomètre.

Démarrez le chronomètre et enregistrez la température de l’eau toutes les minutes pendant les 20 premières minutes.

Pendant les 20 prochaines minutes, notez la température toutes les 5 minutes.

Arrêtez de prendre des mesures lorsque l’eau s’est approchée de la température ambiante. Ensuite, tracez les points de données dans un graphique de la température de l’eau en fonction du temps.

Analysons maintenant les données obtenues. La température initiale de l’eau était de 100 degrés, à 35 minutes, la température est tombée à 50,6 et la température ambiante était de 28,5 degrés. Branchez ces valeurs dans la loi de refroidissement de Newton et déterminez la constante de refroidissement k.

Maintenant, en utilisant la valeur calculée pour k, tracez l’équation comme une fonction continue. Si nous posons nos points de données mesurés sur ce graphique, nous pouvons voir que les fonctions théoriques et expérimentales suivent un chemin presque identique.

Parlons maintenant de l’entropie. Comme nous le savons, la variation totale de l’entropie, ou delta S, est égale à la variation de l’entropie pour l’eau plus la pièce.

La variation de l’entropie est égale à Q, ou la quantité de chaleur transférée de l’eau chaude à l’air, divisée par T, de sorte que la variation de l’entropie peut être calculée si Q est connu.

Q peut être calculé en utilisant la relation entre la masse, m, la chaleur spécifique, c et le changement de température en Kelvin, delta T. En utilisant les valeurs pour l’eau, la quantité de chaleur libérée par l’eau, Q peut être calculée et utilisée pour calculer delta S.

Ainsi, les données expérimentales montrent que l’entropie du système total a augmenté depuis que la chaleur a été transférée de l’eau aux molécules d’air dans la pièce. Cela valide la deuxième loi de la thermodynamique.

L’entropie et la deuxième loi de la thermodynamique décrivent un large éventail d’occurrences dans la nature et l’ingénierie.

Un réfrigérateur est essentiellement une pompe à chaleur, et retire la chaleur d’un endroit à une température plus basse, la source de chaleur, et la transfère à un autre endroit, le dissipateur thermique, à une température plus élevée.

Selon la deuxième loi, la chaleur ne peut pas s’écouler spontanément d’un endroit plus froid à un endroit plus chaud. Ainsi, du travail, ou de l’énergie, est nécessaire pour la réfrigération.

Un feu de camp est un autre exemple de changements d’entropie dans la vie réelle. Le bois massif utilisé comme combustible brûle et se transforme en un tas de cendres désordonné. De plus, des molécules d’eau et du dioxyde de carbone sont libérés.

Les atomes des vapeurs se répandent en un nuage en expansion, avec des arrangements désordonnés infinis. Ainsi, la variation d’entropie due à la combustion du bois est toujours positive.

Vous venez de regarder l’introduction de JoVE à l’entropie et à la deuxième loi de la thermodynamique. Vous devriez maintenant comprendre le concept de base de l’entropie, la loi de refroidissement de Newton et des exemples de changements d’entropie dans la vie quotidienne. Merci d’avoir regardé !