ENTROPIE THERMODYNAMIQUE ET INFORMATION

« La question qui se posait alors était la suivante : est -il possible d'améliorer encore ce rendement, par exemple en augmentant la pression de la vapeur , sa température, ou en changeant de fluide , etc.

C'est en cherchant à répondre à cette question que Sadi Carnot, fils du général Lazare Carnot( « l'organisa ­ teur de la victoire » sous la Révolution) énonça un principe fondamental de la thermodynamique , le deuxième principe (bien qu'explicité plus tard, le premier principe· porte son numéro car il précède « logiquement • le deuxième principe : le premier principe est en effet la traduction thermodyna ­ mique du principe général de la conservation de l 'énergie , en l'occurrence sous forme de l'équ ivalen­ ce quantitative de la chaleur et de l'énergie).

Les raisonnements de Carnot se fondent sur deux notions : celle de « cycle • et celle de « trans­ formation réversible ».

Pour qu'il y ait transformation utile de chaleur en travail, il faut que le fluide grâce auquel cette transformation s'accomplit soit à la fin de l'opéra ­ tion dans le même état physique (température , pression, etc.) qu'au début.

Considérons en effet un gaz comprimé qui se détend : il pousse un piston (qui peut par exemple servir à extraire de l'eau d'un puits) et accomplit donc un certain travail ; en con­ trepartie, il se refroidit et perd donc une certaine quantité de sa chaleur.

Mais, son état final étant fort différent de son état initial, cette transforma­ tion n'est pas vraiment utilisable, car pour recom­ mencer l'opération, il faudrait recomprimer le gaz, et par conséquent lui fournir une quantité de travail au moins égale à celle que le gaz avait fournie en se détendant.

D'où la nécessité du cycle, que l'on obtiendra par exemple en mettant le gaz en contact alternativement avec une source de chaleur (appe­ lée« source chaude •) et avec un corps froid (appe­ lé « source froide •) : le gaz emprunte de la chaleur à la source chaude, il se détend en accomplissant un certain travail ; puis il se contracte au contact de la source froide, en lui transmettant une certaine quantité de chaleur résiduelle inutilisable (et en absorbant une certaine quantité de travail , mais inférieure à celle qu'il a fournie précédemment, grâ­ ce au fait que la source froide et le gaz lui-même sont à une température plus basse) .

In fine, le gaz se retrouve à son état de départ, mais il a transféré une certaine quantité de chaleur de la source chau­ de à la source froide, et il a fourni à« l'extérieur » une certaine quantité de travail utilisable.

Si l'on s 'arrange pour maintenir constante la température de la source chaude malgré ce « pompage • cons­ tant de chaleur effectué par le gaz (par exemple en la chauffant par une combustion de charbon ou de pétrole) , ainsi que celle de la source froide (par exemple en prenant un réservoir d'une capacité suf­ fisamment grande: l'air atmosphérique , l'eau de la mer, etc.), on peut donc répéter le cycle indéfini­ ment , ou du moins tant qu'on dispose de quoi com­ penser la perte d~;_ chaleur de la source chaude et tant que la source froide ne s'est pas trop réchauf­ fée .

Autrement dit, et c'est la première constatation de Carnot , dès qu' il y a une différence de tempéra­ ture entre deux corps, on peut en les utilisant comme source chaude et source froide d'un moteur , tirer de cette différence de température un certain travail.

Quelle est cette quantité de travail ? Pour le déterminer, Carnot imagina un cycle idéal (le célèbre «cycle de Carnot ») dont la caractéris­ tique essentielle est d'être intégralement réversible .

Cela veut dire qu' il peut fonctionner rigoureuse­ ment à l'envers, toutes les quantités en jeu (travail et chaleur) étant alors transmises en sens inverse : si dans un sens (le sens « normal •) il prend de la chaleur à la source chaude, en transforme une par­ tie en travail utile et transfère le reste à la source froide, en sens inverse, il prendra de la chaleur à la source froide, et au prix d'un certain travail qui lui sera fourn i de l'extérieur, transmettra une quantité de chaleur plus grande à la source chaude (c'est le mode de fonctionnement des réfrigérateurs): dans les deux cas, les quantités de travail et de chaleur sont rigoureusement les mêmes en valeur absolue , mais les échanges se font en sens inverse.

Evidemment , un tel moteur «réversible • n'est pas concrètement réalisable : il faudrait pour qu'il le soit qu' il n'y ait aucun frottement dissipant une partie du travail fourni sous forme d'une chaleur inutilisable, et que n'apparaissent jamais de diffé ­ rences de températures entre les corps échangeant de la chaleur , car dans un cas comme dans l'autre, c 'est une partie de la « puissance motrice » due à la différence de température entre les deux sources qui est perdue sans profit.

Cela supposerait donc que le moteur soit parfaitement calorifugé et lubri­ fié, et qu'il fonctionne infiniment lentement.

Il constitue donc un idéal, une limite impossible à atteindre .

Mai s il présente un avantage théorique énorme : c'est, pour une quantité de chaleur utili­ sée , donnée , celu i qui a le meilleur rendement.

Car ­ not raisonne de la façon suivante : supposons qu'a­ vec les deux mêmes sources chaude et froide , on puisse trouver un moteur ayant un meilleur rende­ ment (c'est-à -dire fournissant plus de travail tout en prenant la même quantité de chaleur à la source chaude); il suffit alors de faire tourner, à l'envers, à l'aide de ce nouveau moteur, un moteur réversible qui, pour un travail moindre, restituera à la source chaude une quantité de chaleur égale à celle qui lui aura été prise par le premier moteur : ainsi, sans dépenser aucune chaleur, pourrons-nous obtenir une énergie gratuite, égale à la différence entre le travail fourni par le premier moteur et celui absor­ bé par le second pour tourner à l'envers , ou , ce qui revient au même, transférer de la source froide à la source chaude de la chaleur sans aucune dépense d'énergie .

Cela est évidemment absurde, et posé comme impossible par le deuxième principe.. »