Quand une énergie est transférée d'un système à un autre, l'énergie transmise peut toujours s'exprimer comme le produit de deux grandeurs dont la nature dépend du phénomène mis en jeu.
En voici quelques exemples :
On ne s'étonnera donc pas d'apprendre que l'énergie transmise par un phénomène thermique, c'est-à-dire la chaleur transmise, peut s'écrire sous la forme d'un produit, à savoir la température multipliée par l'entropie.
L'entropie est une notion qui n'est pas abordée dans l'enseignement secondaire, et qui pourtant joue un rôle capital en sciences.
On peut approcher cette notion en disant que l'entropie est une façon de quantifier le désordre d'un système. Quand on chauffe un corps, on augmente le désordre présent dans sa structure : les molécules de ce corps sont plus agitées lorsque le corps est plus chaud, donc on peut dire qu'elles sont moins bien ordonnées. En physique, la grandeur qui représente le désordre s'appelle l'entropie. On la représente par la lettre S. Quand on fournit de l'entropie à un corps, on lui fournit une chaleur (énergie thermique)
(S00-20) Q = S T
où Q est la quantité de chaleur (en J), et T la température absolue (en K, degrés Kelvin).
La température absolue n'est autre que la température centigrade à laquelle on a ajouté 273°. Par exemple, la température de fusion de la glace est de 273°K et la température d'ébullition de l'eau est de 373°K.
La formule (S00-20) est en fait la formule qui définit scientifiquement l'entropie. On voit que l'unité d'entropie est le J/K (joule par degré Kelvin).
L'entropie est soumise à une loi physique (sinon, cela n'aurait pas valu la peine de la définir). Cette loi dit que l'entropie ne peut pas disparaître : si on enlève de l'entropie à un corps, on doit en fournir au moins autant à un autre.
Revenons maintenant au problème de convertir de la chaleur en énergie noble (mécanique, électrique...). On suppose que le convertisseur utilisé décrit un cycle qui le ramène périodiquement dans son état de départ. Supposons que, pendant ce cycle, il ait reçu une chaleur Qc à une température Tc . On en déduit par la formule (S00-20) que le convertisseur a reçu une entropie.
(S00-21)
Il ne peut pas accumuler cette entropie, puisque nous avons supposé qu'il revient à la fin de son cycle dans son état de départ. Il faut donc qu'il s'en débarrasse en fournissant une entropie Sf au moins égale à un autre corps, soit
(S00-22) Sf ³ Sc
Soit Tf la température du corps qui reçoit cette entropie. Il reçoit en même temps, toujours en vertu de (S00-20), une chaleur
(S00-23) Qf = Sf Tf
Autrement dit, la chaleur qui a disparu dans l'opération, et qui donc a pu être convertie en une énergie noble (mécanique, électrique...), n'est pas Qc mais la différence entre Qc et Qf . En vertu des équations ci-dessus, l'énergie convertie E donc limitée
(S00-24) E = Qc - Qf = Sc Tc - Sf Tf
et , de par (S00-22)
(S00-25) E £ Sc (Tc - Tf )
Pour que l'énergie convertie (S00-25) soit supérieure à zéro, il faut donc que
(S00-26) Tf < Tc
Autrement dit, pour convertir de la chaleur, il faut absolument disposer de deux corps à température différente. On doit prendre de l'entropie à celui qui est le plus chaud et en fournir à celui qui est le plus froid (d'où l'indice "f" utilisé ci-dessus). Le schéma de la figure S00-20 illustre les inégalités auxquelles le processus est soumis.
Figure 20 : Bilans d'entropie et d'énergie d'un convertisseur thermique
Plus précisément, de l'équation (S00-22), on déduit que
(S00-27) 
donc
(S00-28) 
L'énergie convertie est donc limitée
(S00-29) 
Autrement dit, le rendement h d'un convertisseur thermique est limité
(S00-30) 
Cette limitation a été découverte par Carnot .
Le rendement (S00-30), tout en restant inférieur à 1, augmente avec Tc . On a donc intérêt, si l'on veut convertir de la chaleur en énergie noble, à obtenir cette chaleur à la température la plus élevée possible.
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Dernière mise à jour le 03-02-2002