Entropie : cette force invisible qui sème le chaos dans l’Univers

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Vue partielle de l'IC 348. Crédits : NASA, ESA, CSA, STScI et K. Luhman (Penn State University) et C. Alves de Oliveira (Agence spatiale européenne)

L’entropie est un concept fondamental en thermodynamique qui mesure la tendance d’un système à évoluer vers un état plus désordonné. Plus précisément, c’est une mesure quantitative du désordre ou du chaos d’un système, mais de quoi parle-t-on précisément ?

Les lois de la thermodynamique

La thermodynamique est une branche de la physique qui étudie les relations entre la chaleur, le travail et d’autres formes d’énergie dans un système. En thermodynamique, le travail fait référence à la manière dont l’énergie est transférée d’un système à son environnement ou vice versa sous forme de force appliquée sur une certaine distance. Cette branche de la physique fournit surtout un cadre pour comprendre le comportement des systèmes macroscopiques, tels que les gaz, les liquides et les solides, à travers des principes fondamentaux.

Deux lois majeures gouvernent la thermodynamique. La première, souvent appelée « loi de la conservation de l’énergie », énonce que l’énergie totale d’un système isolé reste constante. Elle ne peut ni être créée ni détruite, mais elle peut changer de forme. Par exemple, l’énergie thermique peut se transformer en énergie mécanique et vice versa. Cette loi établit le principe fondamental de la conservation de l’énergie, fournissant une base pour comprendre comment l’énergie se comporte dans divers processus.

La deuxième loi de la thermodynamique introduit de son côté le concept d’entropie, une mesure du désordre ou de la dispersion de l’énergie thermique dans un système. Contrairement à la première loi, la deuxième loi implique une direction préférentielle des processus. Elle stipule que dans un système isolé, l’entropie a tendance à augmenter avec le temps. Lorsque l’entropie augmente, l’énergie thermique se disperse davantage, faisant évoluer le système vers des états plus désordonnés.

Les systèmes naturels changent avec le temps

Plusieurs exemples de la vie quotidienne permettent de mieux appréhender le principe. Imaginez par exemple un glaçon dans un verre d’eau à température ambiante. Lorsque le glaçon fond, la glace passe d’un état ordonné à un état liquide désordonné, augmentant ainsi l’entropie du système.

De même, un ballon gonflé contient de l’air sous pression. Lorsque vous relâchez l’air du ballon, la pression diminue et l’air se disperse dans l’environnement, augmentant l’entropie du système. Un autre exemple intervient lorsque vous remuez une tasse de café avec une cuillère. Les différentes couches de liquide se mélangent alors, augmentant ainsi l’entropie du système en répartissant la chaleur et les composants du café de manière plus uniforme.

À notre échelle, bien que le concept puisse sembler abstrait, il a des implications profondes pour notre compréhension de l’évolution du monde qui nous entoure. En utilisant l’entropie, les scientifiques peuvent en effet mieux comprendre comment les systèmes naturels changent avec le temps. Cela s’applique à une gamme de domaines, de la manière dont les molécules interagissent dans une tasse de café à la façon dont les organismes évoluent dans la nature.

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Ici, la chaleur du café commence à se répandre dans l’air, entraînant une augmentation de l’entropie. Crédits : Photoboyko/iStock

La mort thermique

Dans l’évolution de l’Univers, la deuxième loi de la thermodynamique s’applique également. Imaginez l’Univers comme un gigantesque système en perpétuelle expansion. Pour rappel, la deuxième loi de la thermodynamique nous dit que dans un système isolé, l’entropie (ou le désordre) a tendance à augmenter avec le temps. Ainsi, au fur et à mesure, on observe ici une augmentation globale de l’espace et de la quantité de matière qui le compose. Cela signifie qu’il y a plus de possibilités pour la disposition des particules, des galaxies et des énergies dans cet espace en expansion. Comme l’espace disponible augmente, l’entropie de l’Univers augmente également, car les particules se dispersent dans un plus grand volume.

On postule que l’Univers finira par atteindre un état maximal d’entropie, appelé la « mort thermique ». À ce stade, toutes les différences de température entre les objets ainsi que tout mouvement moléculaire significatif disparaîtront pratiquement. Dans une salle remplie de particules en mouvement, il pourrait y avoir au début des zones plus chaudes et plus froides, représentant une certaine organisation. Cependant, avec le temps, ces différences de température s’estompent à mesure que les particules se dispersent uniformément dans la salle, atteignant finalement un équilibre thermique où la température est la même partout.

De manière analogue, dans le cosmos, la « mort thermique » suggère donc un état ultime où toutes les différences de température entre les différentes régions de l’espace seront nivelées et tout mouvement moléculaire significatif cessera. Cela représenterait un état d’entropie maximale où l’Univers atteint son niveau le plus élevé de désordre thermique.

Il est important de noter que la « mort thermique » n’implique pas la disparition immédiate de la matière, mais plutôt une sorte d’équilibre où l’énergie disponible est uniformément répartie, sans plus de mouvement significatif.