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La flèche thermodynamique du temps

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Nous ne pouvons pas décrire ici toutes les flèches qui correspondent à des domaines très différents mais nous pouvons en expliciter quelques unes, en commençant par deux flèches qui rendent compte de deux propriétés contradictoires : la flèche thermodynamique qui pose l’irréversibilité des phénomènes macroscopiques et la flèche microscopique qui montre au contraire la réversibilité des phénomènes microscopiques. Le premier principe de la thermodynamique exprime la conservation de l’énergie et donc l’interdiction de construire un mécanisme réalisant un mouvement perpétuel ainsi que la création de matière ou d’énergie à partir de rien. Pour énoncer le deuxième principe, Carnot a longuement étudié les moteurs thermiques. Il s’est aperçu, qu’en cycle fermé, ils revenaient périodiquement à leur état initial en fournissant un certain travail au cours de chaque cycle. Carnot découvre que l’on peut toujours transformer de l’énergie mécanique en chaleur, mais qu’il est impossible de construire un engin qui transformerait en travail de l’énergie calorifique par une seule source. Il est indispensable de disposer d’une source chaude et d’une source froide vers laquelle la chaleur est évacuée (équation de la chaleur de Fourier : elle circule toujours du chaud vers le froid). De plus, la différence entre état initial et état final est la racine du deuxième principe car il permet de dire quelles sont les évolutions permises et lesquelles sont interdites par l’irréversibilité. Ainsi, pour un système isolé obéissant à une condition initiale élevée d’ordre, l’entropie ne peut que croître avec le temps. L’entropie est donc un indicateur du sens d’évolution et sa croissance dans le temps mesure le degré d’irréversibilité d’un processus. C’est donc l’irréversibilité des phénomènes macroscopiques qui oriente le temps. Par exemple, un morceau de sucre que l’on dissout dans le café ne se reconstituera jamais de lui-même. Les équations d’évolution macroscopiques ne sont donc pas invariantes par renversement du temps. Si l’événement B succède à l’événement A, alors les équations d’évolution du système admettent des solutions si tAB est positif, mais pas de solution pour tAB négatif. La flèche thermodynamique résulte donc du fait qu’il y a toujours plus d’états désordonnés que d’états ordonnés. Mais il y a un hic.

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