L’entropie est un concept très abstrait, difficile à comprendre, qui fleure bon la fin de l’univers dans un désert thermique généralisé !

Pour démarrer, il nous faut revenir sur une notion fondamentale en physique, l’énergie.

L’énergie est un concept intuitif, que l’on décrit pour l’essentiel comme ce qui permet à un système de produire un travail, de créer des transformations : éclairer, chauffer, faire bouger, lever, comprimer …. Elle existe sous de multiples formes que chacun a rencontrées: électrique, solaire, nucléaire, chimique, cinétique, gravitationnelle … Ou tout simplement sous forme thermique, la chaleur.

1^er principe de la thermodynamique

Une caractéristique fondamentale de l’énergie est que sa quantité dans tout notre univers est fixe : on ne peut ni en créer ni en détruire, on ne peut que l’échanger d’un système à un autre, ou la transformer sous une forme ou une autre. Un chauffage au bois par exemple est allumé et chauffe ; l’énergie chimique contenue dans le bois est transformée en énergie lumineuse et thermique. Autre exemple, un moteur électrique lève une cabine d’ascenseur. L’énergie électrique qui alimente le moteur est transformée en énergie potentielle de la cabine, l’énergie conférée à une masse en hauteur. Le premier principe de la thermodynamique dit que dans un système isolé, et donc aussi pour notre univers, il y a conservation globale de l’énergie, exprimée en Joules.

Toute l’histoire de notre vie consiste en fait à utiliser de l’énergie existante sur terre, solaire, chimique, nucléaire… pour la transformer soit en énergie utile pour notre existence, énergie mécanique des moteurs, énergie électrique des ordinateurs par exemple, soit en une autre forme d’énergie, qui peut être tout simplement de l’énergie thermique pour se chauffer, soit en général les deux. Et toujours en respectant le principe de conservation globale de l’énergie. Ci-contre l’avion Solar Implulse utilise l’énergie solaire pour voler.

2^e principe de la thermodynamique

Mais si l’énergie se conserve lorsqu’on la transforme, une partie de celle-ci se transforme toujours de façon irréversible en se dégradant en énergie inutilisable, en énergie thermique, en chaleur. Prenons l’exemple d’une voiture : l’énergie chimique contenue dans l’essence se transforme en énergie cinétique (vitesse du véhicule), mais aussi en pertes thermiques dues à l’échauffement du moteur qu’il faut refroidir, ou en chaleur dans les freins lorsqu’on arrête le véhicule. On ne consomme pas de l’énergie, on la transforme en une autre énergie et on la dégrade en chaleur inutilisable. Les physiciens du 19^e siècle ont appelé Entropie la mesure de cette énergie dégradée, et ont énoncé le 2^e principe de la Thermodynamique, qui dit que dans un système isolé qui évolue, l’entropie ne peut que croître. Dans notre univers, l’entropie totale ne peut qu’augmenter.

Des situations très simples nous montre bien cette augmentation de l’entropie. Premier exemple, un objet chaud se refroidit spontanément (jamais l’inverse), en diluant sa chaleur dans l’espace environnant. Deuxième exemple, dans un local un réservoir est rempli de gaz comprimé ; on ouvre le robinet, le gaz s’échappe et emplit le local. Dans les deux cas, l’entropie des systèmes augmente. On aurait pu utiliser la chaleur de l’objet ou la pression du gaz pour produire un travail, c’est-à-dire une autre forme d’énergie utilisable. Après coup, leurs énergies ont été dégradées et ne sont plus disponibles pour être transformées en énergie utilisable.

Les différentes énergies disponibles pour l’homme, qu’il transforme à son profit, se dégradent peu à peu de façon irréversible. Notre univers est condamné à voir toute l’énergie utile qu’il contient se dégrader en chaleur, diluée dans un équilibre thermique généralisé, et son expansion le verra se refroidir vers le zéro absolu.

Pour comprendre plus en profondeur cette notion d’entropie, il a fallu descendre profondément dans la matière, au niveau des molécules ou atomes. C’est Boltzman qui fera ce remarquable travail en 1877.

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