Irréversibilité, étude qualitative Regroupement 4 Page 1 sur 2
Thermodynamique, T09.R4 © Isa 2019
Vers un cafe glace
Ce regroupement rassemble les analyses de l’expérience que nous nommons « Vers un café glacé », déjà vues dans le chapitre T09, Irréversibilité, étude qualitative.
I. Description de l’expérience
Un petit verre contient du café dont la température est celle de l’air ambiant et une bouteille Thermos contient une grande quantité d’eau liquide et de glace, dont la température sous la pression normale est 0 °C. Voir figure 1 ci- dessous. Dans l’état initial, chacun est isolé et en équilibre thermodynamique et comme ils ne sont pas en contact thermique, l’ensemble est aussi isolé et dans un état initial d’équilibre thermodynamique. Nous introduisons le verre dans la bouteille Thermos. L’équilibre thermodynamique est rompu, la situation évolue de façon spontanée et irréversible. Un peu de glace fond et la température du verre devient 0°C. Ainsi dans l’état final d’équilibre thermodynamique les températures se sont égalisées.
T09.R4 Figure 1 : « Vers un café glacé », exemple d'évolution irréversible de la température.
Filmons la scène en montrant d’abord le buveur se brûlant avec son café chaud puis savourant son café glacé par une chaude après-midi d’été. Ensuite passons le film à l’envers. Personne ne croit à la vraisemblance du scénario.
Le café ne se réchauffe pas spontanément tout en faisant geler de l’eau liquide. L’évolution précédente est irréversible.
II. Liste des causes d’irréversibilité
Première cause : La différence de température entre le verre de café et l’eau liquide ou solide, est à la fois la cause de la transformation et de l’irréversibilité.
Deuxième cause : Les fuites thermiques sont une cause d’irréversibilité. Si la bouteille était un isolant thermique parfait, il n’y aurait aucun échange thermique entre l’eau, le café et le milieu extérieur. Même sans introduire le café la glace ne fondrait jamais. Il existe toujours des fuites thermiques c’est à dire qu’aucun isolant thermique n’est parfait.
Troisième cause : Les fuites de matière. Si la bouteille Thermos est fêlée ou renversée alors que son couvercle est mal fermé, cela constitue une autre cause d’irréversibilité.
III. Approcher la réversibilité ?
1. Pour lutter contre les fuites de matière, il faut s’assurer que la bouteille n’est pas fêlée et que le couvercle est convenablement fermé.
2. Dans cette transformation les fuites thermiques se produisent du milieu extérieur vers le système1. Pour réduire les fuites thermiques il faut s’assurer que la bouteille Thermos est de bonne qualité et la fermer convenablement.
3. De plus pour approcher de la réversibilité il faudrait pouvoir réduire la différence de température entre le café et le mélange eau liquide-solide. Or nous ne pouvons pas modifier la température de ce mélange, 0 °C sous la pression normale. Et il serait absurde de refroidir préalablement le café en utilisant un autre procédé avant d’envisager son refroidissement par le mélange eau liquide-eau solide alors qu’il serait déjà refroidi. En d’autres termes la
1 Dans les expériences « Du café dans une Thermos » les fuites thermiques ont lieu vers le milieu extérieur.
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transformation serait inexistante. Le refroidissement préalable est une toute autre transformation c’est-à-dire un refroidissement progressif semblable à l’expérience « Thermos ouverte »2.
IV. « Glace fondante », localisation de l’irréversibilité
Le mélange eau liquide et solide en équilibre thermodynamique est nommé « Glace fondante ». Sous la pression normale, sa température est 0 °C. Et ceci quelles que soient les masses d’eau liquide et solide en présence.
Quand le café cède de l’énergie sous forme thermique à la « glace fondante », de la glace fond, mais la température de la « glace fondante » reste égale à 0 °C, sauf très localement et très brièvement à cause des contacts thermiques entre l’eau et le verre de café qui peuvent engendrer une élévation locale transitoire de la température de l’eau. Le film passé à l’envers est vraisemblable car seules des mesures détaillées de la température permettraient de le distinguer du film initial. De même, si on place le café au congélateur avant de le mettre en contact avec la « glace fondante », de l’eau liquide se solidifie mais la température reste égale à 0°C, sauf très localement et très brièvement.
En d’autres termes le système « Glace fondante » passe par une suite d’états tous proches de l’équilibre thermodynamique. Il subit une transformation proche de la réversibilité. Notons que, par contre, dans les deux cas, le café subit une transformation irréversible donc la transformation globale est irréversible. Dans celle-ci, l’irréversibilité est essentiellement liée à l’évolution du verre de café, « localisée » dans le verre de café.
Cette expérience, « Vers un café glacé », illustre qu’il n’est pas possible d’approcher la réversibilité quand subdiviser la cause de la transformation dénature celle-ci. En outre, deux faits supplémentaires apparaissent. D’une part les fuites thermiques, malgré leur dénomination, s’effectuent ici du milieu extérieur vers le système. D’autre part, l’irréversibilité de la transformation globale est liée à l’évolution du verre de café, elle est « localisée » dans celui-ci car l’évolution de l’eau sous forme de « glace fondante », liquide et solide, est proche de la réversibilité.
2 Voir T09, § II.C.4 & T09.R3.
