Tout finit en chaleur

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Tout finit en chaleur, et jamais l'inverse

Le café refroidit, jamais l'inverse

Un café chaud posé dans une pièce fraîche refroidit, et la pièce se réchauffe un tout petit peu. Jamais le café ne se réchauffe tout seul en refroidissant la pièce, même si cela respecterait la conservation de l'énergie (chapitre 3) : la même énergie, simplement passée dans l'autre sens.
En 1854, l'Allemand Rudolf Clausius en fait une loi : la chaleur ne passe jamais d'elle-même d'un corps froid vers un corps chaud. C'est le deuxième principe de la thermodynamique. En 1865, il invente un mot pour mesurer ce désordre qui ne fait que grandir : l'entropieDu grec « transformation ». Une mesure du désordre, ou plutôt du nombre de façons de répartir l'énergie entre les atomes. Dans un système isolé, elle ne peut que rester stable ou augmenter..

À retenir : l'énergie se conserve, mais elle ne coule que dans un sens : du chaud vers le froid, de l'ordre vers le désordre. Pour faire l'inverse, comme un frigo, il faut dépenser de l'énergie.

Chaud et froid : à vous

Agitez, puis retirez la paroi : regardez les deux températures.

Essayez :
agitez, retirez la paroi et attendez : les molécules rapides et lentes se mélangent, les deux températures se rejoignent. Remettez la paroi : rien ne se trie. L'énergie est toujours là, mais l'écart de température, qui aurait pu faire tourner une machine, est perdu.

Animation simplifiée : un verre d'eau contient des milliards de milliards de molécules, et celles de l'air filent à environ 500 m/s à température ambiante. Le retour spontané à l'état de départ n'est pas interdit : il est si improbable qu'on ne l'a jamais observé.

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Tout finit en chaleur

Suivez l'électricité d'une lampe : la lumière tombe sur les murs, les meubles, vous, et les réchauffe. D'une télévision : lumière, son, électronique, tout finit en chaleur dans la pièce. D'un ordinateur : les calculs n'emportent aucune énergie, toute l'électricité qu'il reçoit ressort en chaleur.

Pour se le représenter :
un ordinateur de 300 W allumé dans une pièce fermée la chauffe exactement comme un radiateur électrique de 300 W. Seule une infime part s'échappe, en lumière par la fenêtre ou en ondes.

Même un moteur qui monte une charge : le jour où la charge redescend, son énergie de position redevient mouvement, puis chaleur. Le radiateur électrique est donc parfait, avec ses 100 %... et pourtant on peut faire bien mieux pour chauffer, avec une pompe à chaleur (cours Économies d'énergie, chapitre 4, en lien en fin de page).

Idée reçue :
« un appareil efficace ne chauffe pas ». Tout appareil finit par rendre en chaleur toute l'énergie qu'il reçoit. Un bon appareil fait d'abord ce qu'on lui demande, lumière, mouvement, calcul, avec le moins d'énergie possible.

Le frigo ouvert réchauffe la cuisine

Laissez la porte du frigo ouverte par une journée chaude : la cuisine ne refroidit pas, elle se réchauffe. Le frigo ne fabrique pas de froid : il prend la chaleur à l'intérieur et la rejette par la grille de derrière, en y ajoutant celle de son moteur. Porte ouverte, il fait tourner la même chaleur en rond, et ajoute la sienne.

le climatiseur marche pareil, mais il rejette la chaleur dehors, par son groupe extérieur : c'est pour cela qu'il refroidit la pièce ;
le ventilateur ne refroidit pas l'air, il le réchauffe même un tout petit peu, par son moteur. Il vous rafraîchit, vous : l'air qui bouge emporte la chaleur de votre peau et fait s'évaporer la sueur.

À faire chez vous :
éteignez le ventilateur en quittant une pièce : sans personne pour en profiter, il ne fait que chauffer, un peu.

L'énergie ne se perd pas, elle se dégrade

Toutes les énergies ne se valent pas. Un kilowattheure d'électricité peut tout faire : éclairer, faire tourner un moteur, chauffer. Un kilowattheure de chaleur tiède, éparpillée dans l'air d'une pièce, ne sert presque plus à rien.

Qualité de l'énergie : de l'électricité à la chaleur tiède

Toutes les énergies ne se valent pas. L'électricité peut éclairer, faire tourner un moteur ou chauffer. Une flamme ou de la vapeur peuvent encore faire tourner une turbine. L'eau à 60 °C ne sait plus que chauffer, et la chaleur tiède d'une pièce ne sert presque plus à rien. Chaque conversion fait descendre l'énergie d'une marche ; elle ne remonte jamais seule.

« Consommer » de l'énergie, c'est donc la faire descendre de qualité, jusqu'à la chaleur tiède. Les moteurs thermiques et les centrales butent sur cette règle : ils ne peuvent changer qu'une partie de la chaleur en mouvement (la barrière de Carnot, cours Économies d'énergie, chapitre 3).

À retenir : l'énergie se conserve toujours (chapitre 3), mais elle se dégrade, toujours dans le même sens : vers la chaleur tiède. Économiser l'énergie, c'est éviter de la dégrader pour rien.