Réversibilité et irréversibilité en thermodynamique - Définition
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Introduction
La réversibilité et l’irréversibilité sont des concepts importants en physique et tout particulièrement en thermodynamique.
Tout le monde a fait les expériences suivantes :
- un morceau de verre se brise sur le sol et il ne se reconstitue jamais de lui-même,
- en revanche, on peut tirer sur un élastique, le déformer et, dans une certaine limite, quand on le relâche cet élastique retrouve un état semblable à son état initial.
La première expérience est typique d'un comportement irréversible, la seconde est ce qui s'approche le plus d'une transformation réversible. Aussi simples qu'ils puissent paraître ces deux exemples illustrent respectivement la possibilité ou l'impossibilité pour un système de retrouver spontanément et de manière exacte son état immédiatement antérieur à une modification.
La réversibilité en mécanique et position du problème
La mécanique classique, telle que fondée par Newton notamment, suppose la réversibilité des phénomènes de manière implicite. En effet dans toutes les équations fondamentales, le temps est renversable, c'est-à-dire que le changement de la variable temps t en -t laisse les équations fondamentales invariantes.
Ainsi pour la mécanique classique, « dérouler le film » d'une évolution physique à l'envers est tout à fait acceptable. Or cette vision heurte le bon sens et pour les phénomènes simples : un seul sens d'évolution est physiquement acceptable. Par exemple, une balle lâchée d'une certaine hauteur tombe au sol, y rebondit un certain temps puis s'arrête une fois qu'elle a cédé toute son énergie cinétique au sol. Pour la mécanique classique, il est tout à fait acceptable en théorie que le processus inverse se produise de façon spontanée : le sol fournirait alors de l'énergie à la balle, qui se mettrait à sauter de plus en plus haut jusqu'à retrouver la hauteur de la main qui l'a lâchée !
Néanmoins, les premiers succès historiques des Lois de Newton leur ont conféré longtemps un assise particulière dans le monde des sciences. Ainsi Laplace n'hésite pas à prédire, non seulement un déterminisme total des lois de la physique, mais également la possibilité, à partir d'un état donné de décrire le passé et le futur d'un système mécanique : le temps n'a pas de sens d'écoulement.
Un certain nombre de problèmes conceptuels et pratiques vont néanmoins se poser, essentiellement aux XVIIe siècle et XVIIIe siècles sous l'impulsion du développement des machines à vapeur notamment. Un des principaux problèmes est celui de la chaleur. Toutes les expériences montrent que celle-ci se transmet du corps chaud au corps froid, et ceci tant que les températures ne sont pas égales. Il est ainsi illusoire d'attendre que le corps froid cède de sa chaleur au corps chaud : une fois le transfert réalisé, il est irréversible. Une autre constatation cruciale de l'irréversibilité est la suivante : alors qu'il est extrêmement simple d'obtenir de la chaleur par un travail mécanique (c'est ainsi que nos ancêtres allumaient un feu, en frottant du bois sec) il apparaît beaucoup plus difficile de transformer ensuite cette même chaleur en travail (vous n'arriverez pas à faire bouger une baguette de bois sec en y mettant le feu par exemple). Il y a donc encore irréversibilité.
Néanmoins, même à cette époque, les tenants d'une approche mécaniste de la physique ont du mal à accepter la remise en cause de la réversibilité totale des évolutions. De grands physiciens comme Maxwell tentent de faire apparaître des paradoxes ou de mettre au point des expériences de pensée à même de contredire l'apparition de l'irréversibilité en physique (voir notamment la détente de Joule et Gay-Lussac et le Démon de Maxwell).
