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4.14 : La deuxième loi de la thermodynamique - Biologie

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Les tâches principales d'une cellule vivante consistant à obtenir, transformer et utiliser de l'énergie pour effectuer un travail peuvent sembler simples. À proprement parler, aucun transfert d'énergie n'est totalement efficace, car une partie de l'énergie est perdue sous une forme inutilisable.

Un concept important dans les systèmes physiques est celui d'ordre et de désordre (également connu sous le nom d'aléatoire). Plus un système perd d'énergie dans son environnement, moins le système est ordonné et aléatoire. Les scientifiques appellent entropie la mesure du caractère aléatoire ou du désordre au sein d'un système. Une entropie élevée signifie un désordre élevé et une énergie faible (Figure 1). Pour mieux comprendre l'entropie, pensez à la chambre d'un étudiant. Si aucune énergie ou travail n'y était mis, la pièce deviendrait rapidement désordonnée. Il existerait dans un état très désordonné, de forte entropie. Il faut mettre de l'énergie dans le système, sous la forme de l'étudiant qui travaille et range tout, afin de remettre la pièce dans un état de propreté et d'ordre. Cet état est un état de faible entropie. De même, une voiture ou une maison doit être constamment entretenue avec des travaux afin de la maintenir dans un état ordonné. Laissée seule, l'entropie de la maison ou de la voiture augmente progressivement à cause de la rouille et de la dégradation. Les molécules et les réactions chimiques ont également des quantités variables d'entropie. Par exemple, à mesure que les réactions chimiques atteignent un état d'équilibre, l'entropie augmente et, à mesure que les molécules à forte concentration à un endroit diffusent et s'étalent, l'entropie augmente également.

Essayez-le vous-même

Mettez en place une expérience simple pour comprendre comment l'énergie est transférée et comment un changement d'entropie se produit.

  1. Prenez un bloc de glace. C'est de l'eau sous forme solide, elle a donc un ordre structurel élevé. Cela signifie que les molécules ne peuvent pas beaucoup bouger et sont dans une position fixe. La température de la glace est de 0°C. En conséquence, l'entropie du système est faible.
  2. Laisser fondre la glace à température ambiante. Quel est l'état actuel des molécules dans l'eau liquide ? Comment s'est déroulé le transfert d'énergie ? L'entropie du système est-elle supérieure ou inférieure ? Pourquoi?
  3. Chauffer l'eau à son point d'ébullition. Qu'arrive-t-il à l'entropie du système lorsque l'eau est chauffée ?

Tous les systèmes physiques peuvent être pensés de cette manière : les êtres vivants sont hautement ordonnés, nécessitant un apport constant d'énergie pour être maintenus dans un état de faible entropie. Lorsque les systèmes vivants absorbent des molécules stockant de l'énergie et les transforment par des réactions chimiques, ils perdent une certaine quantité d'énergie utilisable dans le processus, car aucune réaction n'est complètement efficace. Ils produisent également des déchets et des sous-produits qui ne sont pas des sources d'énergie utiles. Ce processus augmente l'entropie de l'environnement du système. Étant donné que tous les transferts d'énergie entraînent la perte d'une certaine énergie utilisable, la deuxième loi de la thermodynamique stipule que chaque transfert ou transformation d'énergie augmente l'entropie de l'univers. Même si les êtres vivants sont très ordonnés et maintiennent un état de faible entropie, l'entropie de l'univers au total augmente constamment en raison de la perte d'énergie utilisable à chaque transfert d'énergie qui se produit. Essentiellement, les êtres vivants sont dans une bataille continue et acharnée contre cette augmentation constante de l'entropie universelle.


4.14 : La deuxième loi de la thermodynamique - Biologie

Il existe cependant quatre lois de la thermodynamique, pour ce cours seules les deux premières sont pertinentes :

  1. L'énergie peut être transférée d'un endroit à l'autre ou transformée sous différentes formes, mais elle ne peut pas être créée ou détruite.
  2. Dans un système donné, l'entropie (la quantité d'énergie) augmentera ou restera la même.

Dans ce résultat, nous apprendrons exactement comment ces lois sont importantes pour comprendre la biologie.

Objectifs d'apprentissage

  • Distinguer un système ouvert d'un système fermé
  • Comprendre comment la première loi de la thermodynamique s'applique aux systèmes biologiques
  • Comprendre comment la deuxième loi de la thermodynamique s'applique aux systèmes biologiques

Décrypter la deuxième loi de la thermodynamique

La deuxième loi de la thermodynamique se qualifie sûrement comme l'un des principes les plus discutés de toute la physique. Selon la personne à qui vous demandez, c'est soit incroyablement mystérieux, soit assez banal. Certains physiciens pensent que la deuxième loi est liée à des idées fondamentales telles que le temps et l'origine de l'univers, 1 mais c'est aussi un aspect des expériences quotidiennes, comme la façon dont une tasse de café du matin se refroidit, ou le fait que vous ne pouvez pas déchiffrer un œuf. La deuxième loi a même été invoquée par le groupe de rock Muse pour expliquer pourquoi, à leur avis, la croissance économique ne peut pas continuer longtemps. 2 Cependant, essayer de trouver une explication claire de ce qu'est réellement la deuxième loi (et pourquoi elle est vraie) peut être une expérience frustrante.

J'ai d'abord rencontré la deuxième loi à l'adolescence, en lisant un numéro du magazine chrétien fondamentaliste Création, offert par ma grand-mère. Puisque l'auteur de l'article voulait argumenter contre l'évolution biologique, il a affirmé que la deuxième loi de la thermodynamique implique que l'évolution est impossible. Sa définition de la deuxième loi était que le désordre augmente toujours avec le temps. À première vue, cela semble incompatible avec l'évolution par sélection naturelle, qui peut conduire à des organismes plus complexes et « mieux conçus » au fil du temps. 3 À l'époque, je pensais qu'il était peu probable que la biologie traditionnelle contredise de manière flagrante la physique traditionnelle, alors je suis resté sceptique quant à cet argument, même si je ne pouvais pas comprendre les contre-arguments que j'avais trouvés sur Internet à l'époque.

Lors de mon premier cours de physique à l'université, j'étais excité quand j'ai appris que nous étudierions la thermodynamique. Enfin, pensais-je, je serais capable de bien comprendre la deuxième loi (avec les autres lois moins populaires). Hélas, mes attentes n'ont pas été satisfaites, malgré le fait d'avoir un bon conférencier. Au lieu de discuter de problèmes généraux tels que l'évolution, l'économie ou la cosmologie, nous avons déterminé l'efficacité maximale possible des réfrigérateurs et des moteurs à vapeur. Je suis sûr que ceux-ci sont intéressants à leur manière, mais j'ai été déçu.

La version de la deuxième loi que nous avons étudiée était liée aux concepts de chaleur et de température, et rien d'autre. Une conséquence familière de cette version de la deuxième loi est que la chaleur circule toujours d'un objet chaud vers un objet plus froid, et non l'inverse. Votre tasse de café du matin se refroidit et réchauffe l'air qui l'entoure, elle ne se réchauffe pas davantage tout en refroidissant la pièce, même si cette possibilité est compatible avec d'autres lois de la physique telles que la conservation de l'énergie.

La deuxième loi est formalisée en définissant une quantité appelée entropie. Lorsque la chaleur sort d'un objet et pénètre dans un autre, l'entropie du premier objet diminue, d'une quantité qui dépend de sa température. La variation de l'entropie est la quantité d'énergie thermique transférée, Q (généralement mesuré en joules), divisé par la température de l'objet, T1, mesuré en Kelvin. Lorsque cette même énergie thermique s'écoule dans un autre objet, l'entropie de cet objet augmente de Q divisé par la température du deuxième objet, T2. La deuxième loi de la thermodynamique peut alors être énoncée comme suit : si vous additionnez tous les changements d'entropie de tous les objets que vous étudiez, le résultat doit être un nombre positif ou zéro. Cela ne peut pas être négatif. En d'autres termes, l'entropie totale doit augmenter ou rester la même. Lorsqu'une tasse de café se refroidit, son entropie diminue, mais l'entropie de son environnement augmente encore plus, car le café est plus chaud que l'environnement.

La version de la deuxième loi que je viens de décrire, généralement attribuée au physicien allemand du XIXe siècle Rudolf Clausius, a certainement son utilité. Cependant, on est loin du noble principe fondamental que je m'attendais à apprendre. Qu'est-ce que cela a à voir avec l'évolution ? L'illusion que les organismes sont bien conçus n'a rien à voir avec le transfert de chaleur. Cela n'a pas non plus grand-chose à voir avec l'économie, sauf très indirectement, car les machines sont utiles et la deuxième loi interdit certains types de machines.

De manière confuse, alors que nous apprenions la version Clausius de la deuxième loi, nous avons également discuté de phénomènes tels que la diffusion de gaz, illustrés dans ce gif animé :

Dans l'animation, les atomes de gaz violets commencent au-dessus de la barrière horizontale au milieu de la boîte et les atomes verts commencent en dessous de la barrière. Au fil du temps, les atomes violets et verts finissent par se répandre dans toute la boîte. Cet « étalement », dans un sens physique, a été prétendu être un exemple de la deuxième loi, mais je n'ai jamais pu trouver quelle chaleur était transférée dans cet exemple. Si aucune chaleur n'est transférée, la deuxième loi de Clausius ne s'applique pas, nous nous retrouvons avec la main agitant le désordre.

Existe-t-il donc une version de la deuxième loi qui se rapporte à des concepts plus généraux que la chaleur et la température ? Il s'avère que la réponse est oui, mais j'ai dû attendre de nombreuses années avant de l'apprendre. Étonnamment, il s'avère que cette deuxième loi plus générale n'est pas vraiment un principe de physique, mais plutôt un principe de raisonnement. Cette version plus générale de la deuxième loi explique non seulement pourquoi la version Clausius est vraie, mais nous donne un outil pour des questions beaucoup plus générales, comme la question de l'évolution ou les réflexions économiques de Muse. Il apparaît également dans la vie de tous les jours, et pas seulement dans les situations de chaleur et de température. Par exemple, pourquoi les fléchettes sont-elles difficiles ? Pourquoi la plupart des hommes ne peuvent-ils pas chanter des do d'opéra ? Et pourquoi les sondages politiques sont-ils (un peu) exacts ?

Incertitude et volume

Au cours de mes études de doctorat, je me suis intensément intéressé à la statistique bayésienne 4 et à son utilisation dans l'analyse de données astronomiques. Au cours de ce processus, j'ai découvert les travaux du physicien hétérodoxe E. T. Jaynes (1922-1998) 5 , dont la lucidité et le style d'écriture combatif ont changé l'orientation de mon projet de doctorat et de ma vie.

Un jour, je suis tombé sur un article de Jaynes en particulier, qui est maintenant l'un de mes articles de revue préférés de tous les temps. 6 Je ne l'ai pas compris tout de suite, mais j'avais le fort sentiment que je devais persister parce que cela me paraissait important. De temps en temps, je revenais le relire, comprenant un peu plus à chaque fois. La percée a eu lieu après le dîner un soir.

J'avais sorti un pot de glace du congélateur pour le dessert. Après avoir mis la crème glacée dans un bol, j'ai essayé de remettre la baignoire au congélateur, mais cela ne rentrait pas (en raison uniquement de mes capacités d'emballage). Cela m'a fait penser aux volumes, et tout à coup j'ai cliqué Jaynes expliquait que la deuxième loi de la thermodynamique, à la fois la version Clausius chaleur/température et (surtout) une version plus générale, se réduisait au principe que les grandes choses ne peuvent tenir dans de petits espaces à moins que ils sont compressés. C'est du bon sens lorsqu'il est appliqué à des objets physiques, mais pour obtenir la deuxième loi, vous devez l'appliquer à un objet abstrait : un volume de possibilités. Cette idée ne vient pas nécessairement de Jaynes, comme on peut la trouver (quoique moins explicitement) dans les travaux de J. Willard Gibbs, entre autres. Une autre source qui m'a aidé à comprendre était les articles du blogueur irrévérencieux « Pierre Laplace ». 7

Pour illustrer l'idée d'un volume de possibilités, considérons les 52 livres sur l'étagère de mon bureau, dont 50 sont des non-fiction. [C'est une coïncidence qu'il y ait 52 cartes dans un jeu de cartes standard. J'essaie d'éviter les explications impliquant des cartes, des lancers de pièces et des dés, car les gens ont tendance à penser (à tort) qu'ils les comprennent déjà.]

Maintenant, je vous dis que l'un des livres sur l'étagère était signé par l'auteur. Lequel? Je ne dis pas. Sur la base uniquement de ces informations, il est logique que vous attribuiez une probabilité de 1/52 à chacun des livres, décrivant à quel point vous pensez qu'il est plausible que chaque livre soit le livre signé.

De cet état de quasi-ignorance, il semble que vous ne puissiez pas tirer de conclusions avec un niveau de confiance élevé. Mais c'est une illusion, cela dépend des questions que vous posez. Imaginez si je vous demandais si le livre signé est un livre de non-fiction. Si votre probabilité est de 1/52 pour que chaque livre soit le livre signé, la probabilité que le livre signé soit de la non-fiction doit être de 50/52 (en additionnant les probabilités des 50 livres de non-fiction ensemble), soit environ 96%. C'est un niveau de confiance impressionnant - bien plus que ce que vous devriez avoir dans la conclusion d'un seul article scientifique évalué par des pairs ! Bien sûr, une probabilité élevée ne signifie pas que le résultat attendu est garanti. ça veut juste dire que c'est très plausible sur la base des informations que vous mettez explicitement dans le calcul.

Voici un schéma (très simple) de ma bibliothèque, avec les régions bleues étant des livres de non-fiction et le rouge étant de la fiction : ils occupent une grande majorité du volume des possibles (qui, dans ce cas, correspond à un volume physique sur mon étagère).

Le principe général ici, que Jaynes a souligné, est le suivant : si vous considérez toutes les possibilités qui sont cohérentes avec les informations dont vous disposez, et que la grande majorité de ces possibilités impliquent un certain résultat, alors ce résultat est très plausible. C'est aussi une conséquence de la théorie des probabilités. La seule façon de contourner cette conclusion est d'avoir une raison d'attribuer des probabilités hautement non uniformes aux possibilités. Par exemple, si j'avais eu des raisons de penser que les livres de fiction étaient plus susceptibles d'être signés, je n'aurais pas attribué une probabilité égale de 1/52 à chaque livre.

Clausius de Jaynes

La version Jaynes de la deuxième loi (sur l'incertitude) peut être appliquée à toutes sortes de questions, et elle peut également expliquer pourquoi la version Clausius (sur la chaleur et la température) est vraie.

Quand je dis que j'ai une tasse de café chaud et que l'air qui l'entoure est plus frais, cela semble être une déclaration assez spécifique. Mais dans un certain sens, c'est en fait une déclaration très vague, en ce sens qu'elle laisse de côté un grand nombre de détails sur ce qui se passe réellement. Je ne vous ai pas dit la couleur de la tasse, si ma fenêtre était ouverte, si le café était instantané ou non (généralement instantané avec du lait de soja et deux pilules de sucralose si vous vous demandez – je peux gérer le courrier haineux). Plus important encore, j'ai également omis des détails clés sur la position et la vitesse (vitesse et direction du mouvement) de chaque molécule dans la tasse et l'air environnant. La température élevée du café signifie que ses molécules se déplacent assez rapidement, mais il y a très peu d'informations à part cela.

Sur la base de ces informations très vagues sur la tasse de café, peut-on prédire ce qui va se passer dans le futur ? Notre bon sens et notre expérience disent oui, très fort. Les tasses de café chaudes se refroidissent. Euh ! Mais pour un physicien, la façon standard de prédire l'avenir est d'utiliser les lois du mouvement, qui prédisent comment les particules (telles que les molécules de café et d'air) se déplaceront. Le hic, c'est que nous devons donner les conditions initiales : quelles sont toutes les positions et vitesses auxquelles nous faisons notre prédiction de?

Puisque nous ne connaissons pas les conditions initiales (nous n'avons que les informations « vagues », en particulier la température), nous ne pouvons pas réellement appliquer les lois standard du mouvement pour voir ce qui se passera dans le futur. Toute prédiction que nous ferons sera une supposition, ou, plus formellement, une probabilité. Nous sommes dans une situation analogue à celle de la bibliothèque. Si nous pensons à toutes les possibilités concernant les positions et les vitesses des molécules de café et d'air, les informations vagues dont nous disposons ne peuvent que restreindre les possibilités à un sous-ensemble, représenté par la zone rouge ci-dessous :

Maintenant, ce que les lois du mouvement vont faire pour vous, c'est vous dire comment un point de ce diagramme va se déplacer au fil du temps (de manière équivalente, comment les positions et les vitesses de toutes les molécules vont changer au fil du temps). A un instant donné, la réalité physique est représentée par un seul point quelque part dans la zone rouge. Au fil du temps, ce point se déplacera (comme illustré par la flèche incurvée dans le diagramme). Où finira-t-il ? Cela dépend précisément de l'endroit où se trouvait initialement le point dans la zone rouge. Cependant, une propriété particulière des lois du mouvement est que si votre incertitude sur le point initial est représentée par la zone rouge, alors votre incertitude sur l'endroit où ce point se termine sera représentée par une région du même volume. En physique, les zones d'incertitude sont comme des contenants de crème glacée, ils ne peuvent pas être compressés.

Notez que la zone rouge est beaucoup plus petite que la zone verte, représentant l'ensemble des possibilités compatibles avec l'énoncé vague « Le café est frais et l'environnement est légèrement plus chaud (qu'il ne le serait dans la zone rouge) ». Par conséquent, si la zone rouge est déplacée et change de forme (mais conserve son volume), il est possible qu'elle s'intègre entièrement dans la zone verte, simplement parce qu'elle est plus petite. Sur le diagramme, c'est environ 20 fois la surface environ, mais en physique, cela peut être plus grand d'un facteur de quelque chose comme 10^(10^20). Par conséquent, la règle empirique suivante est au moins possible : si la position de départ est dans la zone rouge, la position finale sera dans la zone verte.

La situation inverse ne fonctionne pas. Au lieu de cela, nous devons admettre que si la position de départ est dans la zone verte, la position finale ne sera presque certainement pas dans la zone rouge. Traduit en déclarations sur le café, « les tasses de café chaudes ont tendance à refroidir » est une règle empirique raisonnable, mais « les tasses de café froides dans les pièces fraîches ont tendance à chauffer » ne l'est pas, et tout cela est dû aux volumes des régions rouges et vertes de l'ensemble des possibles.

Il y a un sous-ensemble bizarre d'états dans la zone verte qui conduirait à un café chaud. Mais son volume est ridiculement petit que nous ne pourrions jamais espérer concevoir un système café/air qui se trouve en fait dans ce sous-ensemble. Ainsi, l'idée de faire une supposition plausible sur la base de vos informations incomplètes explique pourquoi la version thermodynamique « chaleur et température » ​​de la deuxième loi est vraie.En fait, la connexion est si étroite que la définition de l'entropie de Clausius correspond exactement à la taille des régions d'incertitude.

Fait intéressant, cette explication n'explique pas vraiment quoi que ce soit sur le temps, puisque les notions de temps ont été supposées dans l'explication elle-même. Vraisemblablement, une explication plus fondamentale du temps l'expliquerait en termes d'autres concepts.

Entropie : ce n'est pas ce qu'il y a, c'est ce que vous savez

De nombreux physiciens parleront volontiers de «les l'entropie de l'univers" étant faible dans le passé, ou comment Stephen Hawking a dérivé la formule pour "les entropie d'un trou noir ».

Ce sont probablement des résultats corrects et intéressants (je ne suis pas très familier avec tous les détails), mais j'ai une lenteur à choisir. L'entropie est un concept trop subtil pour être tenu pour acquis. Étant donné qu'exactement le même système physique peut avoir plus d'une entropie (selon la façon dont nous voulons y penser), nous devons être totalement explicites sur la façon dont nous le définissons et l'utilisons.

Pour ce qui est du diagramme précédent, l'entropie n'est pas une propriété de la flèche (qui décrit ce qui s'est réellement passé) mais une propriété des régions rouge et verte (décrivant l'incertitude). L'entropie décrit ce que l'on sait d'un système ou la quantité d'informations qu'un énoncé vague fournit (ou fournirait) sur le système. Il n'y a pas de "vraie" entropie que nous puissions calculer même si on savait tout ce qu'il y avait à savoir !

Quelles règles empiriques recherchons-nous ? Il peut en exister différents, et nous les trouverons en utilisant des entropies différentes. Tout dépend des déclarations vagues spécifiques qui nous intéressent. Par exemple, nous pourrions vouloir voir si le café chaud a tendance à se refroidir, et dans ce cas l'entropie impliquera la chaleur et la température, ou nous pourrions être intéressés de savoir si le gaz dans un la moitié d'une boîte aura tendance à se mélanger avec le gaz dans l'autre moitié de la boîte (comme dans le gif animé). Dans ce cas, l'entropie n'aura rien à voir avec le transfert de chaleur, mais plutôt la quantité de chaque type de gaz se trouvant de chaque côté de la barrière.

Lorsque les gens entendent pour la première fois qu'une «loi de la physique» peut être dérivée d'une prédiction basée sur la quasi-ignorance, leur tendance naturelle est de s'inquiéter qu'une prédiction basée sur la quasi-ignorance puisse être fausse. Bien sûr que c'est possible. Cependant, lorsque cela se produit, c'est une bonne occasion d'apprendre. Si 99,9999999999% des possibilités impliquent un résultat et que ce résultat ne se produit pas, vous devez comprendre pourquoi et, ce faisant, vous pourriez découvrir quelque chose de nouveau.

Évolution et économie

Cela vaut la peine de se demander si la deuxième loi interdit vraiment l'évolution par sélection naturelle. Nous n'avons pas besoin d'être particulièrement technique avec le concept d'entropie pour essayer cela. Tout ce que nous devons nous demander, c'est s'il est plausible qu'une population d'organismes auto-répliquants tende à améliorer leur survie et leur capacité de reproduction au fil du temps.

La réponse est oui, à condition que le taux de mutation soit suffisamment faible. Et si les organismes se reproduisent sexuellement, la forme physique moyenne de la population augmentera encore plus rapidement. 8 Ce n'est pas la version Clausius de la deuxième loi, mais un exemple de celle de Jaynes : de tous les décès, événements de reproduction et mutations possibles qui pourraient survenir de manière plausible, la plupart conduiraient à une augmentation de la forme physique moyenne de la population . La probabilité que la fitness d'une population diminue est faible car, pour que cela se produise, les organismes avec les pires génomes devraient se reproduire plus que ceux avec les meilleurs génomes.

Je ne suis pas économiste, donc je ne sais pas si Muse a raison sur les conséquences économiques de la deuxième loi. Le courant économique dominant semble penser qu'une croissance économique continue est plausible et souhaitable. Certains dissidents existent, et parfois ils semblent (à mon avis non éduqué) avoir de bons points, bien que d'autres semblent simplement être des Malthusiens désireux de se mettre au jardinage.

La deuxième loi au quotidien

Le raisonnement probabiliste qui sous-tend la deuxième loi est également applicable à d'autres domaines. J'aime l'appliquer au chant, qui est l'un de mes passe-temps préférés. Il y a une dizaine d'années, j'ai décidé d'apprendre à chanter, car cela semblait amusant, et ne pas avoir à transporter d'instrument a ses avantages. À l'époque, je ne pouvais pas très bien chanter et en particulier je ne pouvais pas chanter au-dessus du mi 4, le mi juste au-dessus du do moyen. C'était frustrant mais très courant. La plupart des hommes ne peuvent pas chanter avec des chansons aiguës à moins qu'ils ne transposent la mélodie d'une octave vers le bas.

Il s'avère que chanter des notes aiguës nécessite des conditions très spécifiques pour être remplies au niveau du larynx, concernant la pression de l'air, etc. Pour y parvenir, vous devez appliquer un effort musculaire dans votre torse d'une manière particulière que les chanteurs appellent traditionnellement soutien. 9 Vous ne pouvez pas non plus être silencieux à moins que vous ne vouliez un son "falsetto" très doux. Le volume requis est supérieur à ce que la plupart des gens pourraient penser intuitivement. Par exemple, je ne peux pas (tenter de) chanter des chansons rock aiguës pendant que ma femme est dans la même pièce parce que ça lui fait mal aux oreilles (parce que c'est fort, que ce soit bon ou mauvais). Votre choix de voyelles est également plus restreint qu'aux notes basses.

Toutes ces conditions spécifiques (volume fort, appui correct, une voyelle qui fonctionne) doivent être réunies pour chanter une note aiguë. Et la raison pour laquelle c'est difficile est la même raison pour laquelle il est difficile de frapper un trou d'un coup, ou de réaliser n'importe quel exploit physique précis de toutes les choses que nous pourrions faire, la plupart d'entre elles ne mènent pas à une bonne note réussie ( ou un coup de golf précis). Si (presque) tous les chemins mènent à Rome, il y a fort à parier que vous vous retrouverez à Rome. La deuxième loi de la thermodynamique est aussi simple que cela.

Comprendre sa logique, et comment elle découle d'un raisonnement incertain (essentiellement un peu plus que la théorie des probabilités), est la clé pour étendre son utilisation en dehors de la physique de manière sensée.

Brendon Brewer est maître de conférences au Département de statistique d'Auckland. Suivez-le sur Twitter @brendonbrewer


Biologie 171

À la fin de cette section, vous serez en mesure d'effectuer les opérations suivantes :

La thermodynamique fait référence à l'étude de l'énergie et du transfert d'énergie impliquant la matière physique. La matière et son environnement pertinents pour un cas particulier de transfert d'énergie sont classés comme un système, et tout ce qui se trouve à l'extérieur de ce système est l'environnement. Par exemple, lorsque vous chauffez une casserole d'eau sur le poêle, le système comprend le poêle, la casserole et l'eau. Transferts d'énergie au sein du système (entre le poêle, la marmite et l'eau). Il existe deux types de systèmes : ouverts et fermés. Un système ouvert est un système dans lequel l'énergie peut être transférée entre le système et son environnement. Le système de cuisinière est ouvert car il peut perdre de la chaleur dans l'air. Un système fermé est un système qui ne peut pas transférer d'énergie à son environnement.

Les organismes biologiques sont des systèmes ouverts. Échanges d'énergie entre eux et leur environnement, car ils consomment des molécules stockant de l'énergie et libèrent de l'énergie dans l'environnement en effectuant un travail. Comme toutes les choses dans le monde physique, l'énergie est soumise aux lois de la physique. Les lois de la thermodynamique régissent le transfert d'énergie dans et entre tous les systèmes de l'univers.

La première loi de la thermodynamique

La première loi de la thermodynamique traite de la quantité totale d'énergie dans l'univers. Il indique que cette quantité totale d'énergie est constante. En d'autres termes, il y a toujours eu et il y aura toujours exactement la même quantité d'énergie dans l'univers. L'énergie existe sous de nombreuses formes différentes. Selon la première loi de la thermodynamique, l'énergie peut être transférée d'un endroit à un autre ou se transformer en différentes formes, mais elle ne peut pas être créée ou détruite. Les transferts et transformations d'énergie ont lieu tout le temps autour de nous. Les ampoules transforment l'énergie électrique en énergie lumineuse. Les poêles à gaz transforment l'énergie chimique du gaz naturel en énergie thermique. Les plantes effectuent l'une des transformations énergétiques les plus biologiquement utiles sur Terre : celle de convertir l'énergie solaire en énergie chimique stockée dans les molécules organiques (Revue). (Figure) montre des exemples de transformations énergétiques.

Le défi pour tous les organismes vivants est d'obtenir de l'énergie de leur environnement sous des formes qu'ils peuvent transférer ou transformer en énergie utilisable pour effectuer un travail. Les cellules vivantes ont très bien évolué pour relever ce défi. L'énergie chimique stockée dans les molécules organiques telles que les sucres et les graisses se transforme par une série de réactions chimiques cellulaires en énergie dans les molécules d'ATP. L'énergie contenue dans les molécules d'ATP est facilement accessible pour effectuer un travail. Des exemples des types de travail que les cellules doivent effectuer comprennent la construction de molécules complexes, le transport de matériaux, l'alimentation du mouvement de battement des cils ou des flagelles, la contraction des fibres musculaires pour créer le mouvement et la reproduction.


La deuxième loi de la thermodynamique

Les tâches principales d'une cellule vivante consistant à obtenir, transformer et utiliser de l'énergie pour effectuer un travail peuvent sembler simples. Cependant, la deuxième loi de la thermodynamique explique pourquoi ces tâches sont plus difficiles qu'il n'y paraît. Aucun des transferts d'énergie dont nous avons parlé, ainsi que tous les transferts et transformations d'énergie dans l'univers, n'est complètement efficace. Dans chaque transfert d'énergie, une certaine quantité d'énergie est perdue sous une forme inutilisable. Dans la plupart des cas, cette forme est l'énergie thermique. Du point de vue thermodynamique, les scientifiques définissent l'énergie thermique comme l'énergie qui se transfère d'un système à un autre qui ne fonctionne pas. Par exemple, lorsqu'un avion vole dans les airs, il perd une partie de son énergie sous forme d'énergie thermique en raison de la friction avec l'air environnant. Cette friction chauffe en fait l'air en augmentant temporairement la vitesse des molécules d'air. De même, une partie de l'énergie est perdue sous forme d'énergie thermique lors des réactions métaboliques cellulaires. C'est bon pour les créatures à sang chaud comme nous, car l'énergie thermique aide à maintenir la température de notre corps. À proprement parler, aucun transfert d'énergie n'est totalement efficace, car une partie de l'énergie est perdue sous une forme inutilisable.

Un concept important dans les systèmes physiques est celui d'ordre et de désordre (ou d'aléatoire). Plus un système perd d'énergie dans son environnement, moins le système est ordonné et aléatoire. Les scientifiques appellent entropie la mesure du caractère aléatoire ou du désordre au sein d'un système. Une entropie élevée signifie un désordre élevé et une énergie faible ((Figure)). Pour mieux comprendre l'entropie, pensez à la chambre d'un étudiant. Si aucune énergie ou travail n'y était mis, la pièce deviendrait rapidement désordonnée. Il existerait dans un état très désordonné, de forte entropie. Il faut mettre de l'énergie dans le système, sous la forme de l'étudiant qui travaille et range tout, afin de remettre la pièce dans un état de propreté et d'ordre. Cet état est un état de faible entropie. De même, une voiture ou une maison doit être constamment entretenue avec des travaux afin de la maintenir dans un état ordonné. Laissée seule, l'entropie d'une maison ou d'une voiture augmente progressivement à cause de la rouille et de la dégradation. Les molécules et les réactions chimiques ont également des quantités variables d'entropie. Par exemple, à mesure que les réactions chimiques atteignent un état d'équilibre, l'entropie augmente et, à mesure que les molécules à forte concentration à un endroit diffusent et s'étalent, l'entropie augmente également.

Transfert d'énergie et entropie résultante Mettez en place une expérience simple pour comprendre comment l'énergie est transférée et comment un changement d'entropie se produit.

  1. Prenez un bloc de glace. C'est de l'eau sous forme solide, elle a donc un ordre structurel élevé. Cela signifie que les molécules ne peuvent pas beaucoup bouger et sont dans une position fixe. La température de la glace est de 0°C. En conséquence, l'entropie du système est faible.
  2. Laisser fondre la glace à température ambiante. Quel est l'état actuel des molécules dans l'eau liquide ? Comment s'est déroulé le transfert d'énergie ? L'entropie du système est-elle supérieure ou inférieure ? Pourquoi?
  3. Chauffer l'eau à son point d'ébullition. Qu'arrive-t-il à l'entropie du système lorsque l'eau est chauffée ?

Pensez à tous les systèmes physiques de cette manière : les êtres vivants sont hautement ordonnés, nécessitant un apport constant d'énergie pour se maintenir dans un état de faible entropie. Lorsque les systèmes vivants absorbent des molécules stockant de l'énergie et les transforment par des réactions chimiques, ils perdent une certaine quantité d'énergie utilisable dans le processus, car aucune réaction n'est complètement efficace. Ils produisent également des déchets et des sous-produits qui ne sont pas des sources d'énergie utiles. Ce processus augmente l'entropie de l'environnement du système. Étant donné que tous les transferts d'énergie entraînent une perte d'énergie utilisable, la deuxième loi de la thermodynamique stipule que chaque transfert ou transformation d'énergie augmente l'entropie de l'univers. Même si les êtres vivants sont très ordonnés et maintiennent un état de faible entropie, l'entropie totale de l'univers augmente constamment en raison de la perte d'énergie utilisable à chaque transfert d'énergie qui se produit. Essentiellement, les êtres vivants sont dans une bataille continue et acharnée contre cette augmentation constante de l'entropie universelle.


Résumé de la section

En étudiant l'énergie, les scientifiques utilisent le terme « système » pour désigner la matière et son environnement impliqués dans les transferts d'énergie. Tout en dehors du système est l'environnement. Les cellules individuelles sont des systèmes biologiques. Nous pouvons considérer les systèmes comme ayant un certain ordre. Il faut de l'énergie pour rendre un système plus ordonné. Plus un système est ordonné, plus son entropie est faible. L'entropie est une mesure d'un trouble du système. Plus un système devient désordonné, plus son énergie est faible et plus son entropie est élevée.

Les lois de la thermodynamique sont une série de lois qui décrivent les propriétés et les processus de transfert d'énergie. La première loi stipule que la quantité totale d'énergie dans l'univers est constante. Cela signifie que l'énergie ne peut pas être créée ou détruite, seulement transférée ou transformée. La deuxième loi de la thermodynamique stipule que chaque transfert d'énergie implique une perte d'énergie sous une forme inutilisable, telle que l'énergie thermique, ce qui entraîne un système plus désordonné. En d'autres termes, aucun transfert d'énergie n'est totalement efficace, et tous les transferts tendent vers le désordre.

Réponse libre

Imaginez une fourmilière élaborée avec des tunnels et des passages dans le sable où les fourmis vivent dans une grande communauté. Imaginez maintenant qu'un tremblement de terre a secoué le sol et démoli la fourmilière. Dans lequel de ces deux scénarios, avant ou après le tremblement de terre, le système de fourmilière était-il dans un état d'entropie supérieure ou inférieure ?

La fourmilière avait une entropie plus faible avant le tremblement de terre car il s'agissait d'un système hautement ordonné. Après le tremblement de terre, le système est devenu beaucoup plus désordonné et avait une entropie plus élevée.

Les transferts d'énergie ont lieu en permanence dans les activités quotidiennes. Pensez à deux scénarios : cuisiner sur une cuisinière et conduire. Expliquez comment la deuxième loi de la thermodynamique s'applique à ces deux scénarios.

Pendant la cuisson, les aliments se réchauffent sur la cuisinière, mais toute la chaleur ne va pas à la cuisson des aliments, une partie est perdue sous forme d'énergie thermique dans l'air ambiant, ce qui augmente l'entropie. Pendant la conduite, les voitures brûlent de l'essence pour faire tourner le moteur et déplacer la voiture. Cette réaction n'est pas complètement efficace, car une partie de l'énergie au cours de ce processus est perdue sous forme d'énergie thermique, c'est pourquoi le capot et les composants situés en dessous chauffent lorsque le moteur est allumé. Les pneus s'échauffent également à cause du frottement avec la chaussée, ce qui constitue une perte d'énergie supplémentaire. Ce transfert d'énergie, comme tous les autres, augmente également l'entropie.

Glossaire


Exemples de la deuxième loi de la thermodynamique

Exemples basés sur la déclaration de Clausius’s

1) L'air s'échappe du ballon tout seul

Vous l'avez peut-être remarqué le jour de votre anniversaire.

L'air s'échappe du ballon tout seul après un certain temps.

L'air ne rentre jamais tout seul dans le ballon. Cet exemple est basé sur la déclaration d'Entropie de la deuxième loi de la thermodynamique. C'est un exemple de processus spontané.

2) Deux gaz se mélangeront automatiquement tout seuls

Si nous supprimons ce séparateur blanc comme indiqué dans l'image, alors que se passe-t-il ?

Les deux gaz se mélangeront. Et ce processus se produit également tout seul. C'est donc un exemple de deuxième loi de la thermodynamique qui montre que l'entropie de l'univers augmente en raison de ce processus spontané.

3) Le café chaud se refroidit automatiquement

Cet exemple est également basé sur le principe d'augmentation d'entropie.

Par un hiver glacial, si votre maman vous prépare un café chaud et que vous ne le buvez pas en quelques minutes, alors qu'arrive-t-il à ce café ?

Ce café va refroidir après un certain temps. Droit?

Oui. Il va évidemment se refroidir. Et ce processus se produit tout seul (spontanément).

Comme ce processus se produit spontanément, l'entropie de l'univers va augmenter.

4) L'objet tombe tout seul au sol

Vous avez déjà vécu cela.

Une pierre ou n'importe quel objet tombe toujours seul sur le sol. Ces objets ne montent jamais automatiquement.

Ce processus de chute indique qu'il s'agit d'un processus spontané et pour de tels processus spontanés, l'entropie de l'univers augmente.

5) La glace fond automatiquement

Vous avez déjà vu cela au moins une fois dans votre vie.

Que se passe-t-il si vous gardez de la glace sur une table pendant un certain temps ?

Or, ce processus thermodynamique se produit spontanément (tout seul).

En raison de ce processus spontané, l'entropie de l'univers augmente.

6) L'eau coule toujours du niveau supérieur vers le niveau inférieur

Avez-vous vu l'eau monter automatiquement ?

La réponse est NON.

Parce que l'eau s'écoule toujours spontanément du niveau supérieur vers le niveau inférieur.

Il ne monte jamais automatiquement.

Ainsi, ce processus spontané d'écoulement de l'eau du niveau supérieur vers le niveau inférieur indique l'augmentation de l'entropie de l'univers.

7) Un gaz prend tout le volume du récipient

Que se passera-t-il si vous insérez du gaz dans le récipient fermé. Évidemment, il se répandra dans tout le conteneur (tout seul) et occupera tout l'espace du conteneur.

C'est exactement la même chose que d'appliquer du parfum sur votre chemise et le parfum se répand dans toute la pièce.

Ce processus se produit spontanément (c'est-à-dire tout seul) et à cause de ce processus spontané, l'entropie de l'univers augmente.

Exemple basé sur la déclaration de Kelvin Planck’s

1) Moteur de voitures et de vélos

J'espère que vous connaissez cette déclaration de Kelvin Planck, maintenant laissez-moi vous expliquer comment cet exemple de moteur de voiture ou de moteur de vélo est basé sur la 2ème loi.

Voir, selon la déclaration de Kelvin Planck’s, il devrait y avoir au moins deux réservoirs thermiques (un à température plus élevée et l'autre à température plus basse) alors seul le moteur fonctionnera.

Dans un moteur de voiture et un moteur de vélo, il existe un réservoir à température plus élevée où la chaleur est produite et un réservoir à température plus basse où la chaleur est libérée.

Ainsi ces moteurs sont l'exemple de la deuxième loi de la thermodynamique.

Exemple basé sur la déclaration Clausius’s

1) Réfrigérateur utilisant l'électricité pour changer la direction du flux de chaleur

Vous savez ce qui se passe dans le réfrigérateur ?

La chaleur se déplace du corps à température plus basse (c'est-à-dire à l'intérieur de l'espace du réfrigérateur) vers le corps à température plus élevée (c'est-à-dire à l'extérieur du réfrigérateur).

Mais ce processus n'est pas possible tout seul. Pour rendre ce flux de chaleur possible, il y a un apport d'énergie externe à ce réfrigérateur. Cette énergie externe n'est rien d'autre que de l'énergie électrique qui est ensuite utilisée dans le compresseur du réfrigérateur pour produire un travail mécanique.

Ainsi, cet exemple satisfait l'énoncé de Clausius sur la deuxième loi de la thermodynamique.

J'espère que vous avez trouvé cet article utile.

Faites-moi savoir ce que vous pensez de ces exemples de deuxième loi de la thermodynamique. N'hésitez pas à commenter si vous avez des questions.


4.14 : La deuxième loi de la thermodynamique - Biologie

La deuxième loi de la thermodynamique,
Évolution et probabilité
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Les rationalistes croient que la deuxième loi de la thermodynamique ne permet pas à l'ordre de naître du désordre, et donc la macro-évolution des êtres vivants complexes à partir d'ancêtres unicellulaires n'aurait pas pu se produire. L'argument créationniste est basé sur leur interprétation de la relation entre la probabilité et une propriété thermodynamique appelée « entropie ».

En guise de contexte, et afin de clarifier la position créationniste, permettez-moi de citer la littérature créationniste :

La remarquable naissance de la planète Terre, par Henry Morris :

(p. 14) Tous les processus manifestent une tendance à la décomposition et à la désintégration, avec une nette augmentation de ce qu'on appelle l'entropie, ou l'état d'aléatoire ou de désordre, du système. C'est ce qu'on appelle la deuxième loi de la thermodynamique.

(p. 19) Il existe une tendance universelle pour tous les systèmes à passer de l'ordre au désordre, comme indiqué dans la deuxième loi, et cette tendance ne peut être arrêtée et inversée que dans des circonstances très spéciales. Nous avons déjà vu, au chapitre I, que le désordre ne peut jamais produire de l'ordre par un quelconque processus aléatoire. Il doit y avoir une certaine forme de code ou de programme, pour diriger le processus de commande, et ce code doit contenir au moins autant d'"informations" qu'il est nécessaire pour fournir cette direction.
De plus, il doit y avoir une sorte de mécanisme pour convertir l'énergie environnementale en énergie nécessaire pour produire l'organisation supérieure du système impliqué. .
Ainsi, tout système qui connaît même une croissance temporaire de l'ordre et de la complexité doit non seulement être « ouvert » à l'énergie du soleil, mais doit également contenir un « programme » pour diriger la croissance et un « mécanisme » pour dynamiser la croissance.

Créationnisme scientifique, édité par Henry Morris :

(p.25) La deuxième loi (loi de la désintégration de l'énergie) stipule que chaque système laissé à lui-même a toujours tendance à passer de l'ordre au désordre, son énergie tendant à se transformer en niveaux de disponibilité inférieurs, atteignant finalement l'état de complète l'aléatoire et l'indisponibilité pour des travaux ultérieurs.

Bien sûr, l'application créationniste de la deuxième loi de la thermodynamique au développement des êtres vivants est incompatible avec tout modèle d'origine. Les créationnistes contournent ce problème en invoquant le surnaturel :

The Genesis Flood , par Whitcomb et Morris :

(p. 223) Mais pendant la période de la Création, Dieu introduisait l'ordre et l'organisation dans l'univers à un degré très élevé, même dans la vie elle-même ! Il est donc tout à fait clair que les processus utilisés par Dieu dans la création étaient totalement différents des processus qui opèrent maintenant dans l'univers !

Comme nous le montrerons plus loin, c'est seulement l'entropie globale d'un système complet ou fermé qui doit augmenter lorsqu'un changement spontané se produit. Dans le cas de sous-systèmes interagissant spontanément d'un système fermé, certains peuvent gagner de l'entropie, tandis que d'autres peuvent perdre de l'entropie. Par exemple, c'est un axiome fondamental de la thermodynamique que lorsque la chaleur circule du sous-système A au sous-système B, l'entropie de A diminue et l'entropie de B augmente. L'affirmation selon laquelle une augmentation de l'ordre ne peut se produire qu'à la suite d'un mécanisme, d'un programme ou d'un code directionnel est trompeuse. Tout processus dont on peut démontrer qu'il se déroule avec une augmentation/diminution de l'entropie est arbitrairement considéré comme la conséquence d'un « mécanisme directionnel » non défini.

La probabilité, telle qu'elle est utilisée en thermodynamique, signifie la probabilité qu'un changement spécifique se produise. La probabilité est liée au concept thermodynamique d'irréversibilité. Un changement physique ou chimique irréversible est un changement qui ne s'inversera pas spontanément sans un changement dans les conditions environnantes. Les changements irréversibles ont un degré élevé de probabilité. La probabilité qu'un changement irréversible s'inverse spontanément sans interférence extérieure est nulle.

Lorsque nous disons qu'un changement est irréversible (au sens thermodynamique), cela signifie seulement que le changement ne s'inversera pas spontanément sans un changement dans les conditions environnantes. Cela ne veut pas dire qu'il ne peut être inversé par aucun moyen !

Il est important de se rappeler qu'un changement qui a un degré de probabilité élevé dans un ensemble de circonstances peut avoir un degré de probabilité très faible dans un ensemble de circonstances différent. Pour illustrer : Si la température descend en dessous de zéro, la probabilité que l'eau se transforme en glace est très élevée. Le passage de l'eau à la glace est thermodynamiquement irréversible. Si la température ambiante devait s'élever au-dessus du point de congélation, la probabilité que l'eau devienne de la glace, ou reste sous forme de glace, est nulle. Dans ces conditions, le changement inverse de la glace en eau liquide est également thermodynamiquement irréversible.

Ne pas comprendre qu'en thermodynamique les probabilités ne sont pas des entités fixes a conduit à une interprétation erronée qui est responsable de la croyance largement répandue et totalement fausse que la deuxième loi de la thermodynamique ne permet pas à l'ordre de naître spontanément du désordre. En fait, il existe de nombreux exemples dans la nature où l'ordre naît spontanément du désordre : les flocons de neige avec leur symétrie cristalline à six côtés se forment spontanément à partir de molécules de vapeur d'eau se déplaçant au hasard. Les sels avec des plans précis de symétrie cristalline se forment spontanément lorsque l'eau s'évapore d'une solution. Les graines germent en plantes à fleurs et les œufs se transforment en poussins.

La thermodynamique est une science exacte qui repose sur un nombre limité de concepts mathématiques spécifiques. Ce n'est pas explicable en termes de métaphores qualitatives. Afin de comprendre la relation entre la probabilité et la deuxième loi, le lecteur doit être familiarisé avec la relation entre la probabilité et l'entropie. L'entropie est une entité définie mathématiquement qui est la base fondamentale de la deuxième loi de la thermodynamique et de toutes ses ramifications d'ingénierie et de chimie physique.

Dans les sections suivantes, nous essaierons d'expliquer la vraie relation entre entropie et probabilité et de montrer pourquoi cette relation n'exclut pas la possibilité d'un ordre résultant spontanément du désordre.

En décrivant les lois de la thermodynamique, nous nous référons souvent aux « systèmes ». Un système est une entité ou un objet ou une région spécifique de l'espace à évaluer en fonction de ses propriétés thermodynamiques et de ses changements possibles. Il peut s'agir d'un glaçon, d'un ballon jouet, d'une turbine à vapeur ou même de la terre entière elle-même.

Le concept d'entropie est fondamental pour comprendre la deuxième loi de la thermodynamique. L'entropie (ou plus précisément, l'augmentation de l'entropie) est définie comme la chaleur (en calories ou en Btu) absorbée par un système, divisée par la température absolue du système au moment où la chaleur est absorbée. La température absolue est le nombre de degrés au-dessus du "zéro absolu", la température la plus froide qui puisse exister.

L'entropie totale dans un système est représentée par le symbole S. Le symbole S est utilisé pour représenter un changement donné du contenu entropique d'un système. Si le symbole q est utilisé pour représenter la quantité de chaleur absorbée par un système, l'équation pour l'augmentation d'entropie résultante est :
Où T est la température absolue. Lorsque la chaleur est absorbée, l'entropie d'un système augmente lorsque la chaleur sort d'un système, son entropie diminue.

Les « environnements » d'un système sont tout ce qui se trouve à l'extérieur du système et qui peut interagir avec lui. L'environnement peut généralement être défini comme l'espace qui entoure un système. Lorsque la chaleur est dégagée par un système, cette même chaleur est absorbée par son environnement. Lorsque la chaleur est absorbée par un système, cette même chaleur doit nécessairement provenir de son environnement. Par conséquent, toute augmentation d'entropie dans un système due au flux de chaleur doit s'accompagner d'une diminution d'entropie dans l'environnement, et vice versa. Lorsque la chaleur circule spontanément d'une région plus chaude à une région plus froide, la diminution de l'entropie dans la région la plus chaude sera toujours inférieure à l'augmentation de l'entropie dans la région la plus froide, car plus la température absolue est élevée, plus le changement d'entropie pour un flux de chaleur particulier est faible. . (Voir l'équation 1, ci-dessus)

À titre d'exemple, considérons le changement d'entropie lorsqu'une grosse roche à 500 degrés absolus tombe dans l'eau à 650 degrés absolus. (Nous utilisons une échelle de température absolue basée sur les degrés Fahrenheit sur cette échelle, l'eau gèle à 492 degrés.) Pour chaque Btu de chaleur qui s'écoule dans la roche à ces températures, l'augmentation d'entropie dans la roche est de 1/500 = 0,0020 et le la diminution d'entropie de l'eau est de 1/650 = 0,0015. La différence entre ces valeurs est de 0,0020 - 0,0015 = 0,0005. Cela représente l'augmentation globale de l'entropie du système (roche) et de ses environs (eau).

Bien sûr, la roche se réchauffera et l'eau se refroidira à une température intermédiaire entre leurs températures d'origine, compliquant ainsi considérablement le calcul du changement d'entropie totale une fois l'équilibre atteint. Néanmoins, pour chaque Btu de chaleur transférée de l'eau à la roche, il y aura toujours une augmentation de l'entropie nette globale.

Comme mentionné précédemment, un changement spontané est un changement irréversible. Par conséquent, une augmentation de l'entropie nette globale peut être utilisée comme mesure de l'irréversibilité du flux de chaleur spontané.

Des changements irréversibles dans un système peuvent se produire, et se produisent souvent, même s'il n'y a pas d'interaction et un flux de chaleur négligeable entre le système et l'environnement. Dans de tels cas, le "contenu" entropique du système est plus important après le changement qu'avant. Même lorsque le flux de chaleur ne se produit pas entre le système et son environnement, les changements spontanés à l'intérieur d'un système isolé s'accompagnent toujours d'une augmentation de l'entropie du système, et cette augmentation d'entropie calculée peut être utilisée comme mesure de l'irréversibilité. Les paragraphes suivants expliqueront comment cette augmentation d'entropie peut, au moins dans certains cas, être calculée.

C'est un axiome de la thermodynamique que l'entropie, comme la température, la pression, la densité, etc., est une propriété d'un système et ne dépend que de l'état existant du système. Quelles que soient les procédures suivies pour atteindre une condition donnée, la teneur en entropie de cette condition est toujours la même. En d'autres termes, pour un ensemble donné de valeurs pour la pression, la température, la densité, la composition, etc., il ne peut y avoir qu'une seule valeur pour la teneur en entropie. Il est essentiel de se rappeler ceci : lorsqu'un système qui a subi un changement irréversible est restauré dans son état d'origine (même température, pression, volume, etc.), son contenu en entropie sera également le même qu'avant.

Dans les cas où un système isolé subit une augmentation d'entropie à la suite d'un changement spontané à l'intérieur du système, nous pouvons calculer cette augmentation d'entropie en postulant une procédure par laquelle l'augmentation d'entropie du système est transférée à l'environnement d'une manière telle qu'il n'y a plus de augmentation de l'entropie nette et le système est restauré à son état d'origine. L'augmentation d'entropie de l'environnement peut alors être facilement calculée par l'équation (1) : S = q/T, où q = chaleur absorbée par l'environnement, et T = température absolue de l'environnement.

Il convient de répéter que lorsque le système sera restauré dans son état d'origine, son contenu entropique sera le même qu'il était avant son changement irréversible. Par conséquent, la quantité d'entropie absorbée par l'environnement pendant la restauration doit nécessairement être la même que l'augmentation d'entropie accompagnant le changement irréversible original du système, à condition qu'il n'y ait pas d'augmentation supplémentaire de l'entropie nette pendant la restauration.

Cette procédure de restauration postulée et les propriétés postulées de l'environnement sont uniquement à des fins de calcul. Puisque nous ne traitons pas de l'environnement en tant que tel, ils peuvent être postulés sous n'importe quelle forme nécessaire pour simplifier les calculs, il n'est ni nécessaire ni souhaitable que l'environnement corresponde à une condition qui pourrait réellement exister. Par conséquent, nous postulerons une procédure de restauration théorique qui se déroule sans augmentation supplémentaire de l'entropie nette, même si une telle procédure ne peut pas réellement être obtenue expérimentalement.

Le processus de restauration, s'il devait avoir lieu dans la réalité, devrait s'accompagner d'au moins une petite quantité d'irréversibilité, et donc d'une augmentation supplémentaire de l'entropie de l'environnement au-delà de l'augmentation d'entropie du changement irréversible original du système. C'est parce que la chaleur ne s'écoulera pas sans une différence de température, le frottement ne peut pas être entièrement éliminé, etc. Par conséquent, le processus de restauration, s'il doit avoir lieu sans augmentation supplémentaire de l'entropie nette globale, doit être postulé pour avoir lieu sans irréversibilité. Si un tel processus pouvait être réellement réalisé, il serait caractérisé par un état d'équilibre continu (c'est-à-dire sans différence de pression ou de température) et se produirait à un rythme si lent qu'il nécessiterait un temps infini. De tels processus sont appelés processus « réversibles ». Rappelez-vous, les processus réversibles sont postulés pour simplifier le calcul du changement d'entropie dans un système, il n'est pas nécessaire qu'ils puissent être réalisés expérimentalement.

Il ne faut pas supposer que l'équation (1) exige que q, la chaleur absorbée, soit nécessairement absorbée de manière réversible. Le concept de réversibilité n'est qu'un moyen pour parvenir à une fin : le calcul du changement d'entropie accompagnant un processus irréversible.

L'exemple suivant illustrera le calcul d'un processus de restauration réversible et développera en même temps l'équation qui est à la base de la relation thermodynamique entre la probabilité et la deuxième loi. Nous postulerons un système constitué d'un gaz "idéal" contenu dans un réservoir relié à un deuxième réservoir qui a été complètement évacué, avec la vanne entre les deux réservoirs fermée. La température du système et de son environnement est supposée être la même. Un gaz parfait est un gaz dont les molécules sont infiniment petites et n'ont aucune force d'attraction ou de répulsion les unes sur les autres. (Dans des conditions ordinaires, l'hydrogène et l'hélium se rapprochent étroitement des propriétés d'un gaz idéal.) Un gaz idéal est choisi afin de développer la relation de base sans introduire de facteurs de correction compliqués pour tenir compte de la taille des molécules et des forces qu'elles exercent les unes sur les autres. .

Lorsque la vanne est ouverte, le gaz se dilate de manière irréversible de V1 (son volume d'origine) à V2 (le volume des deux réservoirs). Il n'y a pas de travail de compression par ou sur l'environnement. Parce que le gaz est idéal, il n'y a pas de changement de température, et donc aucun flux de chaleur n'a lieu.

Après une expansion irréversible de V1 à V2, le gaz est restauré à son état d'origine en le comprimant de manière réversible à V1. Cette compression nécessite un travail (force appliquée à distance) qui à son tour génère de la chaleur dans le gaz, chaleur qui est absorbée par l'environnement afin qu'il n'y ait pas d'augmentation de la température du gaz. Dans notre modèle mathématique de ce processus de restauration réversible, l'environnement est supposé être si grand qu'il ne subit pas non plus d'augmentation de température. La température T reste inchangée pendant tout le processus d'expansion irréversible et de restauration réversible ultérieure.

Le travail de compression du gaz pendant la restauration est égal à la pression du gaz multipliée par le changement de volume dû à la compression. Comme la pression augmente pendant la compression, le travail de compression doit être déterminé par l'intégrale de calcul :
Le signe intégral indique la somme de toutes les valeurs individuelles de PdV.

L'équation reliant la température, la pression et le volume d'un gaz parfait est :

Dans le cas d'une compression isotherme réversible d'un gaz parfait, nous pouvons substituer P de l'équation (2) dans l'équation du travail de compression. Lorsque cela est fait, nous avons :

S'il n'est pas nécessaire que notre processus de restauration réversible postulé puisse être réalisé dans un sens pratique, il est néanmoins parfois utile de pouvoir visualiser le processus. A cet effet, le lecteur pourra considérer que le processus de compression de restauration est réalisé par un piston emmanché dans l'extrémité du deuxième réservoir. Lors de la compression de V2 à V1, le piston descend le long du deuxième réservoir et, sans frottement mécanique, refoule tout le gaz qu'il contient dans le premier réservoir V1.

Puisque le travail de compression est égal à q, la chaleur absorbée par l'environnement, q peut être substitué dans l'équation (3) pour donner : D'après l'équation (1) l'entropie acquise par l'environnement pendant la restauration de V2 à V1 est : équation (4) :

Lors de l'intégration (une procédure de calcul pour additionner les valeurs individuelles de dV/V) nous avons : Où ln(V2/V1) est le logarithme népérien du rapport du volume expansé au volume initial, et S est égal à l'augmentation d'entropie dans les environs lors de la compression de restauration de V2 à V1. Comme nous l'avons vu, S est également égal à l'augmentation d'entropie du gaz provoquée par son expansion initiale de V1 à V2. En effet, V1 est le même volume à la fois avant expansion et après compression de restauration, et a donc le même contenu entropique. Par conséquent, l'entropie transférée à l'environnement lors de la restauration est égale à celle acquise par le système lors de l'expansion de V1 à V2.

Le rapport de la probabilité que toutes les molécules de gaz soient uniformément réparties entre les deux réservoirs à la probabilité que toutes les molécules, d'elles-mêmes et par mouvement aléatoire, soient dans le réservoir V1 est égal à (V2/V1) N , où N est le nombre de molécules.

Si V2/V1 était égal à 2,0, par exemple, et N était égal à 10, le rapport de probabilité serait de 2 à la puissance dixième, soit 1024. Pour N = 100, le rapport serait d'environ 1,27 fois dix à la puissance 30. . Il est clair que le mouvement aléatoire de milliers de milliards de molécules de gaz favorise fortement une distribution uniforme. A partir de l'équation de probabilité, nous avons : En prenant le logarithme népérien des deux côtés, puis en multipliant les deux côtés par R, la constante des gaz : En substituant dans l'équation (5) :

L'équation (6) représente la relation fondamentale entre la probabilité et la deuxième loi de la thermodynamique. Il indique que l'entropie d'un système gazeux augmente lorsque sa distribution moléculaire passe d'une probabilité plus faible à une probabilité plus élevée (X2 supérieur à X1).

Basé sur la croyance que les lois de la thermodynamique sont universelles, cette équation a été supposée s'appliquer à tous les systèmes, pas seulement gazeux. En d'autres termes, tout changement d'entropie est proportionnel au logarithme du rapport des probabilités. Par conséquent, pour le cas général, l'équation (6) peut être écrite : Où K est une constante dépendant du changement particulier impliqué. Cependant, les valeurs individuelles de K, X1 ou X2 sont rarement, voire jamais, connues pour les systèmes non gazeux.

Comme nous l'avons vu précédemment, S peut être positif ou négatif.Lorsque S est négatif, l'équation (7) peut s'écrire : Par conséquent, un système peut passer d'un état plus probable (X2) à un état moins probable (X1), à condition que S pour le système soit négatif. Dans les cas où le système interagit avec son environnement, S peut être négatif à condition que l'entropie globale du système et de son environnement en interaction soit positive, le changement global peut être positif si l'augmentation d'entropie de l'environnement est numériquement supérieure à l'entropie diminution du système.

Dans le cas de la formation des molécules complexes caractéristiques des organismes vivants, les créationnistes soulèvent le fait que lorsque les êtres vivants se décomposent après la mort, le processus de décomposition se produit avec une augmentation de l'entropie. Ils soulignent également, à juste titre, qu'un changement spontané dans un système a lieu avec un degré élevé de probabilité. Cependant, ils ne réalisent pas que la probabilité est relative et qu'un changement spontané dans un système peut être inversé, à condition que le système interagisse avec son environnement de telle manière que l'augmentation d'entropie dans l'environnement soit plus que suffisante pour inverser l'original du système. augmentation de l'entropie.

L'application d'énergie peut inverser une réaction spontanée thermodynamiquement « irréversible ». Les feuilles brûleront spontanément (se combineront avec l'oxygène) pour former de l'eau et du dioxyde de carbone. L'énergie du soleil, à travers le processus de photosynthèse, produira des feuilles à partir de vapeur d'eau et de dioxyde de carbone, et formera de l'oxygène.

Si nous débranchons un réfrigérateur, la chaleur s'écoulera vers l'intérieur depuis l'environnement, l'augmentation d'entropie à l'intérieur du réfrigérateur sera supérieure à la diminution d'entropie dans l'environnement et le changement net d'entropie est positif. Si nous le branchons, ce changement spontané "irréversible" est inversé. En raison de l'apport d'énergie électrique au compresseur, la chaleur transférée à l'environnement par les serpentins du condenseur est supérieure à la chaleur extraite du réfrigérateur, et l'augmentation d'entropie de l'environnement est supérieure à la diminution d'entropie de l'intérieur, malgré du fait que l'environnement est à une température plus élevée. Ici encore, la variation nette d'entropie est positive, comme on pourrait s'y attendre pour tout processus spontané.

De la même manière, l'application d'énergie électrique peut inverser la réaction spontanée de l'hydrogène et de l'oxygène pour former de l'eau : lorsqu'un courant traverse une solution aqueuse, de l'hydrogène est libéré à une électrode, de l'oxygène à l'autre.

Comme on peut facilement le confirmer expérimentalement, l'agitation de l'eau élève sa température. Lorsque l'eau tombe librement d'une altitude plus élevée à une altitude plus basse, son énergie passe du potentiel au cinétique, et enfin à la chaleur lorsqu'elle éclabousse à la fin de sa chute. La deuxième loi de la thermodynamique stipule que l'eau ne s'élèvera pas spontanément à son élévation d'origine en utilisant la chaleur produite lors des éclaboussures comme seule source d'énergie. Pour ce faire, il faudrait un moteur thermique qui convertirait toute la chaleur des éclaboussures en énergie mécanique.

L'efficacité d'un moteur thermique est limitée thermodynamiquement par le cycle de Carnot, qui limite l'efficacité de tout moteur thermique à T/T, où T est l'augmentation de température due aux éclaboussures, et T est la température absolue. Puisque T n'est qu'une petite fraction de T, il n'y a aucun dispositif qui pourrait être construit qui permettrait à toute l'eau de revenir spontanément à son ancienne élévation.

On peut, au moins en théorie, calculer l'augmentation d'entropie de l'eau résultant de sa variation irréversible en tombant. De manière analogue à celle utilisée dans l'exemple précédent, l'augmentation d'entropie serait égale à la chaleur générée par l'agitation par barbotage, divisée par la température absolue. Si une partie de l'énergie de l'eau qui tombe est extraite par une roue à eau, il y aura moins de chaleur d'éclaboussure et donc moins d'augmentation d'entropie.

Une turbine bien conçue pourrait extraire la plus grande partie de l'énergie cinétique de l'eau. Ce n'est pas la même chose que d'essayer d'utiliser la chaleur des éclaboussures comme source d'énergie pour un moteur thermique pour élever l'eau. En d'autres termes, utiliser l'énergie avant qu'elle ne se transforme en chaleur est beaucoup plus efficace que d'essayer de l'utiliser après qu'elle se transforme en chaleur.

Si une roue hydraulique est reliée par des arbres, des courroies, des poulies, etc. à une pompe, la pompe peut élever l'eau du côté aval de la roue hydraulique à une altitude encore plus élevée que celle du réservoir amont. Une partie de l'eau s'élèverait spontanément à une altitude encore plus élevée qu'à l'origine, mais le reste finirait sous la roue hydraulique du côté aval.

Bien qu'il ne soit pas possible pour toute l'eau de s'élever à une élévation supérieure à son élévation initiale, il est possible qu'une partie de l'eau s'élève spontanément à une élévation supérieure à l'élévation initiale.

Comme pour tout autre changement irréversible, il y aura une augmentation de l'entropie globale. Cela signifie que l'augmentation d'entropie de l'eau passant sur la roue est supérieure à la diminution d'entropie de l'eau pompée jusqu'à l'altitude la plus élevée.

Ceci sera confirmé mathématiquement dans les paragraphes suivants. représentera la lettre grecque gamma, représentant le poids unitaire en livres par pied cube. Une augmentation de la valeur d'un paramètre sera représentée par . À partir de l'équation de débit, énergie entrante = énergie sortante : l'énergie totale disponible, h, est divisée en travail de pompe, f (h + h), et énergie perdue, TS : réorganisation : lorsqu'aucun travail de pompe n'est effectué, alors : combinaison d'équations (8) et (9), on obtient : Dans le cas où l'eau tombe librement sans tourner la roue hydraulique ni actionner la pompe : L'équation (10) montre que S' est plus grand que S, et que l'entropie augmente en raison de la pompe la friction et l'agitation en aval sont "soutenues" par l'augmentation encore plus importante de l'entropie qui se produit lorsque l'eau tombe librement. L'équation (10) montre également que plus la valeur de S est faible, plus la pompe est efficace et plus la valeur de f, la fraction d'eau pompée, est élevée.

Les créationnistes supposent qu'un changement caractérisé par une diminution de l'entropie ne peut en aucun cas se produire. En fait, les diminutions spontanées d'entropie peuvent se produire et se produisent tout le temps, à condition qu'une énergie suffisante soit disponible. Le fait que la roue hydraulique et la pompe soient des engins construits par l'homme n'a aucune incidence sur le cas : la thermodynamique ne s'occupe pas de la description détaillée d'un système, elle traite uniquement de la relation entre les états initial et final d'un système donné (dans ce boîtier, la roue hydraulique et la pompe).

Un argument favori des créationnistes est que la probabilité que l'évolution se produise est à peu près la même que la probabilité qu'une tornade soufflant à travers un dépotoir puisse former un avion. Ils fondent cet argument sur leur conviction que les changements dans les êtres vivants ont une très faible probabilité et ne pourraient pas se produire sans une "conception intelligente" qui surmonte les lois de la thermodynamique. Cela représente une contradiction fondamentale dans laquelle (ils disent) l'évolution est incompatible avec la thermodynamique parce que la thermodynamique ne permet pas à l'ordre de naître spontanément du désordre, mais le créationnisme (sous l'apparence d'un dessein intelligent) n'a pas à être cohérent avec les lois de thermodynamique.

Une analogie plus simple avec le scénario avion/dépotoir serait l'empilement de trois blocs soigneusement les uns sur les autres. Pour ce faire, une conception intelligente est requise, mais l'empilement ne viole pas les lois de la thermodynamique. Les mêmes relations sont valables pour cette activité que pour toute autre activité impliquant des changements d'énergie thermodynamique. Il est vrai que les blocs ne s'empilent pas, mais pour ce qui est de la thermodynamique, il suffit d'avoir l'énergie pour les ramasser et les placer les uns sur les autres. La thermodynamique ne fait que corréler les relations énergétiques en passant de l'état A à l'état B. Si les relations énergétiques le permettent, le changement peut se produire. S'ils ne le permettent pas, le changement ne peut pas se produire. Une balle ne bondira pas spontanément du sol, mais si elle tombe, elle rebondira spontanément du sol. Que la balle soit soulevée par une conception intelligente ou qu'elle tombe par hasard ne fait aucune différence.

D'un autre côté, la thermodynamique n'exclut pas la possibilité d'une conception intelligente, ce n'est tout simplement pas un facteur en ce qui concerne le calcul de la probabilité thermodynamique.

Considérant la terre comme un système, tout changement qui s'accompagne d'une diminution de l'entropie (et donc d'un retour d'une probabilité plus élevée à une probabilité plus faible) est possible tant qu'une énergie suffisante est disponible. La source ultime de la plupart de cette énergie est bien sûr le soleil.

Le calcul numérique des changements d'entropie accompagnant les changements physiques et chimiques est très bien compris et constitue la base de la détermination mathématique de l'énergie libre, des caractéristiques emf des cellules voltaïques, des constantes d'équilibre, des cycles de réfrigération, des paramètres de fonctionnement des turbines à vapeur et de nombreux autres paramètres. . La position créationniste rejetterait nécessairement tout le cadre mathématique de la thermodynamique et ne fournirait aucune base pour la conception technique des turbines, des unités de réfrigération, des pompes industrielles, etc. Elle supprimerait les relations mathématiques bien développées de la chimie physique, y compris l'effet de la température et de la pression sur les constantes d'équilibre et les changements de phase.


[Les symboles grecs et mathématiques sont une gracieuseté de Karen Strom de l'Université du Massachussetts. Ils peuvent être téléchargés ici et utilisés avec cette attribution et sans frais à des fins non lucratives uniquement.]


En avant et en arrière

Vous pourriez entendre le terme réversibilité. Les scientifiques utilisent le terme de réversibilité pour décrire des systèmes en équilibre avec eux-mêmes et l'environnement qui les entoure. Lorsqu'un système est en équilibre, tout changement qui se produit dans une direction est équilibré par un changement égal dans la direction opposée. La réversibilité signifie que les effets peuvent être inversés. Cela implique que le système est isolé (rien n'interfère, rien n'entre ni ne sort). Globalement, leur effet et leur changement sur le système sont nuls.


Pourquoi se fait-il que lorsque vous laissez un glaçon à température ambiante, il commence à fondre ? Pourquoi vieillissons-nous et ne rajeunissons-nous jamais ? Et pourquoi chaque fois que les chambres sont nettoyées, elles redeviennent en désordre à l'avenir ? Certaines choses se produisent dans un sens et pas dans l'autre, c'est ce qu'on appelle la « flèche du temps » et cela englobe tous les domaines de la science. La flèche thermodynamique du temps (entropie) est la mesure du désordre au sein d'un système. Dénoté (Delta S), le changement d'entropie suggère que le temps lui-même est asymétrique par rapport à l'ordre d'un système isolé, ce qui signifie qu'un système deviendra plus désordonné à mesure que le temps augmente.

Acteurs majeurs de l'élaboration de la deuxième loi

  • Nicolas Léonard Sadi Carnot était un physicien français, qui est considéré comme le "père de la thermodynamique", car il est à l'origine des origines de la deuxième loi de la thermodynamique, ainsi que de divers autres concepts. La forme actuelle de la deuxième loi utilise l'entropie plutôt que le calorique, ce que Sadi Carnot a utilisé pour décrire la loi. Le calorique est lié à la chaleur et Sadi Carnot s'est rendu compte qu'un peu de calorique est toujours perdu dans le cycle du mouvement. Ainsi, le concept de réversibilité thermodynamique s'est avéré faux, prouvant que l'irréversibilité est le résultat de tout système impliquant un travail.
  • Rudolf Clausius était un physicien allemand, et il a développé la déclaration Clausius, qui dit "La chaleur en général ne peut pas couler spontanément d'un matériau à une température plus basse à un matériau à une température plus élevée.
  • William Thompson, également connu sous le nom de Lord Kelvin, a formulé la déclaration Kelvin, qui déclare "Il est impossible pour convertir complètement la chaleur dans un processus cyclique. » Cela signifie qu'il n'y a aucun moyen pour quelqu'un de convertir toute l'énergie d'un système en travail, sans perdre d'énergie.
  • Constantin Carathéodory, un mathématicien grec, a créé sa propre déclaration du deuxième bas en faisant valoir que "Au voisinage de tout état initial, il y a des états qui ne peut pas être approché arbitrairement près par des changements d'état adiabatiques.

Pour comprendre pourquoi l'entropie augmente et diminue, il est important de reconnaître que deux changements d'entropie doivent être pris en compte à tout moment. Le changement d'entropie de l'environnement et le changement d'entropie du système lui-même. Étant donné que le changement d'entropie de l'univers est équivalent à la somme des changements d'entropie du système et de son environnement :

Dans une détente isotherme réversible, la chaleur q absorbée par le système de l'environnement est

Puisque la chaleur absorbée par le système est la quantité perdue par l'environnement, (q_=-q_).Par conséquent, pour un processus vraiment réversible, le changement d'entropie est

Si le processus est irréversible, le changement d'entropie est

Si nous mettons les deux équations pour (Delta S_) ensemble pour les deux types de processus, nous nous retrouvons avec la deuxième loi de la thermodynamique,

[Delta S_=Delta S_+Delta S_geq0 label<5>]

où (Delta S_) est égal à zéro pour un processus véritablement réversible et est supérieur à zéro pour un processus irréversible. En réalité, cependant, les processus véritablement réversibles ne se produisent jamais (ou prendront un temps infiniment long pour se produire), il est donc sûr de dire que tous les processus thermodynamiques que nous rencontrons quotidiennement sont irréversibles dans la direction dans laquelle ils se produisent.

La deuxième loi de la thermodynamique peut également être énoncée que "all spontané les processus produisent un augmenter dans l'entropie de l'univers".


Trois lois de la biologie

D'immenses progrès scientifiques ont été réalisés au cours des derniers siècles, et le délai nécessaire pour doubler nos connaissances ne cesse de se réduire. Au cours des dernières décennies, le séquençage des génomes de diverses espèces a été l'un des principaux moteurs de l'expansion des connaissances biologiques. Elle est devenue centrale dans l'étude de l'évolution moléculaire et de l'organisme. Les technologies qui, par exemple, permettent à la génomique, à la médecine moléculaire et à l'informatique de progresser à des rythmes interdépendants aussi rapides, sont reconnues comme essentielles à notre compréhension de la biosphère terrestre et à sa pérennité pour les générations futures.

Ces dernières années, la biologie a été à la pointe de la science alors que nous satisfaisons nos désirs de comprendre la nature des organismes vivants et leurs histoires évolutives. Les déclarations qui suivent sont basées sur des tonnes de preuves. Ce n'est que lorsque chaque énoncé est intégré aux autres qu'une image raisonnablement complète de la vie devient possible. Nous sollicitons l'aide de la communauté scientifique internationale pour nous informer de toutes modifications et exceptions au dogme scientifique existant afin que nos concepts puissent être continuellement affinés. Ce n'est que par cette approche qu'il a été possible d'établir certaines lois fondamentales de la biologie. La première loi de la biologie : tous les organismes vivants obéissent aux lois de la thermodynamique. La deuxième loi de la biologie : tous les organismes vivants sont constitués de cellules enveloppées d'une membrane. La troisième loi de la biologie : tous les organismes vivants sont apparus au cours d'un processus évolutif.

La première loi de la biologie : tous les organismes vivants obéissent aux lois de la thermodynamique. Cette loi est fondamentale car les lois du monde inanimé déterminent le cours de l'univers. Tous les organismes sur toutes les planètes, y compris les humains, doivent obéir à ces lois. Les lois de la thermodynamique régissent les transformations d'énergie et les distributions de masse. Les cellules qui composent les organismes vivants (voir La deuxième loi) sont des systèmes ouverts qui permettent à la masse et à l'énergie de traverser leurs membranes. Les cellules existent dans des systèmes ouverts afin de permettre l'acquisition de minéraux, de nutriments et de nouveaux traits génétiques tout en extrudant les produits finaux du métabolisme et des substances toxiques. La variation génétique, qui résulte en partie du transfert de gènes chez les procaryotes et de la reproduction sexuée chez les organismes supérieurs, permet une variabilité phénotypique considérablement accrue dans une population ainsi qu'un taux accéléré de divergence évolutive.

Un corollaire de la première loi est que la vie requiert la création temporaire d'ordre en contradiction apparente avec la deuxième loi de la thermodynamique. Cependant, en considérant un système complètement fermé, incluant les matériaux et les sources d'énergie fournis par l'environnement pour le maintien de la vie, les organismes vivants affectent le système strictement selon cette loi, en augmentant l'aléatoire ou le chaos (entropie). L'utilisation des ressources par les organismes vivants augmente ainsi l'entropie du monde. Un deuxième corollaire de la Première Loi est qu'un organisme à l'équilibre biochimique est mort. Lorsque les organismes vivants atteignent l'équilibre avec leur environnement environnant, ils ne présentent plus la qualité de vie. La vie dépend de voies biochimiques interconnectées pour permettre la croissance, la synthèse macromoléculaire et la reproduction. Ainsi, toutes les formes de vie sont loin d'être en équilibre avec leur environnement.

La deuxième loi de la biologie : tous les organismes vivants sont constitués de cellules enveloppées d'une membrane. Les membranes enveloppantes permettent une séparation physique entre le monde vivant et le monde non vivant. Les virus, plasmides, transposons, prions et autres entités biologiques égoïstes ne sont pas vivants. Ils ne peuvent pas « s'auto » se reproduire. Ils dépendent d'une cellule vivante à cette fin. Par définition, ils ne sont donc pas vivants. Un corollaire de la deuxième loi est que la cellule est la seule structure qui peut croître et se diviser indépendamment d'une autre forme de vie. Un deuxième corollaire de la deuxième loi est que toute vie est programmée par des instructions génétiques. Des instructions génétiques sont nécessaires pour la division cellulaire, la morphogenèse et la différenciation. Des organismes procaryotes unicellulaires aux tissus normaux ou cancéreux chez les animaux et les plantes multicellulaires, des instructions génétiques sont nécessaires au maintien de la vie.

La troisième loi de la biologie : tous les organismes vivants sont apparus au cours d'un processus évolutif. Cette loi prédit correctement la parenté de tous les organismes vivants sur Terre. Il explique toutes leurs similitudes et leurs différences programmées. La sélection naturelle se produit au niveau de l'organisme (phénotypique) et moléculaire (génotypique). Les organismes peuvent vivre, se reproduire et mourir. S'ils meurent sans se reproduire, leurs gènes sont généralement retirés du pool génétique, bien qu'il existe des exceptions. Au niveau moléculaire, les gènes et leurs protéines codantes peuvent évoluer « de manière égoïste », et ceux-ci peuvent se combiner avec d'autres gènes égoïstes pour former des opérons égoïstes, des unités génétiques et des éléments parasitaires fonctionnels tels que des virus.

Deux corollaires de la troisième loi sont que (1) tous les organismes vivants contiennent des macromolécules homologues (ADN, ARN et protéines) qui dérivent d'un ancêtre commun, et (2) le code génétique est universel. Ces deux observations fournissent des preuves convaincantes de la troisième loi de la biologie. En raison de son énoncé précis de la troisième loi, Charles Darwin est considéré par beaucoup comme le plus grand biologiste de tous les temps.

Bien que la science repousse sans cesse les frontières de nos connaissances, nous ne saurons jamais tout. En fait, nous ne savons même pas ce que nous ne savons pas. Par exemple, nous ne saurons peut-être jamais comment la vie est née. Bien que la vie puisse être dispersée dans tout l'univers, la vie n'est pas requise pour la continuité de la matière inanimée, c'est-à-dire que les organismes vivants ne sont pas essentiels au fonctionnement de l'univers. Les lois de la physique continuent de s'appliquer indépendamment de la présence de la vie.À notre connaissance, la vie ne peut naître que d'une vie préexistante. Cela soulève bien sûr la question de savoir comment la ou les premières cellules vivantes ont pu surgir. La vie est-elle née spontanément de la nature inanimée une seule fois, ou plus d'une fois ? La vie peut-elle être transférée entre les planètes réceptives grâce aux voyages spatiaux ? Nous ne savons tout simplement pas. Les mécanismes qui ont pu conduire à l'origine d'une cellule capable de croissance et de division autonomes sont un mystère. C'est un domaine de la biologie qui nécessitera une énorme quantité de recherches scientifiques si des preuves doivent être disponibles, et il n'y a aucune garantie.

Les règles de la biologie et de la science ne peuvent être brisées. Ce ne sont pas des lois artificielles créées par l'homme. Ce sont des lois naturelles qui régissent toute vie alors que les organismes vivants évoluent sur notre planète. Au cours des dernières décennies, les humains ont modifié notre biosphère commune et partagée avec l'épuisement des ressources et la pollution. Nous savons que ces activités ont bouleversé l'équilibre de la Nature, provoquant une extinction massive d'espèces. Les formes de pollution les plus importantes peuvent être attribuées à un trop grand nombre d'humains consommant trop de ressources non renouvelables à un rythme toujours croissant. Une grande partie de ce mal est motivée par le plaisir, la cupidité, les conflits et le désir de pouvoir. À des degrés divers, nous sommes tous coupables.

Pourquoi tant de gens attaquent-ils la biosphère d'une manière aussi primitive ? Certains ignorent le résultat. Ils ignorent les conséquences de leurs actes. Ils ne reconnaissent pas qu'une action incorrecte peut avoir des conséquences désastreuses pour notre biosphère et pour nous tous. Ils ne comprennent pas que la sélection naturelle est cruelle et peut causer d'immenses souffrances et la mort. Ils ne pensent qu'à l'instant et refusent d'accepter que ce soit leur progéniture qui devra faire face à la calamité. D'autres encore sont pleinement conscients des conséquences ultimes. Et ceux d'entre nous qui sont conscients doivent prendre des mesures pour transmettre nos connaissances afin d'essayer d'éviter ou de retarder notre destin auto-imposé. Recherche Est-ce que nous dire que nous attaquons notre biosphère, et que la planète ne peut pas accueillir notre énorme population humaine. Nous dépendons des ressources naturelles pour la continuité de notre existence, mais nous ne vivons pas de manière durable. Cette planète n'a pas besoin de plus de consommation et de pollution. Il gémit sous le poids de notre population humaine sans cesse croissante. L'entropie fera son chemin. Cela pourrait aider si tout le monde comprenait la science et notre monde naturel afin qu'ils reconnaissent ce qui est requis pour la survie de l'espèce humaine avec une qualité de vie raisonnable et le premier pas dans cette direction est de comprendre les lois fondamentales de la physique, de la chimie et la biologie et comment ils gouvernent notre biosphère, qui est actuellement attaquée et a besoin d'être sauvée. Cependant, sans respect profond pour la Nature et compassion pour la vie, toute vie, la connaissance risque d'être insuffisante. Nous devons devenir des êtres plus attentionnés, sensibles et compatissants.


II LA DEUXIÈME LOI DE LA THERMODYNAMIQUE

  • 4 . Contexte de la deuxième loi de la thermodynamique
    • 4 . 1 Réversibilité et irréversibilité dans les processus naturels
    • 4 . 2 Différence entre les expansions libres et isothermes
    • 4 . 3 Caractéristiques des procédés réversibles
    • 4 . 4 points les plus boueux du chapitre 4
    • 5 . 1 Concept et énoncés de la deuxième loi
    • 5 . 2 énoncés axiomatiques des lois de la thermodynamique
      • 5 . 2 . 1. Introduction
      • 5 . 2 . 2 Loi Zéro
      • 5 . 2 . 3 Première loi
      • 5 . 2 . 4 Deuxième loi
      • 5 . 2 . 5 processus réversibles
      • 6 . 1 Limitations du travail pouvant être fourni par un moteur thermique
      • 6 . 2 L'échelle de température thermodynamique
      • 6 . 3 Représentation des processus thermodynamiques dans coordonnées
      • 6 . 4 Cycle Brayton dans - Coordonnées
        • 6 . 4 . 1 Travail net par unité de débit massique dans un cycle de Brayton
        • 6 . 8 . 1 Entropie
        • 6 . 8 . 2 Processus réversibles et irréversibles
        • 6 . 8 . 3 exemples de processus réversibles et irréversibles
        • 7 . 1 Changement d'entropie dans le mélange de deux gaz parfaits
        • 7 . 2 Descriptions microscopiques et macroscopiques d'un système
        • 7 . 3 Une définition statistique de l'entropie
        • 7 . 4 La définition statistique de l'entropie et du caractère aléatoire
        • 7 . 5 Exemple numérique : la distribution d'équilibre
        • 7 . 6 Résumé et conclusions
        • 8 . 1 Comportement des systèmes biphasés
        • 8 . 2 Travail et transfert de chaleur avec des médias biphasés
        • 8 . 3 Le cycle de Carnot comme cycle de puissance biphasé
          • 8 . 3 . 1 Exemple : cycle vapeur Carnot


          Voir la vidéo: L essentiel des premier et deuxième principes de la thermodynamique (Août 2022).