La première loi de la thermodynamique vient d’être réécrite

Une rénovation majeure pour un pilier de la physique

Vous pensiez que les bases de la physique étaient gravées dans le marbre ? Eh bien, détrompez-vous. La première loi de la thermodynamique, ce véritable roc sur lequel repose une grande partie de notre compréhension de l’énergie, est en pleine rénovation. C’est un peu comme si on décidait soudainement de refaire les fondations d’un monument historique.

Une équipe dirigée par des chercheurs de la West Virginia University a publié un papier détaillant comment cette loi fondamentale peut désormais s’appliquer bien plus largement qu’on ne l’imaginait. C’est une découverte qui a le potentiel, et je pèse mes mots, de réécrire la façon dont nous comprenons les systèmes énergétiques complexes. Ce n’est pas tous les jours qu’on touche à un texte sacré de la science.

Le ballon, la chaleur et le problème de l’équilibre

Reprenons les bases, voulez-vous ? La première loi de la thermodynamique est l’une des lois fondamentales de la physique. Même si vous n’êtes pas un mordu de recherche, vous avez sûrement déjà entendu la version simplifiée : l’énergie ne peut être ni créée ni détruite, elle se transforme simplement sous d’autres formes. C’est rassurant, cette constance, non ?

Pour illustrer ça, Paul Cassak, l’auteur principal de l’étude, utilise une analogie assez parlante dans un communiqué de presse : « Supposez que vous chauffiez un ballon. La première loi de la thermodynamique vous dit de combien le ballon gonfle et de combien le gaz à l’intérieur se réchauffe. La clé, c’est que la quantité totale d’énergie faisant gonfler le ballon et chauffer le gaz est la même que la quantité de chaleur que vous avez mise dans le ballon. »

C’est un outil incroyablement utile pour les physiciens depuis sa découverte dans les années 1850. Mais voilà, il y a un hic. Historiquement, cette loi ne fonctionnait que lorsque les choses étaient dans un état, ou proche d’un état, d’équilibre thermodynamique. En gros, cela signifie que la température du système est constante partout. Pas de gros points chauds ou froids ; tout est globalement à la même température, ce qui signifie que tout a à peu près la même quantité d’énergie. C’est parfait pour une machine à vapeur du 19ème siècle, mais pour le reste…

Quand la physique sort de sa zone de confort

Le problème, c’est qu’on n’est plus en 1850. Nous essayons de répondre à des questions beaucoup plus détaillées sur l’univers qui nous entoure, et les chercheurs tentent depuis longtemps d’appliquer la première loi à des systèmes qui ne sont pas en équilibre. Vous ne croisez peut-être pas ces systèmes tous les matins en allant chercher votre café, mais ils sont très courants dans l’univers.

Prenez les plasmas spatiaux, par exemple. On les trouve partout, des queues de comètes aux couches externes des étoiles. Ces environnements sont chaotiques, instables, et défiaient jusqu’ici les calculs classiques. La percée de cette équipe de chercheurs est arrivée sous la forme d’une bonne dose de mathématiques complexes. Pour faire simple – enfin, si l’on peut dire – la conversion d’énergie dans les systèmes à l’équilibre thermodynamique pouvait être décrite presque entièrement par leur densité et leur pression.

Mais le comportement de la conversion d’énergie dans des systèmes plus compliqués est déterminé par bien plus que ça. Paul Cassak l’explique mieux que moi à Popular Mechanics : « Hors équilibre, la première loi de la thermodynamique continue de décrire uniquement la conversion d’énergie pendant un processus qui change la densité et la température. Ce que nous avons découvert, c’est que toutes les autres quantités décrivant le gaz, le liquide ou le plasma lorsqu’il n’est pas en équilibre sont laissées de côté par la première loi de la thermodynamique. »

Conclusion : De nouvelles équations pour de nouvelles technologies

Ce dont l’équipe avait besoin, c’était d’un moyen de quantifier toute cette conversion d’énergie qui n’était pas décrite par la densité et la pression. Et vous savez quoi ? Ils l’ont trouvé. Pour l’œil non averti (probablement le vôtre et le mien), la solution ressemblera juste à un groupe dense et confus d’équations indéchiffrables.

Mais pour un physicien, la description mathématique de ces propriétés supplémentaires ressemble à une opportunité en or. Les applications potentielles de ces travaux vont de la chimie aux circuits électriques, en passant par l’informatique quantique et même la météo spatiale. Ce genre d’ajustement dans notre compréhension des briques élémentaires de la physique n’arrive pas souvent. Alors quand ça arrive, ça a le potentiel d’influencer énormément le domaine et ceux qui y travaillent. Cela montre juste que même des lois vieilles de plusieurs siècles peuvent redevenir neuves si on les regarde assez attentivement.

Selon la source : popularmechanics.com

Ce contenu a été créé avec l’aide de l’IA.