Vol 3 - Numéro 1

Entropie : thermodynamique – énergie – environnement – économie

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Des systèmes physiques matérialisant un bit de mémoire ont récemment fait l’objet d’expériences pour explorer le lien entre l’information et l’entropie ou pour réaliser des démons de Maxwell. Qu’il s’agisse de systèmes microscopiques (électron unique, molécule) ou mésoscopiques (bille de verre, particule colloïdale, nano-aimant), leurs changements d’état sont le résultat de transitions élémentaires provoquées par les fluctuations thermodynamiques ou par un effet tunnel quantique. Les équations probabilistes de ces transitions permettent d’établir directement les formules d’échange d’énergie entre la mémoire, la source d’énergie qui en contrôle l’état et le thermostat qui l’entoure, en évitant un détour par la théorie de l’information. La théorie qui en résulte explique l’ensemble des résultats expérimentaux des mémoires bistables et des mémoires à bascule. Elle montre notamment un découplage partiel entre le travail fourni par la source d’énergie et la chaleur échangée avec le thermostat au cours du changement d’état, ainsi que l’influence de la vitesse du processus sur les énergies en jeu et sur la dissipation thermique. Elle met au jour le paradoxe de la temporalité de l’entropie, qui avait été évoqué par Landau et Lifshitz, à savoir que l’entropie n’est pas indépendante du temps, plus précisément que la valeur de l’entropie à cette échelle d’énergie dépend de la durée retenue pour son évaluation. Elle explique pourquoi il est possible de créer ou d’effacer un bit d’information avec une énergie largement inférieure à Kb T log2, la limite de Landauer, et elle résout complètement l’énigme de la machine de Szilard.

Lorsque la température ambiante est basse, la capacité de chauffage et la performance d’une pompe à chaleur à compression de vapeur à un étage sont considérablement réduits. Une pompe à chaleur en cascade à deux étages qui fonctionne avec deux réfrigérants distincts fournit une solution durable pour élever la température du condenseur au-dessus de 70 ℃. Le calcul des performances thermiques pour différentes paires de réfrigérants a été effectué à l’aide du logiciel « Engineering Equation Solver ». La performance des paires de réfrigérants suivantes : R410A/R290, R410A/R1234yf, R410A/R134a, R410A/R407C, R32/R290, R32/R1234yf, R32/R134a, R32/R407C, R404A/R290, R404A/R1234yf, R404A/R1234yf, R407C, R744/R290, R744/R1234yf, R744/R134a, R744/R407C pour les cycles de basse et haute température a été évaluée numériquement. Pour une température d’air ambiant aussi basse que -30 ℃, et une température du circuit de chauffage de +60 ℃, les paires R32/R134a et R410A/R134a présentent le cycle de compression de vapeur le plus élevé (COP 1,98), mais ils devraient être à terme supprimés par l’Accord de Paris. Une alternative respectueuse de l’environnement est représentée par les paires de réfrigérant R32/R290 et R744/R290.

Depuis deux ans environ, nous subissons l’effet de la pandémie liée au SARS-COV-2 [Covid-19]. Désemparés, les politiques dans leurs discours sont passés du thème d’une grippe ordinaire, sans effets majeurs, à des obligations de prévention plus crédibles, parfois avec du retard. La France comptabilise aujourd’hui plus de 130000 morts ! Toute la société (dont des scientifiques), dans le flou ambiant, a ajouté sa vision et ses propres propositions, ce qui n’a rien arrangé. En utilisant (pour l’essentiel) des méthodes de résolution d’équations différentielles classiques, on retrouve la plupart des couplages entre virus (croissance, exposition, disparition) et individus (malades, immunisés, etc.), déjà validés scientifiquement. Des tendances issues de cette modélisation semi-quantitative valident nombre d’effets : distanciation sociale, gestes barrières, qualité du masque, intérêt du télétravail, etc. En revanche, malgré le discours du politique, validé par son conseil scientifique, il est possible que la vaccination ne serve pas à réduire la pandémie si les vaccinés (protégés des effets les plus graves) réémettent du virus, même en petites quantités. De même, l’existence d’une immunité collective n’est pas prouvée...

Les sprays permettent d’améliorer le refroidissement par air des sources de chaleur en électronique, métallurgie ou dans les procédés industriels. La technique repose sur l’évaporation de gouttes d’eau dans l’air et sur la surface chauffante. Même lorsque les tailles de gouttes sont très petites, l’évaporation à l’intérieur d’un spray injecté dans un tunnel reste limitée et inférieure aux limites de saturation. Dans cet article, on décrit l’évolution des termes d’énergie dans un mélange d’air et d’eau liquide en train de s’évaporer. On montre que l’équilibre chimique spontané correspond au maximum d’entropie, c’est à dire à un état intermédiaire dans lequel l’évaporation n’est pas complète. Les résultats sont comparés à des valeurs expérimentales mesurées dans une soufflerie en aval d’un spray. Les valeurs calculées sont un majorant des observations et les écarts sont discutés pour les différents paramètres étudiés, qui sont la quantité d’eau injectée, la température sèche et l’humidité ambiante. L’approche numérique est ensuite inversée de façon à pronostiquer la quantité d’eau nécessaire pour atteindre une valeur cible de refroidissement. Cette approche inversée permet ainsi de doser un minorant de l’injection d’eau nécessaire pour refroidir un flux d’air en fonction des conditions d’entrée de l’écoulement.