Mouvement perpétuel
Pour le mouvement perpétuel en musique, voir Mouvement perpétuel (musique).
Le mouvement perpétuel désigne l'idée d'un mouvement (généralement périodique), au sein d'un système, capable de durer indéfiniment sans apport extérieur d'énergie ou de matière, ni transformation irréversible du système.
Depuis la Renaissance, des inventeurs ignorant les principes de la mécanique ont tenté de construire des systèmes mécaniques aptes à perpétuer leur mouvement, pensant qu'ils pourraient constituer une source illimitée de travail.
Leurs mécanismes ne pouvaient fonctionner conformément à leurs espérances, car les connaissances techniques de l'époque ne permettaient guère de réduire de façon significative les phénomènes de frottement entre les pièces fixes et pièces mobiles.
On sait que si un mouvement perpétuel peut exister (en théorie) sans aucune énergie apportée, il ne peut devenir une source d'énergie : en effet, cela revient à en consommer sans en avoir ajouté, alors que d'après le premier principe de la thermodynamique elle ne peut ni être créée ni être détruite mais uniquement être transformée. L'obtention d'un « moteur perpétuel », source d'énergie utilisant un mouvement perpétuel, est donc impossible (sinon, le mouvement n'est plus perpétuel).
Le mouvement perpétuel dans la nature
En théorie un corps isolé en mouvement rectiligne uniforme ne dégage aucune énergie et peut donc avoir un mouvement perpétuel (les forces qui s'exercent sur lui s'annulent et sont non dissipatrices). C'est le principe d'inertie, la première loi de Newton sur la mécanique.
Les électrons dans l'atome
Une représentation de l'atome est que les électrons tournent autour du noyau dans l'atome (modèle planétaire ou modèle de Rutherford) ; ceci est impossible car ils rayonneraient alors de l'énergie à l'image d'une antenne radio (cela se démontre à partir des équations de Maxwell) ; la mécanique quantique montre en fait que les électrons forment un « nuage électronique » autour du noyau, qui ne génère aucun rayonnement.
Les planètes
À l'échelle humaine, la trajectoire des planètes semble être un mouvement perpétuel (les modifications de périodes sont détectables, mais vraiment très faibles).
Il est exact que le mouvement des planètes autour d'une étoile est perpétuel tant que le système ne subit pas de modification, mais ce n'est jamais le cas : la marée sur terre dissipe l'énergie du système terre/lune à un taux de 3.75 terawatt dont une partie, l'énergie marémotrice, peut être captée[1],[2]. Ce genre de mouvement perpétuel ne contredit pas les lois de conservation de l'énergie puisqu'il ne fournit pas de travail. L'utilisation de l'assistance gravitationnelle pour l'accélération d'engins spatiaux est une des rares exceptions à la précédente phrase, mais l'énergie prélevée est négligeable pour un tel système.
Plus précisément, dans le cas des systèmes réels, on ne peut pas prédire exactement combien de temps ils seront stables. Deux astres isolés seraient bien en mouvement perpétuel autour de leur centre de masse (voir problème à deux corps).
Tentatives de machines à mouvement « perpétuels »
Il est ici question d'avoir une machine ayant un mouvement cyclique, donnant plus d'énergie qu'elle n'en reçoit, pour une utilisation comme moteur. Sachant que la montée et la descente cyclique d'un poids ou d'un flotteur ne donnent pas d'énergie, que la compression et la décompression cyclique d'un ressort non plus, il est évident que de telles machines sont impossibles. L'argument de la résonance ne tient pas non plus, car la résonance ne crée pas non plus d'énergie.
De nombreux savants se sont penchés sur le mouvement perpétuel, dont Léonard de Vinci.
Un des premiers mouvements perpétuels proposés est la roue de l'horloger Johann Bessler (1681-1745). C'est un tambour plein creusé de cavités dans lesquelles des poids basculent, en entraînant la roue. La forme des cavités est conçue de telle manière que les poids se rapprochent de l'axe de rotation lors de la montée et s'en éloignent à la descente.
Mais un calcul rigoureux appliquant les lois de Newton (énoncées en 1687) montre que la roue ne peut gagner de vitesse de rotation, seulement retrouver la même vitesse au bout d'un tour, en supposant qu'il n'y ait pas de frottements.
Utilisation comme moteur
Un vieux rêve pour disposer d'une énergie gratuite est d'utiliser une roue en rotation perpétuelle (dont on aurait réussi à maintenir les frottements mécaniques à un niveau négligeable) comme source d'énergie électrique par induction électromagnétique, c'est-à-dire placer une dynamo sur une roue à mouvement perpétuel. Mais on montre que la force de Laplace se comporte alors exactement comme une force de frottement. L'énergie électrique fournie au total (une fois la roue arrêtée) correspond alors exactement à l'énergie cinétique fournie par l'utilisateur à l'origine (et encore, idéalement : même dans le meilleur système envisageable, il faut retirer les pertes et les frottements).
Machines à pseudo-mouvement perpétuel
Des mécanismes peuvent donner l'illusion du mouvement perpétuel. En fait le mouvement est toujours entretenu par une source d'énergie plus ou moins difficile à déceler.
- Dans les années 1760, l'horloger James Cox a inventé une pendule à balancier qui n'a pas besoin d'être remontée. En réalité son ingénieux mécanisme utilise une source d'énergie cachée : les variations de la pression atmosphérique. C'est en effet une colonne de mercure qui entretient le mécanisme.
- Les petits moteurs à eau utilisent l'évaporation de l'eau pour créer l’énergie nécessaire au mécanisme d'une horloge. Cette évaporation provoque un refroidissement, la faible différence de température suffit à faire fonctionner un petit moteur thermique (Stirling par exemple). C'est également le principe utilisé dans l'oiseau buveur.
Machines perpétuelles de deuxième ordre
Les machines décrites précédemment sont des machines de premier ordre, violant le premier principe de la thermodynamique. Des machines de deuxième ordre, violeraient le deuxième principe de la thermodynamique. Par exemple, on pourrait imaginer un bateau prélevant de l'eau de mer, récupérant son enthalpie de fusion pour se mouvoir, et rejetant à la mer la glace obtenue.
Des exemples de violation apparente du second principe sont le démon de Maxwell ou encore la roue à rochet et cliquet de Feynman. De tels mécanismes sont censés pouvoir transformer de la chaleur en travail au cours d'un cycle monotherme. Ils posent donc la question de la validité du second principe (c’est-à-dire l'hypothèse de croissance monotone de l'entropie macroscopique des systèmes « isolés[3] »). En fait, ces deux mécanismes ne permettent nullement de démontrer que le second principe n'est pas respecté. En effet, la baisse d'entropie du gaz réalisée par l'action du démon de Maxwell par exemple (en ouvrant et fermant au bon moment une petite porte ménagée dans une cloison séparant un réservoir de gaz en deux compartiments étanches) est possible sans violation du second principe de la thermodynamique. Compte tenu de l'équivalence entropie macroscopique/manque d'information d'un observateur macroscopique il suffit, pour respecter l'hypothèse de croissance monotone de l'entropie des systèmes « isolés », que cette baisse d'entropie du gaz s'accompagne d'une perte supérieure ou égale de l'information détenue par le démon sur l'état du gaz et sur son propre état.
On sait donc aujourd'hui que l'expérience de pensée correspondant au démon de Maxwell ne permet pas d'invalider l'hypothèse selon laquelle le second principe de la thermodynamique présenterait un caractère fondamental. Les physiciens ont aujourd'hui cessé de chercher des exceptions à la première loi de la thermodynamique et ne croient guère qu'il soit possible, à l'avenir, de violer la seconde loi de la thermodynamique grâce à des progrès en nanotechnologies.
Médias
- L'Extravagant Voyage du jeune et prodigieux T. S. Spivet, film écrit, produit et réalisé par Jean-Pierre Jeunet, sorti en 2013 où le jeune héros invente une machine à mouvement perpétuel, qui n'en est pas réellement une, puisqu'elle est entretenue par la source d'énergie qu'est le magnétisme, qui elle-même n'est pas infinie.
Notes et références
- Munk, W. et C Wunsch, « Abyssal recipes II: energetics of tidal and wind mixing », Deep Sea Research Part I Oceanographic Research Papers, vol. 45, , p. 1977 (DOI 10.1016/S0967-0637(98)00070-3)
- Ray, R. D., R. J. Eanes et B. F. Chao, « Detection of tidal dissipation in the solid Earth by satellite tracking and altimetry », Nature, vol. 381, , p. 595 (DOI 10.1038/381595a0)
- En réalité, en raison du théorème de récurrence de Poincaré, l'entropie d'un système confiné dans un volume borné, possédant une énergie finie et qui serait idéalement isolé de toute interaction avec son environnement ne pourrait pas baisser de façon monotone ; en effet, un tel système peut revenir aussi près qu'on le souhaite de son état initial à condition d'attendre suffisamment longtemps. Cette objection au second principe de la thermodynamique (faite à Boltzmann lorsqu'il a fait connaître son théorème H) est connue depuis les débuts de la thermodynamique statistique sous le nom d'objection de récurrence de Zermelo. En fait, le caractère irréversible de la croissance de l'entropie des systèmes « isolés » résulte du fait qu'aucun système n'est jamais parfaitement isolé de son environnement. De l'information sur l'état du système se diffuse dans l'environnement. Ce mécanisme de perte d'information par diffusion dans l'environnement est à l'origine de la validité de l'hypothèse dite du chaos moléculaire, hypothèse sur laquelle repose l'équation d'évolution irréversible de Boltzmann et, par voie de conséquence, le théorème H de Boltzmann (prouvant la croissance monotone de l'entropie de Boltzmann d'un gaz parfait « isolé »).
