La deuxième loi de la thermodynamique stipule que l'entropie totale d'un système isolé a toujours tendance à augmenter avec le temps jusqu'à atteindre un maximum. En d'autres termes, la désorganisation augmente sans intervention extérieure. Les équipements électriques chauffent inévitablement car une partie de l'énergie est dissipée sous forme de chaleur au lieu d'être utilisée pour des travaux mécaniques, et les objets se détériorent avec le temps mais ne se régénèrent pas spontanément.

Cependant, cette nature intuitive de l'entropie ne s'applique pas nécessairement au monde microscopique. Les physiciens ont donc réinterprété la deuxième loi en lui donnant une tournure statistique :l'entropie augmente en effet, mais il y a une probabilité non nulle qu'elle diminue parfois.

Par exemple, au lieu de la chaleur s'écoulant d'un corps chaud vers un corps froid, comme d'habitude, il peut passer d'un corps froid à un corps chaud dans certaines situations. Les théorèmes de fluctuation (FT) ont quantifié cette probabilité avec précision, et la question a un intérêt pratique en ce qui concerne le fonctionnement des machines à l'échelle nanométrique. Les FT ont été proposés pour la première fois dans un article publié en 1993 dans Lettres d'examen physique . L'article a été écrit par les scientifiques australiens Denis Evans et Gary Morriss et le scientifique néerlandais Ezechiel Cohen. Ils ont testé l'un de ces théorèmes à l'aide de simulations informatiques.

Un article publié récemment dans la même revue montre qu'une conséquence des FT est les relations d'incertitude thermodynamique, qui impliquent des fluctuations dans les valeurs de grandeurs thermodynamiques telles que la chaleur, travail et pouvoir. Le titre du nouvel article est « Relations d'incertitude thermodynamique à partir des théorèmes de fluctuation des changes ».

Le premier auteur était André Timpanaro, professeur à l'Université fédérale de l'ABC (UFABC), État de São Paulo, Brésil. Le chercheur principal de l'étude était Gabriel Landi, professeur à l'Institut de physique de l'Université de São Paulo (IF-USP). Giacomo Guarnieri et John Goold, affilié au département de physique du Trinity College Dublin (Irlande), a également participé.

Relations d'incertitude

"Les origines physiques des relations d'incertitude thermodynamique étaient obscures jusqu'à présent. Notre étude montre qu'elles peuvent être dérivées des FT, " a déclaré Landi.

"Quand nous avons commencé à étudier la thermodynamique, nous avons dû faire face à des quantités telles que la chaleur, travail et puissance, auxquels nous avons toujours attribué des valeurs fixes. Nous n'avons jamais imaginé qu'ils pourraient fluctuer, mais ils le font. Dans le monde microscopique, ces fluctuations sont pertinentes. Ils peuvent influencer le fonctionnement d'une machine nanométrique, par exemple. Les relations d'incertitude thermodynamique établissent un plancher pour ces fluctuations, en les liant à d'autres quantités telles que la taille du système."

Les relations d'incertitude thermodynamique ont été découvertes en 2015 par un groupe de chercheurs dirigé par Udo Seifert à l'Université de Stuttgart en Allemagne. André Cardoso Barato, ancien étudiant à IF-USP et actuellement professeur à l'Université de Houston (États-Unis), participé à la découverte.

La structure mathématique de ces relations ressemble à celle du principe d'incertitude de Heisenberg, mais ils n'ont rien à voir avec la physique quantique; ils sont purement thermodynamiques. "La nature des relations d'incertitude thermodynamique n'a jamais été très claire, " Landi a déclaré. "Notre principale contribution a été de montrer qu'ils dérivent des FT. Nous pensons que les FT décrivent plus généralement la deuxième loi de la thermodynamique et que les relations d'incertitude thermodynamique sont une conséquence des FT."

Selon Landi, cette généralisation de la deuxième loi de la thermodynamique traite les quantités thermodynamiques comme des entités qui peuvent fluctuer, mais pas arbitrairement, car ils doivent obéir à certaines symétries. "Il existe plusieurs théorèmes de fluctuation, " a-t-il dit. " Nous avons trouvé une classe spéciale de FT et nous nous sommes concentrés sur eux comme des cas de symétrie mathématique. De cette façon, nous avons transformé notre problème en un problème mathématique. Notre résultat principal était un théorème de la théorie des probabilités. »