Entropie : la transition condamnée ?

Vidéo

Dans ces deux vidéos, on se penche sur les principes de la thermodynamique et sur ce qu’ils impliquent pour la transition énergétique.

Sources

Ces deux vidéos forment un travail collobarotif avec Jean-Lou Fourquet de la chaîne Après La Bière et qui participe au projet tournesol.app.

Pour bien comprendre la thermodynamique

Thermodynamique de l’ingénieur d’Olivier Cleynen, pédagogique et très complet sur les machines thermiques.
Un autre ouvrage de vulgarisation intéressant et plutôt complet : Chaleur Et Desordre. Le Deuxieme Principe De La Thermodynamique par Peter-W Atkins.
Petit outil cool qui permet de simuler le comportement de molécules de gaz dans une boîte séparée par une cloison qu’on retirerait : Diffusion

Passe-science (relecteur) a plusieurs vidéos sur l’entropie

Trois chouettes vidéo sur les machines thermiques :

Monsieur Bidouille : 💡 La machine parfaite - machines thermiques
Veritasium sur l’entropie : The Most Misunderstood Concept in Physics. Cette vidéo a largement inspiré les visuels de la partie sur la thermodynamique statistique.
Sur le fonctionnement des pompes à chaleur : Heat Pump

Thermodynamique du système Terre

Axel Kleidon

Le travail de recherche et les explications du chercheur Axel Kleidon nous ont beaucoup aidé pour nos deux vidéos :

Kleidon, A. (2023). Working at the limit: a review of thermodynamics and optimality of the Earth system.
Institute Colloquium 2019 “Understanding the Earth: A Thermodynamic perspective” Talk by Dr. Axel Kleidon
Kleidon, A. (2021). Physical limits of wind energy within the atmosphere and its use as renewable energy: From the theoretical basis to practical implications, Meteorol. Z., 30, 203–225.
Kleidon, A. (2012) How does the Earth system generate and maintain thermodynamic disequilibrium and what does it imply for the future of the planet? _Phil. Trans. R. Soc. A._3701012–1040

Papiers de revue intéressants

Glucina, M. D., & Mayumi, K. (2010). Connecting thermodynamics and economics: Well‐lit roads and burned bridges. Annals of the New York Academy of Sciences, 1185(1), 11-29.
Papier qui reprend l’histoire de l’utilisation des concepts de thermodynamique en écologie : Nielsen, S. N., Müller, F., Marques, J. C., Bastianoni, S., & Jørgensen, S. E. (2020). Thermodynamics in ecology—An introductory review. Entropy, 22(8), 820.

Notons qu’ils pointent du doigt les incompréhensions dans la littérature économique liées à l’analogie entre entropie et désordre et à la confusion entre entropie informationnelle et entropie thermodynamique.

Entropie et désordre

Merci à ceux qui ont répondu à mon sondage twitter.

Pour mieux comprendre pourquoi assimiler l’entropie à du “désordre” peut être problématique :

Styer, D. (2019). Entropy as disorder: History of a misconception. The Physics Teacher, 57(7), 454-458.
Carson, E. M., & Watson, J. R. (2002). Undergraduate students’ understandings of entropy and Gibbs free energy. University Chemistry Education, 6(1), 4-12.
Rogers, T. R. (2023). Hands-on Model for Investigating Entropy and Disorder in the Classroom. The Physics Teacher, 61(6), 439-443.
Lambert, F. L. (1999). Shuffled cards, messy desks, and disorderly dorm rooms-Examples of entropy increase? Nonsense!. Journal of Chemical Education, 76(10), 1385.

Entropie informationnelle

La vidéo de Lê sur la chaîne Science4All : La nature profonde de l’entropie
La théorie de l’information par la chaîne Science4All (Live de plus de 3h sur la théorie de l’information de Shannon)
Concernant la citation de von Neumann à Shannon et une source de la citation : Tribus, M., & McIrvine, E. C. (1971). Energy and information. Scientific American, 225(3), 179-190.

Thermalisation

Pour les calculs, je me suis servi de ce cours de licence de physique statistique.

Vulgarisation sur ce sujet :

Papiers scientifiques (loin d’être évidents à lire) :

Delgado-Bonal, A. (2017). Entropy of radiation: The unseen side of light. Scientific Reports, 7(1), 1642.
Kafri, O. (2019). Entropy and temperature of electromagnetic radiation. Natural Science, 11(12), 323-335.
Kabelac, S. (2005). Exergy of solar radiation. International journal of energy technology and policy, 3(1-2), 115-122.
Rodríguez, E., Cardemil, J. M., Starke, A. R., & Escobar, R. (2022). Modelling the exergy of solar radiation: a review. Energies, 15(4), 1477.
Kirwan Jr, A. D. (2004). Intrinsic photon entropy? The darkside of light. International Journal of Engineering Science, 42(7), 725-734.
Petela, R. (1964). Exergy of heat radiation.

Exergie sur Terre :

Nous avons traduit / modifié / mise à jour et animé cette figure de l’exergie qui est tirée de : Hermann, W. A. (2006). Quantifying global exergy resources. Energy, 31(12), 1685-1702. Pour les détails : notre feuille de calcul et les slides intermédiaires.

Exergie sur Terre

Ce graphique mentionne également un rayonnement extra-solaire. Du point de vue de la Terre, le fait que l’univers soit plus froid permet d’exercer un travail et nous pensons que c’est par ce flux que ça se manifeste. Nous ne sommes pas certain de comprendre ce point mais ça n’a pas d’influence sur le reste de la vidéo. Voir Jansen, S., & Woudstra, N. (2010). Understanding the exergy of cold: theory and practical examples. International Journal of Exergy, 7(6), 693-713.

Ressources qui nous ont permis d’actualiser et de commenter le graphique de l’exergie :

Nombre d’années de réserve de combustible fossile restante en 2020 - Our World In Data
Répartition géographique des combustibles fossiles inutilisés lorsque l’on limite le réchauffement de la planète à 2°C : McGlade, C., & Ekins, P. (2015). The geographical distribution of fossil fuels unused when limiting global warming to 2 C. Nature, 517(7533), 187-190.
Production et consommation d’énergie - Our World in Data
Production d’énergie solaire, 2023 - Our World in Data
Production d’énergie éolienne - Our World in Data
Pétrole - Statistical Review of World Energy 2021 - BP

Concernant les panneaux photovoltaïques :

Rendement maximal des panneaux photovoltaïques : Buddhiraju, S., Santhanam, P., & Fan, S. (2018). Thermodynamic limits of energy harvesting from outgoing thermal radiation. Proceedings of the National Academy of Sciences, 115(16), E3609-E3615.
How Much Would it Cost to Replace All Energy Sources with Solar? - de Gris Anik
How much Space do I need for Solar Panels - The renewable energy hub UK

Agriculture et humanité

Kastner, T., Matej, S., Forrest, M., Gingrich, S., Haberl, H., Hickler, T., … & Erb, K. H. (2022). Land use intensification increasingly drives the spatiotemporal patterns of the global human appropriation of net primary production in the last century. Global Change Biology, 28(1), 307-322.
Krausmann, F., Erb, K. H., Gingrich, S., Haberl, H., Bondeau, A., Gaube, V., … & Searchinger, T. D. (2013). Global human appropriation of net primary production doubled in the 20th century. Proceedings of the national academy of sciences, 110(25), 10324-10329
Rojstaczer, S., Sterling, S. M., & Moore, N. J. (2001). Human appropriation of photosynthesis products. Science, 294(5551), 2549-2552.
Haberl, H., Erb, K. H., & Krausmann, F. (2014). Human appropriation of net primary production: patterns, trends, and planetary boundaries. Annual Review of Environment and Resources, 39, 363-391. Figure 2 c)
Vulgarisation sur les pertes de rendement dans la chaîne : Biomass, a massively available and major source of energy, an unsustainable use
Pour les pressions sur la biodiversité : Global Assessment Report on Biodiversity and Ecosystem Services | IPBES (2019)

“L’entropie de la matière” de Nicholas Georgescu-Roegen

Si vous avez de bonnes connaissances en physique, lire Nicholas Georgescu-Roegen (NGR) devrait suffire pour comprendre ses erreurs. Plutôt que son livre de 1971 (The Entropy Law and the Economic ), il est plus simple, direct et utile de lire ses articles suivants et notamment Matter matters too que vous trouverez ici : Georgescu-Roegen, N. (1979). Energy analysis and economic valuation. Southern Economic Journal, 1023-1058.

Amusant : NGR reconnait que Prigogine jugeait fausse sa compréhension de la thermodynamique à la page 8 de ce document I shall never understand did not cut my neck here and there.

Pour aller plus loin sur ce sujet

Ayres, R. U. (1999). The second law, the fourth law, recycling and limits to growth. Ecological economics, 29(3), 473-483.
Cleveland, C. J., & Ruth, M. (1997). When, where, and by how much do biophysical limits constrain the economic process?: A survey of Nicholas Georgescu-Roegen’s contribution to ecological economics. Ecological economics, 22(3), 203-223.
Vulgarisation sur Roegen et pourquoi il avait faux sur le recyclage : The Reasons Georgescu-Roegen Was Wrong About Recycling | Nagaitoshiya.com

Vidéos de Jean-Marc Jancovici

Trois passages où Jean-Marc Jancovici développent l’idée (profondément erronée) qu’on peut considérer une production d’entropie comme une production de pollution :

Concernant les enjeux d’efficacité et de rendement mentionnés en plusieurs endroits :

Eyre, N. (2021). From using heat to using work: reconceptualising the zero carbon energy transition. Energy Efficiency, 14(7), 77.
Ueckerdt, F., Bauer, C., Dirnaichner, A., Everall, J., Sacchi, R., & Luderer, G. (2021). Potential and risks of hydrogen-based e-fuels in climate change mitigation. Nature Climate Change, 11(5), 384-393.
Comparaison entre énergie solaire PV vs agrocarburants dans l’article “Existe-t-il une agriculture qui respecte les frontières planétaires ?” de Adrien Burdy
Corn Ethanol vs. Solar Land Use Comparison - Analyse de Paul Mathewson, PhD, et Nicholas Bosch.
Factcheck: Is solar power a ‘threat’ to UK farmland? - Carbon Brief
https://twitter.com/DrSimEvans/status/1569712824531705856

Évolution et métabolisme énergétique du vyvant

Bartlett, S., & Wong, M. L. (2020). Defining lyfe in the universe: from three privileged functions to four pillars. Life, 10(4), 42.
La vidéo de Science Étonnante qui vulgarise ce papier : LYFE : la Thermodynamique de la Vie [Astrobiologie #2]

La capacité d’adaptation à différents environnements de l’homme moderne (Homo Sapiens) est avant tout dûe à des adaptations culturelles :

The secret of our success de Joseph Henrich
Laland, K. N., Odling‐Smee, J., & Feldman, M. W. (2001). Cultural niche construction and human evolution. Journal of evolutionary biology, 14(1), 22-33.
Sterelny, K. (2007). Social intelligence, human intelligence and niche construction.
Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 362(1480), 719-730.
Boyd, R., Richerson, P. J., & Henrich, J. (2011).
The cultural niche: Why social learning is essential for human adaptation. Proceedings of the National Academy of Sciences, 108(supplement_2), 10918-10925.