Pourquoi le temps ne passe-t-il pas à l’envers à l’intérieur d’un réfrigérateur?

asmaier

Pourquoi le temps ne passe-t-il pas à l’envers à l’intérieur d’un réfrigérateur?


La flèche du temps est souvent associée au fait que l’entropie augmente toujours. De l’autre côté, cela devrait signifier que si l’entropie diminue, le temps devrait reculer. Mais à l’intérieur d’un réfrigérateur, nous avons cette situation. L’entropie à l’intérieur d’un réfrigérateur diminue (au moins pendant le refroidissement). Cependant, lorsque vous regardez dans le réfrigérateur pendant le refroidissement, le temps ne semble pas reculer. Les choses tombent et non pas vers le haut, les choses cassées ne se remontent pas, etc.

Je comprends qu’un réfrigérateur n’est pas un système fermé et que la deuxième loi de la thermodynamique ne s’applique pas. Mais cela devrait-il également signifier qu’aucune flèche du temps ne peut être définie pour un système ouvert comme un réfrigérateur? Ou devons-nous conclure que la connexion entre l’entropie et le temps est une illusion? Si nous ne pouvons pas utiliser l’entropie pour définir une flèche du temps à l’intérieur d’un système ouvert, qu’est-ce qui garantit que le temps ne recule pas à l’intérieur d’un réfrigérateur?

MISE À JOUR: J’ai trouvé un article récent Siegel: D’où vient notre flèche du temps? où l’auteur énonce essentiellement la même idée dans des mots différents:

… si tout ce que vous faisiez était de vivre dans une poche de l’Univers qui a vu son entropie diminuer – le temps s’écoulerait toujours pour vous. La flèche thermodynamique du temps ne détermine pas la direction dans laquelle nous percevons le passage du temps. D’où vient donc la flèche du temps en corrélation avec notre perception?

RBarryYoung

L’entropie n’est pas le temps. La progression globale de l’entropie n’est qu’un indicateur du passage du temps.

Christoph

notez qu’un réfrigérateur réduit l’entropie en retirant la chaleur de son intérieur, mais qu’il ne fait pas basculer la flèche enthropique du temps à l’intérieur: l’énergie se dispersera toujours de la même manière à l’intérieur qu’à l’extérieur

adouci

« si l’entropie diminue, le temps devrait reculer », ce qui n’est pas vraiment vrai, car ce n’est pas tout à fait vrai non plus que l’augmentation de l’entropie est égale au temps qui s’écoule vers l’avant (ou toute autre chose liée au temps).

docscience

Tout le monde sait que vous avez vraiment besoin d’un TARDIS pour exécuter le temps à l’envers! Un réfrigérateur? Ridicule!

Réponses


 Néant

La réponse courte est que l’entropie dans le système ne diminue que du fait que l’écoulement entropique est plus important que la croissance locale. Mais la croissance locale positive de l’entropie est ce qui est important pour la flèche du temps et c’est pourquoi le temps ne recule pas dans un réfrigérateur.


Cela peut être démontré en utilisant une description fluide du système ouvert (réfrigérateur). Dans les fluides, l’augmentation locale de l’entropie peut s’exprimer par la non conservation de la densité d’entropie

σ

:

σ t + ( σ v ) 0

σ t + ( σ v ) 0

σ Δ S / Δ V

est la quantité d’entropie

Δ S

dans un volume infinitésimal

Δ V

à un moment donné.

Vous pouvez voir que l’inégalité ci-dessus n’est pas symétrique par rapport à l’inversion du temps (ce qui conduit à un moins devant

/ t

et

v = X / t

). Sa signification est exactement une formulation locale de la loi d’augmentation de l’entropie. Autrement dit, tant que la loi ci-dessus est remplie, la flèche du temps fonctionne correctement et dans la bonne direction. Nous verrons dans ce qui suit qu’une diminution de l’entropie d’un plus grand système ouvert n’est pas en conflit avec cette flèche temporelle locale .

Étudions maintenant notre système de volume ouvert

V

avec une surface limite

Σ

. Nous intégrons l’inégalité ci-dessus sur tout ce volume pour obtenir

t V σ V V ( σ v ) d V

t V σ V V ( σ v ) V

L’intégrale de la densité d’entropie sur le volume du système est bien sûr simplement l’entropie totale dans le système

S t o t

. Le côté gauche de cette nouvelle inégalité intégrale est alors simplement la diminution de l’entropie totale de notre système . De plus, nous pouvons prendre le côté droit et utiliser le théorème de Gauss (ou Divergence) pour l’exprimer comme une intégrale uniquement sur la surface de notre système ouvert

V ( σ v ) d V = Σ σ v d Σ

V ( σ v ) V = Σ σ v Σ

Physiquement,

σ v Σ

est le flux d’entropie à l’extérieur du système à travers un élément infinitésimal de la surface limite du système

Σ

. L’intégrale entière est alors simplement le flux total d’entropie hors de notre système ouvert .

Nous avons donc dérivé une inégalité

S t o t t Σ σ v d Σ

S t o t t Σ σ v Σ

Le côté gauche est la diminution totale de l’entropie dans notre système, et le côté droit est le flux total d’entropie hors du système. Maintenant, vous pouvez voir explicitement qu’une diminution de l’entropie d’un système ouvert est entièrement compatible avec la loi locale d’augmentation de l’entropie tant que la quantité d’entropie quittant le système est plus grande que la quantité d’entropie diminuée . C’est également le cas du réfrigérateur et de tout système de refroidissement.

asmaier

J’aime beaucoup ta réponse. Cela dissipe beaucoup de ma confusion. Mais il me reste une question: dans le cas d’un fluide idéal (ou d’un système adiabatique), la production locale d’entropie est nulle. Cela signifierait-il alors que le temps cesse de courir? Le taux de production d’entropie a-t-il un rapport avec le taux auquel nous subissons le temps qui s’écoule?

Néant

@asmaier Perfect fluids est une idéalisation des fluides où l’échange thermique et la viscosité sont négligés. C’est-à-dire que deux flux d’un fluide parfait de température différente se déplaçant en ligne droite l’un à côté de l’autre n’atteindraient jamais la même température. Cela est évidemment non physique, tout comme les processus adiabatiques en thermodynamique, mais cela peut être une approximation utile.

Néant

@asmaier La flèche du temps et la croissance de l’entropie ont une seule et unique chose en commun (au moins dans la physique dominante) – leur direction. Il n’y a aucun lien dans leurs taux et similaires, le taux de temps dont nous parlons en physique est lié à la dynamique fondamentale régissant par exemple les oscillations pendulaires ou les désintégrations nucléaires.


 Aaron

La flèche du temps dans un système thermodynamique devrait plutôt être considérée comme une déclaration sur l’invariance d’inversion du temps. Par exemple, en mécanique classique, basée uniquement sur le mouvement des particules, on ne peut pas dire si le temps avance ou recule. De la même manière, dans un système ouvert, on ne peut pas dire dans quel sens le temps s’écoule en se basant uniquement sur le changement d’entropie. En substance, l’entropie ne définit pas la direction du temps dans un système ouvert.

Cependant, cela est différent de demander pourquoi le temps ne passe pas à l’envers dans un réfrigérateur. Si vous pensez à un réfrigérateur comme quelque chose qui diminue l’entropie au fil du temps, on peut penser à son partenaire inversé dans le temps comme un radiateur qui augmente l’entropie au fil du temps. Par conséquent, en considérant le système comme un réfrigérateur, vous avez déjà sélectionné une direction temporelle particulière. Personne ne vous empêche de définir le temps pour s’écouler dans la direction opposée, mais demander pourquoi le temps ne recule pas dans un réfrigérateur n’est pas vraiment une question bien posée. Dire que le temps s’écoule vers l’arrière est une déclaration relative; vous devez me dire à quoi « à l’envers » est relatif.

EDIT: Ma réponse ne semble pas satisfaisante, alors laissez-moi essayer de développer.

Tout d’abord, que signifie le temps? Il s’agit d’un paramètre 1D qui contrôle les propriétés des objets (par exemple la position). Vous pouvez penser que chaque propriété physique (objet) a indépendamment son propre paramètre de temps.

Maintenant, il est intéressant de noter que les lois microscopiques de la physique sont invariantes à inversion du temps. Cela signifie que la forme des équations ne change pas de

t t

. Cependant, vous obtiendrez toujours des différences qualitatives, telles que la vitesse

v v

sous inversion de temps. Par conséquent, une particule se déplaçant vers la droite se déplacera vers la gauche sous l’inversion du temps. Par conséquent, ce que signifie l’invariance d’inversion du temps, c’est que si vous regardez un clip d’une particule qui avance dans le temps par rapport à un recul dans le temps, vous ne pouvez pas dire laquelle est laquelle. Donc, si nous ne savons pas dans quel sens le temps devrait s’écouler, nous pouvons simplement choisir celui de notre choix.

Ensuite, nous pouvons simplement choisir une direction temporelle pour chaque particule dans une collection comme nous le voulons. Mais attendez une minute; si je regarde toutes les particules bouger, alors clairement leurs directions temporelles devraient toutes être synchronisées avec mon heure. Par conséquent, nous tombons sur une propriété clé du temps qui dépend de l’observateur. L’observateur est celui qui règle le flux de temps vers l’avant pour toutes les particules. Par conséquent, pour revenir à la question, si moi, l’observateur, appelle un système un réfrigérateur, j’ai déjà choisi une direction temporelle pour cela, ce qui rend la question originale elle-même mal posée. En d’autres termes, la raison pour laquelle le temps du réfrigérateur et la détérioration des aliments et l’influence de la gravité ont tous la même direction temporelle est que leur direction temporelle est attribuée par l’observateur.

Or, la deuxième loi stipule que l’entropie dans un système fermé doit augmenter avec le temps. Par conséquent, comme précédemment, cela définit une direction temporelle pour la propriété de l’entropie. Maintenant, d’une manière ou d’une autre, nous devons synchroniser cette direction temporelle avec celle de toutes les autres directions temporelles, toujours via un observateur. La chose magique, comme le note l’article que vous citez, est que pour une raison quelconque, la direction temporelle sélectionnée par la deuxième loi est toujours la même que la direction temporelle sélectionnée par les observateurs dans l’univers physique. Mais, comme le reconnaît également l’article, personne ne sait vraiment pourquoi. Au moins, il ne semble pas que ce soit une conséquence dérivée d’une théorie physique bien acceptée, mais plutôt une coïncidence postulée (comme l’équivalence de la masse inertielle et gravitationnelle).

knzhou

Je pense que cela élude la question posée par OP. Nous avons déjà déterminé une flèche du temps. C’est la direction où une horloge placée dans le réfrigérateur tourne dans le sens horaire, et la direction où la nourriture mûrit et se gâte. Vous devez montrer pourquoi cette direction est la même que celle dans laquelle le réfrigérateur est un réfrigérateur.

Bob Bee

@knzhou a raison, seulement à l’intérieur, mais vous devez inclure l’air froid et l’entropie négative pompée, et qu’il n’est pas isolé d’énergie. Lorsque vous prenez tout cela en compte, l’entropie augmente, comme le dit Mandrill ci-dessous. La même chose est vraie avec beaucoup de choses qui échangent de l’énergie avec leur environnement, par exemple, vous faites une horloge avec un matériau aléatoire recueilli: l’entropie diminue, mais vous y mettez beaucoup de travail.

Aaron

@knzhou Mais si la direction du temps est spécifiée, cette question n’est-elle pas théorique? On ne peut pas déterminer une direction du temps sur la base d’un système ouvert seul. Notez que la pompe externe est étrange sous inversion de temps. Par conséquent, la sélection d’une direction temporelle via une horloge sélectionne une direction pour que la pompe fonctionne. Ce n’est pas tellement que l’horloge tourne dans le même sens que la direction temporelle du réfrigérateur, mais plutôt que l’horloge externe aux systèmes définit la direction temporelle.

Aaron

@BruceGreetham Comme vous le constatez, la direction temporelle choisie par les observateurs conscients ne semble pas être une question de physique, c’est pourquoi je m’arrête là et dis qu’elle semble être postulée au niveau physique. Vos points sur l’état initial de l’univers sont bien pris, mais en fin de compte tout au plus, cela donne une équivalence entre la flèche cosmologique et thermodynamique. Il y a peut-être quelque chose à dire sur la flèche sélectionnée par l’entropie de l’information. Cependant, la question d’OP porte sur le lien entre la perception (ma montre) et le temps thermodynamique. Il y a peut-être une raison plus profonde que je ne connais pas.


 Phonon

La seconde loi peut être énoncée sans avoir à définir une notion d’entropie, car elle met principalement l’accent d’une part sur la façon dont l’énergie peut être convertie en travail et d’autre part sur le fait que l’on observe une flèche du temps dans le monde macroscopique , par exemple, la chaleur du chaud au froid. Ces deux déclarations sont des reformulations que Kelvin et Clausius ont prévues respectivement pour la deuxième loi. Plus précisément:

  • Comment Kelvin le dit: Aucun processus thermodynamique n’est possible dont le seul effet est d’extraire la chaleur et de la convertir entièrement pour qu’elle fonctionne.
  • Version Clausius: il ne peut y avoir de processus thermodynamique capable de transférer uniquement la chaleur d’un réservoir froid à un réservoir chaud.

La force de ces affirmations réside dans l’utilisation du seul effet ou uniquement . Appliquez la deuxième version à votre réfrigérateur: il est dit que pour que votre réfrigérateur extrait la chaleur à l’intérieur (réservoir froid) et la transfère à l’extérieur (cuisine), vous devez faire un peu de travail (débranchez le câble électrique et c’est gagné  » t travailler;). Encore une fois, qu’est-ce que tout cela signifie? La chaleur est un flux du chaud au froid et jamais l’inverse, d’où l’implication d’une « flèche » du temps.

J’espère que cela vous convaincra comment vous pouvez utiliser la deuxième loi lorsque vous observez des phénomènes réels sans recourir à des reformulations entropiques. Si vous voulez exprimer tout cela en termes de changement d’entropie: n’oubliez pas que lorsque vous étudiez l’évolution temporelle des systèmes macroscopiques, une déclaration cohérente sur la flèche du temps ne peut être faite que si vous considérez le changement d’entropie de l’univers entier (en notre exemple étant cuisine + frigo). De plus, lors du calcul du changement total d’entropie, vous additionnez le changement d’entropie du réservoir froid

Δ c

avec celle du réservoir chaud

Δ h .

Mais pour calculer ce dernier, le transfert réversible de chaleur dans le système n’est pas seulement

Q c

(chaleur évacuée du réservoir froid) mais

Q c + W ,

avec

W

le travail fourni, qui est utilisé pour comprimer le fluide de travail du réfrigérateur. L’inclusion de

W

voici exactement de quoi parle la déclaration de Clausius.

Dernière remarque après avoir lu certains commentaires: rappelez-vous que dès que vous limitez votre système à un système complètement isolé (par exemple, un cycle thermodynamique composé uniquement de processus adiabatiques), vous vous heurtez à l’ inégalité de Clausius , qui dit en mots: l’entropie d’un système isolé ne diminue jamais.

Žarko Tomičić

Phonon, je te connais peut-être?

Phonon

@ ŽarkoTomičić Bonjour, je ne suis pas sûr, pourquoi pensez-vous que vous me connaissez? 🙂

Žarko Tomičić

Eh bien, votre style et votre domaine d’intérêt me rappellent mon professeur. Physique statistique, physique du solide … cela et la façon dont vous répondez à certaines questions. Par exemple, vous décrivez la formulation Kelvins et Clausius, ce qu’il (mon prof.) Fait de la même manière, vous utilisez l’expression « comment Kelvin le dit … » qui est, pardonnez-moi, un peu maladroit … donc je dirait que l’anglais n’est pas votre langue maternelle. Mais je me trompe peut-être. Vos réponses longues et détaillées, d’autre part, représentent quelqu’un qui connaît très bien ses affaires. Et il le fait vraiment. Parfois, il donne des analogies intéressantes

Phonon

@ ŽarkoTomičić haha ​​je vois. Je suis très heureux de découvrir que vous avez pris goût à mes réponses. Mais malheureusement, je ne suis pas la personne à laquelle vous pensez, juste un jeune chercheur en difficulté ici … 🙁


 Mandrill

L’entropie augmente toujours dans un système fermé. L’Univers est considéré comme un système fermé, donc l’entropie de l’Univers augmente toujours à moins que votre flèche temporelle ne soit inversée. Un réfrigérateur échange de la chaleur avec les enceintes ambiantes, ce n’est donc pas un système fermé. Si vous vérifiez la somme de l’entropie de l’intérieur et de l’extérieur du réfrigérateur, elle augmentera avec le temps.

JalfredP

Non seulement cela: l’entropie augmente dans n’importe quel sous-système, par exemple les légumes à l’intérieur du réfrigérateur continuent d’augmenter leur entropie (pourrissant ainsi). Pour inverser la flèche du temps, l’entropie devrait globalement diminuer en moyenne à n’importe quelle échelle, je suppose.


 valerio

Mais cela devrait-il également signifier qu’aucune flèche du temps ne peut être définie pour un système ouvert comme un réfrigérateur? Ou devons-nous conclure que la connexion entre l’entropie et le temps est une illusion? Si nous ne pouvons pas utiliser l’entropie pour définir une flèche du temps à l’intérieur d’un système ouvert, qu’est-ce qui garantit que le temps ne recule pas à l’intérieur d’un réfrigérateur?

Prenons un scientifique qui vit dans notre monde. Après un certain temps à expérimenter, il remarquera la chose suivante:

Si deux corps sont mis en contact physique, l’énergie ira toujours spontanément du corps le plus chaud vers le corps le plus froid, et jamais dans la direction opposée.

Ici, le mot clé est  » spontanément « , sans aucun travail.

Le scientifique définira alors la direction « vers l’avant » dans le temps comme la direction dans laquelle l’énergie circule spontanément d’un corps plus chaud vers un corps plus froid.

Prenons maintenant un mini-scientifique vivant à l’intérieur du réfrigérateur. Il est né à l’intérieur et ne connaît aucune réalité extérieure au réfrigérateur. Il ne verra jamais le flux de chaleur de l’intérieur vers l’extérieur, car il n’y a pas «d’extérieur» pour lui (faisons l’hypothèse que la température est maintenue à peu près constante à l’intérieur du réfrigérateur). Comment le mini-scientifique définira-t-il la direction « vers l’avant » dans le temps?

La réponse est: de la même manière que le scientifique qui vit à l’extérieur . En effet, si deux objets à des températures différentes sont mis en contact à l’intérieur du réfrigérateur, la chaleur circulera toujours spontanément du corps le plus chaud vers le corps le plus froid (et, comme vous l’avez dit, les morceaux d’un verre brisé ne se réuniront pas comme par magie simplement parce que nous sommes dans un frigo!).

Oui, un observateur extérieur verra qu’il y a un flux de chaleur de l’intérieur plus froid du réfrigérateur vers l’environnement extérieur plus chaud, mais il verra également que le réfrigérateur est branché et que le travail est en cours, donc le processus n’est pas spontané et la définition de la direction « vers l’avant » dans le temps est sûre.

Je dirais donc que le problème n’est qu’apparent, et qu’il n’y a pas de problème lors de la définition de la flèche du temps à l’intérieur d’un système ouvert.

Bruce Greetham

« Le scientifique définira alors la direction dans le temps comme la direction dans laquelle l’énergie circule .. » Je suis sûr que ce n’est pas ainsi que n’importe quel scientifique définit la direction du temps

valerio

@BruceGreetham Bien sûr, il existe de nombreuses façons de définir une flèche du temps . Je ne considère que la flèche thermodynamique du temps pour simplifier les choses.

Bruce Greetham

D’accord, mais je pense que la définition fondamentale est la direction dans laquelle une expérience est effectuée et une mémoire enregistrée du résultat est effectuée. Cela ne rend pas votre réponse fausse – j’avais juste besoin de dire que pour préserver ma santé mentale avec tout cela!


 Anonymous

Copie à partir de wikipedia:

«La deuxième loi de la thermodynamique stipule que l’entropie totale d’un système isolé augmente toujours dans le temps, ou reste constante dans les cas idéaux où le système est en régime permanent ou subit un processus réversible. L’augmentation de l’entropie explique l’irréversibilité des processus naturels et l’asymétrie entre le futur et le passé. »

et encore:

«La direction du transfert de chaleur va d’une région de température élevée à une autre région de température inférieure et est régie par la deuxième loi de la thermodynamique. Le transfert de chaleur modifie l’énergie interne des systèmes à partir desquels et vers lesquels l’énergie est transférée. Le transfert de chaleur se produira dans une direction qui augmente l’entropie de la collection de systèmes. »

Un réfrigérateur fonctionne comme pompe à chaleur:

«Les pompes à chaleur sont conçues pour déplacer l’énergie thermique à l’ opposé du sens du flux de chaleur spontané en absorbant la chaleur d’un espace froid et en la libérant dans un espace plus chaud. Une pompe à chaleur utilise une certaine quantité d’ énergie externe pour accomplir le travail de transfert d’énergie de la source de chaleur au dissipateur de chaleur. »

En conclusion, il n’y a pas de flux de chaleur naturel d’un réservoir froid vers un réservoir chaud mais uniquement une consommation d’énergie électrique pour le faire. Le fait de rendre un endroit plus froid de cette manière n’implique pas que la flèche du temps soit inversée.

 

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