Il y a deux principes de la thermodynamique qui se combinent. Le fait que le congélateur doive chauffer pour fabriquer les glaçons est le premier principe, soit celui de la conservation de l'énergie. Vous avez mis du froid dans le glaçon, ce froid doit bien venir de quelque part, il faut de l'énergie pour le fabriquer. Malheureusement, ce premier principe de la thermodynamique s'accompagne d'un second qui stipule que l'entropie est plus grande que zéro sur un cycle complet, autrement dit qu'on va perdre quelque chose quelque part. La conséquence coule de source : l'énergie dépensée pour effectuer un travail utile s'accompagne toujours d'une énergie inutile, soit une quantité de chaleur perdue qui ne sert à effectuer aucun travail. Concrètement, si vous voulez placer une frigorie (unité de mesure du froid) dans le glaçon, vous devrez dépenser une calorie plus une chique pour le fabriquer. C'est la chique qui fout tout par terre.

Le problème du frigo à la porte ouverte

Une question du même tonneau avait été posée à l'examen d'admission de Normale – Pise, l'antenne de l'école Normale supérieure de Paris, que Napoléon avait créée à Pise justement. La question était la suivante : si vous placez un frigo dans une pièce hermétiquement fermée et que vous laissez la porte du frigo ouverte, l'air de la pièce va-t-il chauffer ou fraîchir ? Le premier principe de la thermodynamique imposerait que l'air dans la pièce reste stable en température si la porte du frigo est laissée ouverte, car le chaud évacué par le moteur compense le froid du frigo. Le second principe, en revanche, impose que le moteur du frigo chauffe plus que le froid qu'il fabrique. Donc, en laissant la porte du frigo ouverte, vous réchauffez la pièce, aussi paradoxal que cela puisse paraître.

Ces principes de la thermodynamique sont des rouages essentiels de la physique. Ils s'imposent à toute machine qui transforme de l'énergie en travail. En vérité, ils s'imposent à toute entreprise humaine, si l'on considère que fondamentalement la physique est de transformer de l'énergie en travail. On peut voir notre propre organisme comme une gigantesque machine qui transforme l'énergie du métabolisme cellulaire en travail utile, par exemple celui de lire cette chronique. Les principes de la thermodynamique vous disent que même dans un monde idéal sans frottement et sans perte, le travail nécessaire à lire ce texte nécessite une dépense énergétique supplémentaire qui sera perdue sous la forme de chaleur.

La taxe de la thermodynamique

Prenons un autre exemple, celui d'une voiture. Imaginez une voiture idéale dont les pneus ne frottent pas sur le sol, qui se déplace dans un vide d'air sans résistance d'aucune sorte… Malgré toutes ces qualités, le moteur ne pourra pas uniquement produire l'énergie nécessaire au déplacement de la voiture, il sera obligé de sortir une quantité d'énergie supplémentaire, celle perdue sous la forme de chaleur.

Ce point peut se comprendre facilement si on prend une machine à vapeur toute simple, c'est d'ailleurs l'exemple historique qui avait été étudié par Sadi Carnot. La machine à vapeur simplifiée est composée d'un piston coulissant à l'intérieur d'un cylindre, piston qui actionne un bras mécanique. Au départ le piston est en position de repos. On chauffe la vapeur et le piston coulisse, il actionne le bras mécanique, la machine produit un travail. L'énergie utilisée pour ce faire est une énergie utile, elle est idéalement toute transformée en travail.

Maintenant que le piston est en bout de course, comment peut-on le ramener à sa position initiale ? Il faut refroidir la vapeur ! C'est là qu'est l'os, hélas. Ce refroidissement de la vapeur dissipe de la chaleur dans l'environnement. C'est exactement ici qu'on perd de la chaleur qui n'est pas transformée en travail. On peut voir cette perte d'énergie comme une taxe de la thermodynamique. On ne peut pas y couper, la thermodynamique gagne toujours.

Revenons à notre souci de glaçons. Si vous souhaitez vous rafraîchir sans payer la taxe de la thermodynamique, il faut sortir les glaçons de l'équation. Si vous achetez les glaçons au magasin, alors ce n'est pas vous qui avez chauffé pour les refroidir. Bref, si les glaçons viennent d'ailleurs, de la galaxie d'Andromède ou de chez votre voisine, il n'y a aucun souci. Vous les placez devant le ventilateur et vous vous rafraîchissez, sachant qu'un autre cornichon s'est réchauffé à votre place.

Cela marche aussi dans l'autre sens. Vous pourriez produire les glaçons à la maison, mais changer le ventilateur de pièce. De la sorte, une pièce réchauffe pour produire les glaçons et l'autre refroidit avec le ventilateur. La science impose juste que la pièce qui réchauffe, réchauffe plus que la pièce qui refroidit. C'est la thermodynamique. On ne peut pas la couper, elle fait partie de la physique comme la tour Eiffel de Paris.