Définition | Réversible | Futura Sciences

Thermo. Se dit d'un processus idéal, limite de deux familles de transformations réelles, que l'on peut considérer comme une suite d'états d'équilibres infiniment voisins. Ant. irréversible.

Chim. Se dit, par abus de langage, d'une réaction susceptible d'évoluer dans les deux sens. On doit en principe parler de réaction renversable (Duhem, 1912).

Le concept de réversibilité en thermodynamique

La notion de réversibilité occupe une place centrale dans la thermodynamique, où elle définit un processus idéal, théorique, qui ne pourrait exister qu'à la limite, sous des conditions parfaitement maîtrisées. Un processus réversible se caractérise par la possibilité d'annuler ou d'inverser ses effets sans laisser de trace durable ni sur le système concerné, ni sur l'environnement. Lorsqu'un processus est réversible, chaque état intermédiaire sur le chemin de la transformation correspond à un état d'équilibre. La transformation se fait donc de façon infinitésimale, si lente que l'on peut considérer que le système reste en équilibre à tout moment. Cette condition distingue fondamentalement la transformation réversible des processus courants observés dans la nature.

Dans la pratique, la réversibilité reste une construction intellectuelle servant de référence pour évaluer la performance des processus réels. Les machines thermiques, comme la machine de Carnot, illustrent cette situation idéale : leur fonctionnement est conçu selon des cycles parfaitement réversibles, ce qui permet d'atteindre une efficacité maximale théorique. Cependant, aucun système réel ne peut suivre rigoureusement le modèle réversible, car toute transformation subit inéluctablement des pertes d'énergie sous forme d'entropie ou de dissipation. La réversibilité sert donc à définir des limites et à fixer des objectifs à la conception de dispositifs thermodynamiques performants.

La notion de processus réversible englobe plusieurs aspects fondamentaux like le transfert de chaleur, le travail mécanique et les changements d'état de la matière. Lorsqu'un gaz se comprime ou se détend dans un cylindre muni d'un piston, le faire de façon réversible implique d'exercer sur le piston une pression presque égale à celle du gaz, si bien que la variation se fait sans à-coups, assurant ainsi que le système ne s'écarte jamais signification du point d'équilibre. Le calcul du travail et de la chaleur échangée lors d'un tel processus devient alors particulièrement simple et précis, ce qui permet de déterminer les lois fondamentales de la thermodynamique.

Réversibilité et irréversibilité : deux réalités complémentaires

Bien que la réversibilité soit un concept de référence, la quasi-totalité des processus observés dans la nature sont en réalité irréversibles. Cette irréversibilité se traduit par une création d'entropie, signe que l'énergie se disperse sous une forme moins utilisable. De simples exemples comme le mélange de deux gaz, la conduction de la chaleur d'un corps chaud vers un corps froid, ou la friction mécanique illustrent irréversibilité inhérente à la plupart des transformations concrètes. Ces processus ne peuvent être complètement inversés sans intervention extérieure ni dégradation supplémentaire de l'énergie.

L'opposition entre réversibilité et irréversibilité structure la réflexion en physique et en ingénierie, puisqu'elle permet de distinguer ce qui resterait théoriquement possible de ce qui est effectivement réalisable. Les ingénieurs s'efforcent de concevoir des machines et des procédés qui se rapprochent le plus de la réversibilité, c'est-à-dire qui limitent les pertes d'énergie et maximisent leur rendement. Néanmoins, la réalité impose toujours une part d'inefficacité liée à la friction, au rayonnement incontrôlable ou à l'absence totale d'équilibre perfectible entre les systèmes et leur environnement.

La compréhension de l'irréversibilité a également des implications profondes, notamment dans le second principe de la thermodynamique. Ce principe, bien connu depuis les travaux de Clausius et Kelvin au XIXe siècle, indique que lors de toute transformation naturelle, l'entropie globale tend à augmenter, illustrant le caractère fondamentalement irréversible du temps. Toutefois, le concept de processus réversible reste indissociable du formalisme de ce principe, car il sert de repère pour mesurer l'écart effectif entre la transformation idéale et la réalité.

La notion de réversibilité dans le contexte chimique

En chimie, l'usage du terme « réversible » a longtemps constitué, surtout par abus de langage, une manière de désigner les réactions chimiques pouvant se dérouler simultanément dans les deux sens. Plus rigoureusement, il convient de parler de réactions « renversables », selon la proposition de Pierre Duhem en 1912. Une réaction chimique est considérée comme réversible lorsque les réactifs et les produits peuvent interagir dans les deux directions, jusqu'à l'établissement d'un équilibre dynamique. À l'équilibre chimique, la vitesse de la réaction directe égalise celle de la réaction inverse, engendrant un état stationnaire où les concentrations restent inchangées, bien que les transformations moléculaires se poursuivent à l'échelle microscopique.

Le concept de réversibilité s'avère indispensable pour comprendre la dynamique des réactions chimiques, la notion d'équilibre et le facteur d'influence des conditions externes, telles que la température ou la pression, sur les équilibres réactionnels. Par exemple, l'action de la synthèse de l'ammoniac, de la dissociation des acides ou de la dissolution de certains sels illustre parfaitement la réversibilité dans le domaine chimique. Les lois de Le Chatelier, qui décrivent la manière dont l'équilibre chimique réagit aux perturbations extérieures, n'ont de signification que parce que les réactions sont potentiellement réversibles. La compréhension fine de cet aspect permet de concevoir des procédés industriels plus performants, d'optimiser les rendements et de prévoir le comportement de différents systèmes moléculaires.

L'approche thermodynamique de la réversibilité s'applique également aux réactions chimiques via l'introduction de potentiels chimiques et de fonctions de Gibbs. À l'équilibre, une réaction réversible atteint un minimum d'énergie libre de Gibbs, permettant de lier la description macroscopique des transformations à la dynamique moléculaire sous-jacente. Ce cadre théorique demeure fondamental pour la modélisation des systèmes complexes, que ce soit dans la chimie organique, la catalyse ou la biochimie.

Limites et perspectives de la réversibilité dans les sciences naturelles

Si la réversibilité demeure un concept fondamental dans l'élaboration des lois physiques et chimiques, elle n'est cependant qu'un idéal asymptotique. Dans la nature, la perfection du processus réversible n'existe pas, que ce soit dans l'univers thermodynamique ou à l'échelle des transformations chimiques. Les frontières qui séparent le réversible de l'irréversible sont ainsi mouvantes, dépendant des conditions expérimentales et des précisions de mesure. Certains processus, pourtant largement irréversibles, peuvent être rendus quasi-réversibles dans des circonstances particulières, par exemple en réduisant la vitesse de la transformation, en augmentant la pureté des composants ou en contrôlant finement les variables d'état.

La recherche contemporaine s'intéresse à repousser les limites de la réversibilité dans de nombreux domaines, dont la physique des petits systèmes, la chimie supramoléculaire ou la biologie moléculaire. À l'échelle quantique, par exemple, certaines modifications de l'état peuvent être en théorie parfaitement inversées, bien que la décohérence fasse rapidement émerger des comportements irréversibles en pratique. Comprendre les mécanismes qui, aux différentes échelles, déterminent la transition de la réversibilité à l'irréversibilité constitue un sujet de recherche dynamique et interdisciplinaire, impliquant thermodynamique classique et statistique, théorie de l'information et modélisation computationnelle.

Ainsi, la notion de réversibilité reste essentielle, non seulement pour édifier les modèles fondamentaux de la science mais aussi pour orienter l'innovation technologique, de la conception des moteurs thermiques à l'optimisation des procédés chimiques ou au contrôle de l'information en physique quantique. Dans l'enseignement scientifique, une bonne compréhension du caractère idéal de la réversibilité, de ses usages et de ses limites, constitue un socle pour aborder la complexité des systèmes réels et développer une pensée critique sur les lois universelles qui régissent la nature.