La thermodynamique

Dans un fluide, les particules s'entrechoquent en permanence dans un chaos indescriptible, on l'a aperçu dans l'approche statistique.

Lorsqu'une particule assez grosse (pour qu'elle soit visible) est plongée dans un fluide, elle subit également des chocs, et il en résulte un mouvement erratique, le mouvement brownien, comme on peut le voir ci-dessus. Mais il ne faut pas qu'elle soit trop grosse, sinon en moyenne les chocs auront une incidence nulle.

Voici un lien vers une simulation où vous pourrez voir ce qui se passe et faire varier les paramètres.

Vu le déplacement des grosses particules, on peut penser qu'un certain travail est réalisé, donc une certaine dépense énergétique.

Cela semble contradictoire avec le second principe qui interdit d'extraire un travail à partir d'une seule source de chaleur.

En réalité, il n'y a pas de mouvement d'ensemble, et donc globalement pas de travail, exactement comme pour les particules du fluide. Difficile de dégager une direction privilégiée vu que tout est symétrique !

Ceci dit, certains mécanismes, par exemple cellulaires, peuvent profiter du mouvement brownien et privilégier une direction.

La diffusion est le résultat du mouvement brownien. Plus la concentration d’une substance en solution augmente, plus la fréquence des collisions sera plus grande. Cette substance aura alors tendance à se déplacer plus rapidement. Si elle se déplace entre deux régions de concentrations différentes, le mouvement net qui en résultera est la diffusion. Le mouvement net de diffusion entre deux régions de concentrations différentes se fait de la région plus concentrée vers la région moins concentrée.

Lorsqu’une membrane cellulaire sépare deux concentrations différentes d’un soluté, la perméabilité de la membrane détermine, en plus du gradient de concentration, la vitesse de la diffusion.

On peut aussi profiter des impulsions du mouvement brownien pour effectuer un déplacement dirigé à l'échelle nanométrique. C'est le cas de la kinésine, qui repose aussi sur la concentration d'ATP.

Ces mécanismes permettent d'extraire un travail en profitant du mouvement brownien. C'est un "moteur brownien".

On montre que dans ce cas, en plus de compenser la perte énergétique, il faut aussi fournir un mécanisme pour contrecarrer un possible retour en arrière, c'est un "cliquet brownien moléculaire".

Mais on violerait alors le second principe : une seule source de chaleur serait suffisante pour extraire de l'énergie, certes avec l'aide de mécanismes secondaires, mais pas une seconde source. En réalité, lorsqu'on épluche le fonctionnement dans le détail, on se rend compte qu'on ne viole rien car le cliquet brownien est également soumis au mouvement brownien, et donc à la chaleur avec une certaine température.