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THERMODYiNAMIQUE

Objet de la Thermodynamique. — La Thermodynamique est 1^ partie de la physique qui traiie des relations entre le travail mécanique, d'une part, et les quantités de chaleur ou les températures, d'autre part, indépendamment de toute hypothèse sur la nature de la chaleur.

Elle repose sur deux lois générales fondées sur Texpérience, et que Ton appelle le Principe de V Equivalence et le Principe de Camot; elle a pour objet d'établir ces deux principes et d'en faire l'application.

La Thermodynamique est donc une science fondée sur l'expérience. Il convient, à ce point de vue, de la distinguer de la Théorie mécanique de la chaleur. Cette dernière théorie part de l'hypothèse que la chaleur résulte d'un mouvement moléculaire des particules des corps, et en tire comme conséquences les lois mêmes qu'étudie la Thermodynamique.

Son importance. — Bien qu'elle soit de création récente, la Thermodynamique a pris une place considérable dans l'étude des sciences. En physique, elle a permis de prévoir ou d'expliquer un grand nombre de*phénomènes ; en chimie, en astronomie, en physiologie..., elle a donné lieu aux applications le»

TOSIMODrifAMIQUI. i

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t THERMODYNAMIQUE

plus variées. ActuellemeDt, elle constitue le lien le plus général entre les diverses sciences expérimentales.

. Idées des anciens sur la nature de la chaleur. — La Thermodynamique n'était pas connue des anciens ; ils n étudiaient la chaleur qu'en elle-même, sans s occuper du travail mécanique qu'elle pouvait fournir.

Voyant le feu détruire les corps avec production de flamme, ils considéraient la chaleur comme un mouvement. A l'époque de la Renaissance, Bacon appliquait à la chaleur les règles qu'il donnait pour l'étude expérimentale des phénomènes ; il en concluait que la chaleur est un mouvement (Novum organum).Les physiciens de la fln du xvm* siècle se préoccupaient ausKi de la naiure de la chaleur, ils la considéraient comme un mouvement. Mais à cette époque survint la découverte des principaux gaz et des propriétés générales des fluides. Les fluides hypothétiques devinrent àlc^mode et furent hardiment inscrits dans certains traités de chimie sur la même liste que les gaz nouvellement découverts ; Stahl imagina la théorie du phlogistique ! la chaleur qui accompagne les réactions chimiques fut assimilée à un fluide mis en liberté. — La conception du fluide calorifique s'accordait bien d'ailleurs avec les résultats des expériences calorimétriques du physicien anglais Black. Dans les expériences de mélanges, le fluide calorifique s'écoulait d'un corps sur l'autre de façon que la quantité totale de calorique, des divers corps mis en présence était constante.

D'autre part, on remarqua que le frottement dégage de la chaleur. Rumford, à la fonderie de canons de Munich, parvint à produire et à entretenir TébuUition de l'eau en utilisiant le dégagement de chaleur qui accompagne le forage des

était arrivé aussi à la notion de Téquivalence entre la chaleur et le travail mécanique. Ainsi le simple fait d'introduire dans la science la considération du travail mécanique avait amené Carnot à la découverte de la Thermodynamique tout entière. Aussi, est-ce avec justice que Sir W. Thomson a pu écrire que, dans toute Télendue du domaine des sciences, il n'y a rien de plus grand, à son avis, que l'œuvre de Sadi Carnot. En réalité, Carnot, arrêté par la mort, ne fît point connaître la notion de l'équivalence entre la chaleur et le travail mécanique. L'honneur de cette découverte était réservé à un médecin allemand, Mayer, qui était arrivé de son côté à la même conception que Carnot, en recherchant ce que devenait le travail absorbé dans l'acte du frottement (1842). Plus tard, en 1847, Helmholtz généralisa cette notion de l'équivalence entre la chaleur et le travail mécanique, et en fit le principe de la conservation de t énergie.

Dans l'exposition des principes de la Thermodynamique, nous commencerons par le principe de l'Équivalence.

l'expérience ses Idées théoriques; il avait projeté toute une série a'espériences qui sont précisément celles que divers expérimentateurs ont faites depuis, comme on peut s'en rendre compte en se reportant à Touvrage déjà indiqa^

imagina de l'introduire dans la physique ; ce fut là le point de départ de la phy$ique moderne.

Sadi Carnot, frappé de Timportance des machines à vapeur, pose d'une manière méthodique et générale le problème des relations de la chaleur et du travail (1824). 11 ne cherche plus, comme ses devanciers, ce qu*est la chaleur, mais il se demande quelles sont les conditions pour qu'on puisse obtenir un maximum de travail en dépensant une quantitée donnée de chaleur. Dans son mémoire : Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à la développer Sadi Carnot résout par des méthodes originales le problème qu'il s'était posé. On cherchait alors à savoir si la puissance motrice du feu était limitée ; on poursuivait ce but, de produire une quantité peut-être indéfinie de travail avec une quantité finie de combustible, au moyen de machines convenablement disjposées; Sadi Carnot montra Timpossibilité du problème ainsi conçu, et énonça la loi qui porte son nom, loi dont on a fait le second principe de la Thermodynamique. Des notes posthumes publiées à la fin de Touvrage de Sadi Carnot, réédité en 1878 (1), montrent de la façon la plus nette qu'il

(1) Dans les Dotes inédites publiées à la fin de Touvrage de Sadi Carnot: Réflexions sur la puissance motrice du /eu, réédité en 1878, chez Gauthier- Villars, Paris, on trouve cette phrase, page 95 : D'après quelques idées que je me suis formées sur la théorie de ta chaleur^ laproduction d'une unité de force motrice nécessite la destruction de 2.70 unités de chaleur, La notion d'équivalence est là tout entière. L^unité de puissance motrice ou dynamie représentait pour Carnot le poids d'un mètre cube d*eau élevé à un mètre de hauteur; si Ton calcule Téquivalent mécanique de la chaleur, d'après eoB nombres, on trouve

E = JM= 370.37

nombre évldemaent trop fcible. Carnot s'était proposé de vérifier par

était arrivé aussi à la notion de Téquivalence entre la chaleur et le travail mécanique. Ainsi le simple fait d'introduire dans la science la considération du travail mécanique avait amené Carnot à la découverte de la Thermodynamique tout entière. Aussi» est-ce avec justice que Sir W. Thomson a pu écrire que, dans toute l'étendue du domaine des sciences, il n'y a rien de plus grand, à son avis, que l'œuvre de Sadi Carnot. En réalité, Oarnot, arrêté par la mort, ne fît point connaître la notion de Téquivalence entre la chaleur et le travail mécanique. L'honneur de celte découverte était réservé a un médecin allemand, Mayer, qui était arrivé de son côté à la môme conception que Carnot, en recherchant ce que devenait le travail absorbé dans l'acte du frottement (1842). Plus tard, en 1847, Helmholtz généralisa cette notion de l'équivalence entre la chaleur et le travail mécanique, et en fît le principe de la conservation de t énergie.

Dans l'exposition des principes de la Thermodynamique, nous commencerons par le principe de TEquivalence.

l'expérience ses idées théoriques; il avait projeté toute une série a^etpériences qui sont précisément celles que divers expérimentateurs ont faites depuis, comme on peut s'en rendre compte en se reportant à Touvrage déjà indiqua

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PRINCIPE DE L ÉQUIVALENCE

Les expériences de Rumford et de Davy, citées plus haut, montrent que le travail mécanique peut se transformer en chaleur. Mais elles n*indiquent pas suivant quelle loi cette transformation s'effectue. Dans le but de combler cette lacune, une foule d'expériences ont été tentées, qui ont conduit à formuler la loi suivante.

Principe de Téquivalence. — Quel que soit le système employé pour transformer le travail en chaleur ^ ou la chaleur en travaily il y a un rapport constant entre la quantité de travail et la quantité de chaleur qui interviennent dans une série quelconque de transformations, pourvu que tétat final du système soit identique à fétat initial,

La constante de piroportionnalité s'appelle Yéquivalent mécanique\dela calorie, ou, plus improprement, dé la chaleur. Nous la désignerons par E. Si C est le travail dépensé, et Q la quantité de chaleur produite, on a

Détermination de E. — Les expériences qui servent h déterminer E sont de nature différente suivant :

i» Que du travail est détruit et transformé en chaleur ;

S5*» Ou bien que de la chaleur est absorbée et qu'un travail correspondant en résulte.

ri . ,

PRINCIPE DE l'équivalence