CHAPITRE VIII

Hypothèses mécaniques et théories physiques

La théorie de l’attraction moléculaire et la théorie cinétique se heurtent toutes deux à des contradictions, lorsqu’elles tentent d’édifier une mécanique chimique. Quel est donc le vice caché qui a perdu ces théories, et dans quelle voie nouvelle convient-il de chercher la loi des transformations chimiques, loi qu’elles ont vainement cherché à découvrir?

La théorie de l’attraction moléculaire et la théorie cinétique sont deux formes différentes d’une même méthode propre à traiter la physique. Cette méthode, qu’ont adoptée tous les grands physiciens du XVIII® scièle et de la première moitié du XIX® siècle, consiste à mettre à la base de toute théorie des hypothèses sur la constitution de la matière, sur la nature intime des modifications de la matière, modifications dont les effets seuls sont perceptibles à nos sens.

Ainsi, dans la théorie de l’attraction moléculaire, un corps au repos est un ensemble de molécules immobiles; entre ces molécules, s’exercent des forces attractives ou répulsives; les changements d’état physique sont la manifestation extérieure de changements dans la disposition de ces molécules; la chaleur est un fluide qui se dégage quand les molécules se rapproehent, qui est absorbé quand les molécules s’écartent.

Dans la théorie cinétique, un corps au repos est un ensemble

de molécules agitées de mouvements très petits, très rapides, indifféremment orientés en tout sens; un changement d’état physique est un changement dans la forme de ces mouvements; la température dépend de la force vive moyenne de ces mouvements.

Ces hypothèses, qui sont entièrement composées au moyen d’éléments pris à la mécanique, étant admises, le physicien leur applique les théorèmes de la statique ou de la dynamique. Il obtient alors, comme conséquence de scs déductions, des propositions qu’il regarde comme les lois du monde physique et que l’expérience doit vérifier.

Nous avons vu celte méthode à l’œuvre; nous avons constaté combien peu l’expérience était d’accord avec les résultats de ses déductions. Devant ces échecs, n’est-il pas prudent de renoncer à la discipline suivie jusque là?

Pourquoi chercher à remplacer par des constructions mécaniques les corps et leurs modifications, au lieu de les prendre tels que les sens nous les donnent, ou plutôt tels que notre faculté d’abstraire, travaillant sur les données des sens, nous les fait concevoir ? Pourquoi se représenter la température comme la quantité d’un certain fluide libre ou comme la force vive d’un certain mouvement, au lieu de la regarder simplement comme cette propriété qu’a un corps de nous paraître plus ou moins chaud, de faire monter plus ou moins haut le mercure du thermomètre? Pourquoi chercher à se figurer les changements d’état comme des déplacements, des juxtapositions de molécules, des variations de trajectoire, au lieu de caractériser un changement d’état par le trouble qu’il apporte dans les propriétés sensibles et mesurables du corps : augmentation ou diminution de densité, absorption ou dégagement de chaleur, etc...? Pourquoi vouloir que les axiomes sur lesquels toute théorie doit reposer soient des propositions fournies par la statique ou la dynamique, au lieu de prendre pour principes des lois fondées sur l’expérience et formulées par l’induction, quelle que soit d’ailleurs la forme de ces lois, quelle que soit la nature des concepts auxquelles elles font appel ?

Ces réflexions eonduisent à renverser la méthode jusque là suivie en physique ; l’idéal des théoriciens consistait à représenter les phénomènes au moyen d’hypothèses mécaniques peu nombreuses et simples, qu’ils regardaient comme de véritables êxpticalions", c’est cet idéal auquel il faut renoncer, qu’il faut remplacer par un autre ; la meilleure théorie sera maintenant celle qui ne fera pas entrer dans scs raisonnements d’autres notions que celles qui ont un sens physique, qui sont directement mesurables : la densité, la température, la quantité de chaleur, etc. ; qui ne prendra pour principes que des lois d’origine expérimentale, telle que la loi de l’équivalence entre la chaleur et le travail; qui se proposera pour but non pas ^'expliquer les phénomènes, mais de les classer.

C’est à une semblable théorie qu’il nous faut demander la construction, prudente et patiente, de la mécanique chimique. Telle est l’idée que Sainte-Claire Deville émet dans scs Leçons sur la Dissociation; que, quelques années plus tard, nous lui voyons développer dans ses Leçons sur l'Afp,nité(^). Citons quelques uns des passages où cette idée se trouve particulièrement mise en lumière :

« Il faut donc laisser de côté (2), dans nos études, toutes ces forces inconnues auxquelles on n’a recours que parce qu’on n’en a pas mesuré les effets. Au contraire, toute notre attention doit être fixée sur l’observation et la détermination numérique de ces effets, lesquels sont seuls à notre portée. »

« Ainsi la chaleur et l’aflinité sont constamment en présence dans nos théories chimiques. L’affinité nous échappe entièrement; nous lui attribuons cependant la combinaison qui serait l’effet de cette cause inconnue. Etudions donc simplement les circonstances physiques qui accompagnent la combinaison, et

(1) H. Sainte-Claire Deville. Leçon» sur l’Affinité, professées devant la Société Chimique le 28 février et le 6 Mars 1867 (Leçons de la Société Chimique, 1866-67).

(2) H. Sainte-Claire Deville, Leçons sur la Dissociation (Leçons delà Société Chimique, f 864-65, p. 258).

nous verrons combien de rapprochements curieux, combien de phénomènes mesurables, s’offrent à nous à chaque instant ! La chaleur détruit, dit-on, l’affinité; étudions avec persistance la décomposition des corps sous l’influence de la chaleur, exprimée en quantité de travail, en température ou force vive; nous verrons tout de suite combien cette étude est fructueuse et indépendante de toute hypothèse, de toute force inconnue. »

« Tous ces faits(l) nous amènent comme conséquence à identifier les causes de la cohésion et de l’affinité et, dans les spéculations scientifiques, à nous préoccuper seulement de la chaleur, qu on a toujours considérée jusqu’ici comme un des effets de ces forces mal définies. La détermination des densités, la fixation des quantités de chaleur latente perdues par les corps simples au moment de leur formation, fixées dans les corps simples au moment de leur décomposition, sont les éléments avec lesquels on arrivera sans doute à donner un sens vrai et une valeur numérique à la cohésion et à l’affinité. »

Veut-on un exemple de la méthode scientifique préconisée par II. Sainte-Claire Deville ? En voici un, qui est cité par Sainte- Claire Deville lui même(2). Nous avous vu (p. IC) que le principe de l’équivalence entre la chaleur et le travail, principe d’origine expérimentale, s’exprimait, dans le cas où la force vive du système est nulle au début et à la fin de la modification que l’on considère, par l’équation suivante :

EQ = 4- E (U, — Uî).

(1) II. Sainte-Claire Deville, Leçon» sur la Distocialion tLeçons de la Société Chimique , 1864-65, p. 578).

(2) H. Sainte-Claire Deville, Leçons sur l' A ffinîté {Leçons de la Société Chimique, 1866-67, p. 47).

Dans cette équation, Q est la quantité de chaleur dégagée, '^e le travail effectué par les forces extérieures, E l’équivalent mécanique de la chaleur; enfin (üi — U?) est la diminution de l’énergie interne U du système.

Qu’est ce que cette énergie interne?

Le raisonnement mathématique qui, appliqué à la loi expérimentale de l’équivalence entre la chaleur et le travail, a introduit cette quantité ne nous a donné sur sa nature que le renseignement suivant : l’énergie interne a une valeur donnée, toutes les fois que le système est dans un état déterminé; si le système revient au même état, elle reprend la même valeur.

Au lieu de se contenter de ce renseignement, les physiciens ont voulu relier cette énergie interne à la constitution des corps tels qu’ils l’imaginaient, en attribuer une partie à la force vive des forces moléculaires, une autre au potentiel des forces d’affinité et de cohésion ; et ce sont ces hypothèses qui ont engendré le système thermochimique.

Mais ne faisons pas ces hypothèses ; prenons l’énergie interne telle que l’analyse mathématique nous la donne, simplement comme une quantité qui doit reprendre la même valeur lorsque le système revient au même état ; continuons à appliquer à ce point de départ le raisonnement mathématique, instrument dont l’usage est sûr, qui du principe admis, fera sortir des conséquences sans introduire de nouvelles hypothèses; nous arriverons à des résultats qui jetteront sur les actions chimiques un nouveau jour.

Voici une de ces conséquences :

La chaleur de formation d’une combinaison dépend de la température à laquelle cette combinaison prend naissance; l’accroissement que cette chaleur de combinaison subit lorsque la température monte d’un degré s’exprime très simplement : c’est l’excès de la quantité de chaleur nécessaire pour élever d’un degré la température des éléments isolés sur la quantité de chaleur nécessaire pour élever d’un degré la température de la combinaison.

Cette conséquence fondamentale est due à G. Kirchhoff(0 ; le mémoire où KirchhofT a établi non seulement cette proposition, mais beaucoup d’autres plus eacliées, que nous ne pouvons eiter ici, peut être regardé comme un modèle de la méthode préconisée par H. Sainte-Claire Deville.

(I) G. Kibchiioff, Ueber einen Satz der mechanischen IVàrmetheorie und einige Anwendungen destelben (Poggendorif’s Annalen, t. CIII, p. 18S8).