LA TEMPÉRATURE ABSOLUE

C'est justement à la faveur de cette différence de qualité que l'on peut réaliser la transformation partielle de la chaleur en travail. Une différence de température peut toujours se traduire par une différence de pression. Entre deux réservoirs qui contiennent tous deux de l'eau et de la vapeur, et dont l'un est plus chaud que

l'autre, existe une différence de tension de vapeur, qui pousse le liquide à distiller du réservoir chaud vers le froid. C'est le principe de la paroi froide. C'est le principe de l'alambic.

Une machine à vapeur possède les organes essentiels d'un alambic, mais elle en possède un de plus : le corps de pompe, où la vapeur travaille entre le moment où elle est sortie de la chaudière et celui où elle arrive dans le réfrigérant. Si la chaudière est portée à 100 degrés et si le réfrigérant est maintenu à zéro degré, la vapeur pourra se détendre, entre la pression de 760 millimètres et la pression de 4 mm ,6 qui est la pression de vapeur saturée à zéro ; et, par cette détente, elle pourra pousser un piston. Mais cette détente et cette production de travail sont limitées par la différence de température. Si la différence de température de la chaudière et du réfrigérant n'était que de 1 degré, la différence des pressions de saturation serait très faible, et le travail à tirer de la détente insignifiant. On peut calculer ce que serait le travail dans une machine à vapeur fonctionnant entre 100 degrés et degré. La machine est bien entendu supposée parfaite, c'est-à-dire il n'y a par ailleurs aucune perte de chaleur inutile, la détente se fait à plein travail. En utilisant les nombres déterminés par Regnault pour les chaleurs spécifiques et les chaleurs latentes, on déduit d'un calcul assez simple que, sur 373 calories fournies par la chaudière à 100 degrés, 100 calories au maximum seraient transformées en travail, et le reste, soit 273 calories, serait restitué au condenseur à zéro degré.

Pour faire comprendre que le rendement en travail d'une machine à vapeur soit aussi faible, on n'a jamais rien écrit de plus clair que les pages mêmes de Sadi Carnot. Nous aurons l'occasion d'en citer quelques passages. Mais pour donner l'intelligence complète du mécanisme réel de la transformation de

la chaleur en travail, il faudrait recourir à la considération des cycles de transformation. Pour assurer une transformation régulière de chaleur en travail à l'aide d'un fluide — comme l'eau, vapeur ou liquide, — il faut faire subir au fluide une série de changements qui le ramènent à son état primitif : puis on recommence. Dans la machine à vapeur, on reprend l'eau de condensation et, avec une pompe telle que l'injecteur Giffard, on la fait rentrer dans la chaudière : alors le cycle est fermé. Le travail accompli par la vapeur n'est en définitive que la différence entre celui qu'elle exécute dans son expansion et celui qu'il faut dépenser pour la comprimer à nouveau et la ramener à son état initial par une autre voie. On aura donc une idée certainement exagérée du travail total en n'ayant égard qu'au travail d'expansion accompli par la vapeur.

Ce travail d'expansion lui-même, un raisonnement grossier le montre étroitement limité, dans les circonstances les plus favorables, par la différence des températures. Il suffît d'appliquer'à la vapeur, traitée comme un gaz parfait, le résultat relatif au travail de détente d'un gaz. Si, la température étant maintenue constante, on pouvait détendre la vapeur depuis 760 œm de pression jusqu'à une pression exactement nulle, on en tirerait un travail infini. On pourrait, avec une dose limitée de vapeur, ne servant qu'une fois, prendre un nombre indéfini de calories à la chaudière et les transformer toutes en travail. Mais la détente est limitée : si le condenseur est à zéro degré, elle ne peut se produire que jusqu'à la pression de 4 mm ,6; et il y a, contrairement aux apparences, bien plus d'écart entre cette pression de 4 mm ,6 et une pression exactement nulle, qu'entre la pression de 760 mm et celle de 4 ttm ,6. Pour passer de la pression de 760 mm à celle de 4 mm ,6, il suffit de dédoubler la pression sept ou huit fois de suite, et à chaque dédoublement correspon-

drait, pour un gaz parfait, le même travail. Pour passer de 4 œ * n ,6 à 0, il faudrait dédoubler la pression un nombre indéfini de fois. Entre deux pressions déterminées, la détente de la vapeur donnera donc une dose toujours limitée de travail, d'autant plus grande qu'il faudra dédoubler un plus grand nombre de fois la pression la plus forte pour tomber à l'autre. Le rapport de la chaleur qui, dans les cas les plus favorables, retombe au réfrigérant, à la chaleur qui a été puisée à la chaudière, est indépendant de l'agent de transmission; il caractérise l'intervalle des deux températures, en donnant à ce mot la même signification qu'il a dans l'expression : intervalle musical. La température d'une chaudière sera, par délinition, à l'octave de celle du condenseur, — elle sera, au sens absolu du mot, double de l'autre — si l'on peut, réduire à la moitié de la chaleur prise à la chaudière la chaleur rendue au condenseur, et par conséquent, si l'on peut transformer en travail la moitié de la chaleur prise à la chaudière. C'est lord Kelvin qui aperçut cette conséquence nécessaire des idées de Carnot, et qui donna le moyen de définir le rapport de deux températures d'une façon absolument indépendante de toute échelle thermométrique particulière. C'est ainsi qu'on trouve que le rapport de la température de la glace fondante à la température

de l'eau bouillante est mesuré par la fraction rp— et,

d'une façon générale, par le rapport des nombres de degrés centigrades qui caractérisent les deux températures, à condition d'ajouter à chacun d'eux le nombre 273.

Il n'est pas difficile d'expliquer l'origine de ce nombre 273. Un gaz parfait, qui suit la loi de compressibilité de Mariotte et la loi de dilatation de Gay- Lussac, augmente de pression si on le chauffe à

volume constant; et pour chaque degré centigrade, la pression s'élève de 1/273* de la pression du gaz à zéro degré.

Il en résulte que, dans une machine thermique, dont la chaudière serait à zéro degré et le réfrigérant

à 1 degré au-dessous de zéro, 7=0 seulement de la

chaleur* de la chaudière pourrait être transformé en travail. Si Ton venait à refroidir de un degré, puis de deux, de trois degrés, la température du condenseur, sans toucher à celle de la chaudière, on gagnerait à chaque degré un deux cent soixante-treizième de chaleur, à pouvoir transformer en travail. Si on refroidissait le condenseur jusqu'à 273 degrés au-dessous de zéro, c'est l'intégralité de la chaleur de la chaudière qu'on pourrait transformer en travail. On ne peut pas concevoir qu'on aille plus bas. Cette température, que Thomson a appelée le zéro absolu, est donc, par définition, la température à laquelle il faudrait maintenir le condenseur d'une machine thermique pour pouvoir transformer en travail toute la chaleur de la chaudière. On pourrait encore la définir : c'est la température à laquelle un gaz parfait, refroidi à volume constant, marquerait une pression réduite à zéro. On pourrait dire encore que c'est une température à laquelle la tension de vapeur d'un liquide ou d'un solide quelconque serait nulle : ce qui permettrait à la vapeur fournie par une chaudière quelconque une détente poussée jusqu'au bout.

De gaz parfait, il n'y en a plus à ces très basses températures, puisqu'ils se liquéfient tous par un froid suffisant. Mais il est possible, sinon facile, de repérer sur un thermomètre réel les températures que marquerait ce thermomètre idéal. Il est possible, d'une façon générale, de graduer un thermomètre donné, — thermomètre ordinaire à mercure, aux températures moyennes, — thermomètre électrique aux

très hautes ou aux très basses températures, — en températures absolues.

Et le zéro absolu se trouverait à — 273° de l'échelle centigrade ordinaire. Pratiquement, la température absolue est égale à la température centigrade comptée à partir de — 273 degrés.

Dans la course aux très basses températures, le laboratoire de l'Université de Leyde, dont la célébrité était classique dès le xvn* siècle, détient jusqu'ici le record. Le professeur Kamerlingh Onnes semble être arrivé jusqu'à 10 degrés absolus, soit — 263*. Aller plus bas n'est pas impossible, maïs est difficile : la difficulté thermodynamique qu'il y aurait à passer de 10 degrés à 5 degrés absolus, c'est-à-dire à descendre encore un échelon d'une octave, est du même ordre que celle qu'il y aurait à monter d'une octave à l'autre bout de l'échelle, et à obtenir une température double de la plus haute température réalisée jusqu'ici.