PUISSANCE MOTRICE » ET « ÉNERGIE

Quelque vingt ans avant la découverte de la loi d'équivalence entre la chaleur et le travail mécanique, l'esprit divinateur de Sadi Carnot avait introduit dans la science la notion profonde de « puissance motrice ».

Un simple regard jeté sur la nature qui nous entoure et sur nos machines nous montre certains phénomènes qui se produisent spontanément : chute de l'eau, passage de chaleur d'une chaudière à un condenseur, décharge d'une batterie d'accumulateurs. Ces phénomènes pourraient se produire en pure perte, sans qu'on en tirât d'effet utile ; mais ils sont susceptibles d'être utilisés. On peut les employer à provoquer les phénomènes inverses, à élever de l'eau, à charger des accumulateurs, à reporter de Ja chaleur d'un corps froid sur un corps chaud, à se créer ainsi une nouvelle réserve de pouvoir d'action sur le monde extérieur. C'est ce pouvoir d'action que Carnot appelle puissance motrice. C'est ce pouvoir d'action que, trop souvent, l'on prend pour l'énergie. Il peut arriver qu'en certains cas, l'augmentation d'énergie d'un système matériel soit égale à l'augmentation de sa puissance motrice : mais en général, l'énergie est tout autre chose, et, comme dans la production du froid artificiel, une soustraction d'énergie pourra correspondre à une augmentation de puissance motrice.

En 1824, Sadi Carnot s'est justement posé la question de savoir à quel prix on peut tirer de la chaleur un effet utile. Il a vu que c'est à la condition expresse de créer et de maintenir une différence de température. La nature tend à niveler les différences ; elle tend à l'homogénéité. Une hétérogénéité quelconque, artificiellement introduite, est créatrice de puissance motrice. Qu'à partir d'un milieu à température uniforme on vienne à créer du chaud ou du froid, l'utilité

INTRODUCTION il

pourra être la même : ce qui est précieux, c'est l'écart de température.

Un peu plus tard, lord Kelvin, — alors William Thomson, — méditant l'œuvre de Carnot, saura tirer de cette notion de prix et de valeur utile d'un intervalle déterminé de température une définition absolue de cet intervalle de température, indépendante de toute échelle thermométrique particulière.

L'œuvre de Carnot était inexacte en un point. Il avait cru que la chaleur, dans les machines à feu, se transporte d'un organe à un autre, mais ne se crée, ni ne se perd ; qu'elle produit du travail mécanique par la simple chute d'une température élevée à une plus basse, sans diminuer en quantité. Lorsque l'on découvrit que la chaleur se crée aux dépens du travail mécanique, et peut, à son tour, en disparaissant, produire une dose équivalente de travail, on ne comprit pas immédiatement que l'erreur commise par Sadi Carnot obligeait à modifier quelque peu la forme de son raisonnement, mais laissait subsister la conclusion. On oublia les idées de Carnot.

Ce qui est plus difficilement explicable, c'est qu'après que Thomson eut fait voir, par un premier exemple, quelle était la fécondité des idées de Carnot, en en tirant la notion de température absolue, — et après même que Clausius eut rectifié l'erreur de raisonnement de Carnot et, du même coup, établi le principe de Carnot sur des bases solides, — l'œuvre de Carnot resta longtemps ignorée, ou tout au moins mal connue. De l'indifférence du public savant à l'égard de l'œuvre de Carnot dans les années qui suivirent 1850, nous avons des preuves multiples. M. Chauveau racontait à l'Académie, au moment de la mort de lord Kelvin, comment, en 1855, il avait appris par hasard que le professeur de Glasgow consacrait plusieurs leçons à l'œuvre de Carnot dont, en France, « on soupçonnait à peine l'existence ». En 1867, Desains, auteur

de mémoires à bon droit classiques sur la chaleur rayonnante, était chargé d'un rapport sur les progrès de la Science de la chaleur en France depuis le commencement du siècle: à aucun endroit, il ne cite le nom de Sadi Carnot.

En réalité, c'est beaucoup moins à cause de ses défauts que l'œuvre de Carnot resta longtemps ignorée, qu'à cause, au contraire, de sa supériorité. Carnot avait vu, sur un point fondamental, plus profond et plus juste que ses contemporains et que plusieurs de ses successeurs. Il avait deviné quelle est, dans les changements multiples que nous offre le monde physique, la grandeur qui nous importe, celle dont les variations déterminent le sens des phénomènes, celle qui, pour nous, constitue la vraie richesse : c'est ce qu'il avait nommé la puissance motrice. Mais il est clair que la puissance motrice d'un système matériel isolé va constamment en diminuant, qu'elle ne se conserve pas. Dans l'entourage et à l'époque de Carnot, on cherchait et on voulait quelque chose qui se conservât. On s'efforçait d'atteindre le permanent.

Lavoisier avait proclamé la conservation de la masse dans les réactions chimiques. Laplace avait montré la stabilité du système solaire ; Fourier avait célébré un monde « disposé pour l'ordre, la perpétuité et l'harmonie ». C'est dans cette atmosphère intellectuelle qu'a surgi, comme par génération spontanée, en trois points de l'Europe savante, le principe de la conservation de l'éhergie. Sans diminuer le mérite des physiciens qui reconnurent par des voies indépendante l'équivalence de la chaleur et du travail mécanique, on peut voir dans cet accord l'indice que les esprits étaient mûrs pour cette idée. « Les admirables travaux de physique mathématique, a dit fort justement M. H. Poincaré, entrepris à cette époque par Laplace, Cauchy, Lamé, Poisson, Fourier, paraissent avoir exercé une influencé considérable sur les contempo-

rains et les successeurs de Carnot ». L'idée de forces centrales, de molécules obéissant à des lois de stabilité, d'un monde physique où quelque chose se conserve comme dans le monde céleste, devait inévitablement conduire, tôt ou tard, à la découverte des grandeurs qui, dans Un monde isolé, possèdent la propriété de Y invariance, et, en particulier, de V énergie. Tout était parfait si Ton se' fût borné à la recherche légitime des invariants d'un système matériel. Mais on avait la préoccupation de trouver une grandeur qui possédât à la fois la propriété de se conserver et celle de représenter, pour nous, le prix et la valeur d'un système. 11 n'existe pas de grandeur douée de ces propriétés incompatibles. C'est peut-être regrettable, mais c'est ainsi. La « puissance motrice » représente bien le prix d'un système matériel, mais elle ne se conserve pas. L' « énergie », au contraire, se conserve, mais ne représente nullement la valeur du système matériel. Le problème de la recherche d'une grandeur ayant les deux propriétés à la fois est impossible. Carnot avait eu conscience de cette impossibilité. 11 ne pouvait être compris d'hommes qui s'obstinaient à chercher la Solution du problème, bien plus, qui ont cru l'avoir résolu par la proclamation de la loi de la conservation de l'énergie.

À là vérité, le terme d'énergie est introduit dans là science par un des rares physiciens de cette époque qui ont médité et compris Carnot, par William Thomson lui-même, qui n'imagine pas c[ûe l'introduction de ce terme pourra nuire un jour à la divulgation du principe de CàrUOt. 11 donne dès le début de Ce qu'il nomme « l'énergie mécanique », et que Clausius appellera simplement « l'énergie », Uhe définition irréprochable. Quand la vapeur agit dans le cylindre d'Une machine à vapeur en poussant le piston, elle travaille; pour amener l'eau de la chaudière à l'état de vapeur,

on a dû lui fournir de la chaleur; en passant de l'état d'eau froide à l'état de vapeur saturée ou surchauffée, la masse fluide a acquis de l'énergie. Par définition, l'augmentation d'énergie d'une masse fluide qui change d'état est l'excès de la chaleur qu'on a dû lui communiquer sur le travail extérieur qu'elle a déjà accompli, ou, pour être plus correct et n'employer que des unités cohérentes, l'augmentation d'énergie de la masse matérielle est V excès, sur le travail accompli par elle, de l'équivalent mécanique de la chaleur qu'on lui a fournie.

C'est uniquement la variation d'énergie que Thomson définît de la sorte, quand on passe d'un état à un autre; ce n'est, en aucun cas, la valeur absolue de l'énergie totale que possède un corps dans un état déterminé. Par une prudence où l'on serait tenté de voir une étonnante prescience, Thomson déclare que nous pouvons mesurer la variation d'énergie d'un gramme d'eau quand elle se vaporise ou se condense, mais <]ue nous ne saurions atteindre à la connaissance de l'énergie réelle de ce gramme d'eau ; que cette énergie réelle peut être quelconque et pourrait même devenir infinie sans que les calculs qui portent sur les variations d'énergie en fussent atteints.

Si donc les découvertes contemporaines nous révélai! l'existence d'énormes provisions d'énergie dans des quantités toutes petites de matière, nous pouvons, jusqu'à preuve directe du contraire, garder notre entière confiance aux conclusions de la thermodynamique ; l'objection qu'on serait tenté de tirer de rénormité des énergies intraatomiques ne porte pas contre des déductions que lord Kelvin a pris, en 1851, l'incroyable précaution de mettre à l'abri de toute hypothèse sur la valeur absolue, finie ou infinie, de I' « énergie ».

Si plusieurs corps sont en présence, ils échangent

entre eux chaleur et travail : les quantités échangées sont complémentaires. Les variations d'énergie de deux corps matériels en présence, isolés du reste du monde, sont égales et contraires : la somme algébrique de leurs variations est nulle, c'est-à-dire que leur énergie totale ne varie pas.

Mais au moment même où Ton formule le principe, il semble que Ton voie s'évanouir la profonde signification réelle qu'on en avait attendue. Helmholtz avait célébré avec enthousiasme le principe de l'équivalence dans son discours bien connu sur la « conservation delà force», où Ton croit entendre résonner l'écho des périodes éloquentes de Laplace et de Fourier sur l'universelle stabilité des choses et sur le monde disposé pour la perpétuité et l'harmonie. Thomson, lui, ne met pas longtemps à reconnaître que, si ce qu'il vient d'appeler « l'énergie mécanique » se conserve — au sens arithmétique du mot, — la somme des effets utiles qu'un monde isolé reste capable de produire, va constamment en diminuant. Quelques mois à peine après avoir défini « énergie mécanique » , ce que nous appelons aujourd'hui « énergie », Thomson proclame « la tendance universelle à la dissipation de l'énergie mécanique dans la nature ».

Les époques de grande fécondité vont rarement sans quelque confusion dans les idées et dans les mots. Au moment où s'élabore la science que Rankine appellera i 'énergétique , on tâtonne avant d'arriver au choix des termes qui deviendront définitifs. Thomson se préoccupe déjà du départ à faire entre les diverses formes d'énergie, et distingue de « l'énergie mécanique totale » « l'énergie mécanique d'espèce non-thermique » ; bientôt il abandonnera cette formule un peu longue pour adopter l'expression « admirable » ^énergie potentielle que vient d'employer Rankine et que critique J. Herschel. Énergie potentielle, énergie

16 LA DÉGRADATION Dg ^ÉNERGIE

actuelle, ces termes ont fait fortune, biepque Thomson et Tait aient substitué plus tard à l'épithète d'acfwe./te, celle de cinétique qui a prévalu. Energie de puissance, énergie de mouvement, tels semblent être désormais les deux termes entre lesquels se feront les échanges réciproques d'énergie/dontla somme us varie pas ; et à l'aide de ces mots, Rankine cherche à formuler la loi générale qui régit les transformations de l'énergie dans le monde.

Mais, devant l'adoption du nouveau langage scientifique, on voit les créateurs de cette terminologie comme embarrassés et inquiets de ce succès même, Nous avons vu Thomson affirmer en même temps la conservation et la dissipation de l'énergie, comme si, à ce moment, dans son esprit, se mêlaient les deux notions de l'énergie, telle que le physicien la déûnit et telle que le public la comprend. C'est encore Rankine, apercevant les conséquences pour l'avenir du monde matériel de cette déperdition continuelle des formes utiles de l'énergie, et imaginant, pour tes éluder, l'ingénieuse mais insoutenable hypothèse de la reconcentration de l'énergie dans l'univers. C'est le même Rankine, le créateur de V « énergétique », qui se plaindra, quelques années plus tard, que le second principe de la thermodynamique ne soit ni vulgarisa ni même connu, alors que le premier principe est vulgarisé à profusion, mais compris à faux. C'est Maxwell, essayant déjà de réagir contre les idées erronées que Ton se fait de la conservation de l'énergie et, pour y arriver, introduisant la notion nouvelle d'énergie utilisable, « ayailable energy », don M. Gouy devait plus tard montrer tout le parti 4 tirer pour un exposé rationnel et clair de toute la thermodynamique, Maxwell se montre à ce point préoccupé de ne pas donner prise au contre-sens universel, qu'il ne recule pas devant l'insertion d'un très long sons-titre en tête d'un petit livre populaire, et qu'il intitule son

admirable Traité de la chaleur : « Traité de la chaleur, leçons élémentaires sur la thermométrie, la calorimétrie, la thermodynamique et la dissipation de Pénergie ». C'est encore Thomson, échangeant avec Tait des lettres où il se demande par quel nom on pourrait désigner la propriété qui signifie qu'un sys* tème matériel est bon à quelque chose et qui mesure le maximum de travail utile qu'on en pourra tirer, et, ne songeant plus, semble-t-il, à la « puissance motrice » de Carnot, proposant, sans s'y arrêter, le vocable de « motivité thermodynamique ». C'est Tait enfin, s'avisant encore d'un mot nouveau pour énoncer une idée décidément malaisée à enfoncer dans les cerveaux, et déclarant, dans une de ses conférences sur les progrès récents de la physique, que, dans toutes les transformations d'énergie, cette énergie baisse de qualité, et que, sans cesser de se conserver, elle se détériore et se dégrade.

Sous cette forme, « dégradation de l'énergie », Vidée fondamentale qu'implique le second principe de la thermodynamique se prête avec une particulière aisance à l'exposition. C'est cette forme que nous avons adoptée nous-mème dans des articles déjà anciens, puisque les premiers datent de treize ans, C'est cette forme qu'ont sanctionnée récemment les programmes de l'enseignement secondaire.

Ce n'est pas qu'il fût impossible de recourir à d'autres méthpd^s d'exposition. Peut-être vaudrait-il mieux, comme l'a proposé M* Le Chatelier, faire table rase de toutes les idées, vraies ou fausses, qu'a introduites le mot énergie, et se borner à reprendre, çn la développant et la rectifiant au besoin, Tidée fondamentale de Carnot, Il est possible de

donner de toute la thermodynamique un exposé cohérent qui repose tout entier sur la considération de la puissance motrice : le lecteur aperçoit alors d'une façon immédiate dans quelles circonstances exceptionnelles il y a conservation de la puissance motrice, et dans quels cas, au contraire, qui sont la règle, il y a diminution de cette puissance motrice. Le principe de la conservation de l'énergie ne vient plus qu'en dernier lieu, et il ne risque ni d'apparaître, comme étant le seul, ni d'être pris pour le principe de la conservation de la puissance motrice.

La méthode serait assurément excellente, s'il était possible de faire abstraction des cinquante années pendant lesquelles tout le monde s'est servi du mot énergie. Etant données les habitudes actuelles des esprits, il nous paraît préférable de prendre précisément pour point de départ la conservation de l'énergie, et d'étudier ensuite ce qui, dans l'énergie, ne se conserve pas. Ce qui ne se conserve pas, c'est l'énergie utilisable de Maxwell et de M. Gouy. Mais il nous semble préférable encore, si l'on recherche une formule simple qui se grave dans l'esprit, de parler de dégradation : conservation et dégradation apparaissent ainsi comme les deux aspects de la loi générale des transformations de l'énergie : maintien de la quantité, perte de la qualité. Si l'on ne craignait pas, à propos d'énergie, d'employer les mots de matière et de forme de l'ancien vocabulaire philosophique, on pourrait résumer la loi des transformations de l'énergie dans le vers célèbre de Ronsard :

La matière demeure et la forme se perd.

Cette double loi des transformations de l'énergie représente ainsi, par ses deux aspects, ce que l'on appelle : les deux principes de la Thermodynamique. Le premier principe 7 — ainsi désigné parce qu'il a

reçu le premier sa forme définitive, quoiqu'il ait été en réalité découvert après le second, — est le principe de V équivalence de la chaleur et du travail, ou, sous sa forme la plus générale, le principe de la conservation de V énergie. Le second principe est précisément celui dont il est question dans ce livre : c'est le principe découvert par Carnot, rectifié par Clausius, et qui, généralisé, est devenu le principe de la dissipation ou de la dégradation de l'énergie. Nous préférons parler de dégradation, parce qu'en énonçant ainsi le second principe de la Thermodynamique, nous énonçons une idée qui complète, et> si Ton veut, qui corrige, celle de conservation : mais compléter et corriger n'est pas contredire. Plus encore que les Anglais, les Français seraient choqués d'entendre proclamer simultanément la conservation et la dissipation de l'énergie. Avec le mot de dégradation, l'absence de contradiction apparaît.

Nous emploierons donc, en quelque sorte, par symétrie, pour désigner le second principe de la thermodynamique, l'expression « principe de la dégradation de l'énergie ». Mais cette symétrie de formules ne doit pas masquer une différence fondamentale. Le « premier principe » se traduit toujours par une égalité. Le second se traduit, dans le cas général, par une inégalité.

Mais cette inégalité a, pour cas-limite, une égalité. On peut trouver des circonstances où l'égalité est pratiquement atteinte. La seule chose qui soit tout à fait impossible, c'est de changer le sens de l'inégalité. Pour parler le langage de Carnot, il est des cas où la « puissance motrice » se conserve : mais comme, d'ordinaire, elle diminue, et qu'elle n'augmente jamais, elle ne saurait, au total, que diminuer.

Les cas exceptionnels où le second principe se traduit par une égalité ont une importance théorique considérable. Ils donnent prise au calcul, et per-

20 LA DÉGR^PATIOrf gs l'énbrgib

mettent de constituer fô thermpdynainique 0e$ phénomènes dans lesquels la puissance mQtrice ne diminue. pas. C'est à cette étude que l'pn s'attache surtout dans renseignement, et Ton a grandement raison; car elle fait connaître avec précision Ja limite que, dans l'utilisation pratique de nos moyens d'action sur le monde matériel, nou§ pourrons à la rigueur atteindre, mais que nous ne pourrons jamais dépasser.

Nous réserverons d'ordinaire \ç nom de principe de Carnot, à l'énoncé du second principe de la thermodynamique, dam le cas-limite qù il se traduit par une égalité; mais il nous arrivera, à l'occasion, sans que nous pensions en cela commettre une erreur, de prendre ce terme « principe de Carnot » dans un sens plus général, et comme synonyme de principe de la dégradation de l'énergie.

En quoi consiste ce principe de la dégradation de l'énergie ? Quelle est sa portée? Quelles restrictions comporte-t-il? Les découvertes modernes sur les phénomènes radioactifs ne le remettent- elles pas en question ? Est-il ou n'est-il pas compatible avec la conception cartésienne qui réduit tous les phénomènes physiques au mouvement ? Tel est l'objet du présent livre»