LA SCIENCE DE L'ÉNERGIE

Nous venons de voir les difficultés que l’on rencontre quand on veut préciser la notion d’explication mécanique des phénomènes naturels. Quoi qu’il en soit de ces difficultés, le désir impérieux de chercher de telles explications a été, pour le développement de la science, un stimulant d’une très grande fécondité; nous nous en rendrons compte quand nous jetterons un coup d'œil sur les progrès récents de l'optique et de l'électricité. On se priverait incontestablement d’une arme puissante en renonçant à ces tentatives d'explications mécaniques qui ont rendu tant de services. Il faut, toutefois, reconnaitre que, dans plusieurs cas, les contradictions et les bizarreries de quelques théories ont amené une sorte de découragement, etque les savants d'aujourd'hui n’ont plus, à ce point de vue, l’enthousiasme des physiciens géomètres de la première moitié du siècle dernier. Il a pu même paraître à quelques-uns qu’il était étrange d’expliquer le connu par l'inconnu, le visible par l’invisible, d'imaginer

par exemple, comme on l’a dit, un éther que nul œil humain ne verra jamais. Une telle accusation est justifiée, si on: prend le mot d'explication dans le sens où il a été longtemps employé; mais elle perd de sa force si on ne cherche dans une explication qu’une image utile.et féconde, et si on n’a pas la prétention d’atteindre la réalité, comme je lai déjà dit bien des fois. La science peut suivre à la fois des voies diverses, et la multiplicité des points de vue est non seulement légitime, mais indispensable.

Ceci dit, certaines lois ou hypothèses physiques, qui ne sont que la généralisation de faits observés, jouent aujourd’hui un rôle essentiel; ciles ont pour objet d'établir des relations numériques définies entre des grandeurs directement mesurables. Parmi ces lois, celles de l’énergétique sont fondamentales dans la science de notre époque. La thermodynamique a été, en quelque sorte, l’embryon de l'énergétique, qui la comprend comme cas particulier ; deux noms dominent la thermodynamique, ceux de Mayer et de Carnot, et des deux le plus grand est assurément celui de Sadi-Carnot, précurseur prodigieux qui, par ses vues géniales, devança considérablement son temps. La fécondité, dans toutes les parties de la physique, du principe de la conservation de l'énergie a été surtout mise en évidence par Helmholtz et par lord Kelvin. Dans chaque cas particulier on est amené à définir ce que l’on entend

par énergie : c’est ainsi qu’on distingue les énergies mécanique, calorifique, électrique, chimique, radiante, etc., énergies qui se présentent, en général, sous la forme -d’un produit de deux facteurs. Avec les formes d’énergie jusqu'ici cataloguées, si je puis dire, le principe de la conservation est vérifié pour tous les phénomènes connus, et le fait que l’on a eu seulement besoin d’introduireun nombre très limité de formes d’énergie constitue la grande importance de cette loi fondamentale. Sous sa forme générale, le principe de l'énergie exprime que les différentes formes de l’énergie interne, la force vive sensible, le travail accompli et l'énergie cédée (sous forme calorifique, électrique, magnétique, etc.)se transforment les unes dans les autres de manière à avoir une variation totale égale à zéro. La notion d'énergie interne est capitale; s’il n’y a en jeu que des énergies mécaniques et calorifiques, l’énergie interne est une fonction de la disposition relative des différentes parties du système et de leur état physique et chimique. On devra peut-être un jour introduire d’autres formes d’énergie que celles jusqu'ici considérées, et alors en un certain sens on pourrait être tenté de regarder le principe de la conservation de l'énergie comme une définition ; mais il est clair que si, pour satisfaire à cette définition, il fallait envisager un trop grand nombre de formes d'énergie, le principe cesserait d'exister pour le physicien qui n’en pourrait rien tirer. Quoique nos idées sur la conservation

de l’énergie aient leur origine historique dans le théorème des forces vives de la mécanique rationnelle et qu’un lien se soit trouvé ainsi établi entre la mécanique rationnelle et la physique, ces premiers points de vue sont généralement abandonnés aujourd'hui. L'expérience reste le seul guide dans celte question pour chaque forme d'énergie. Il y a un équivalent mécanique de la chaleur, mais il n’y a pas d’équivalent de l'électricité, car la même quantité d’électricité produit, suivant les circonstances, un travail très différent ; il y a, par contre, un équivalent mécanique de l'énergie électrique.

Pour toute une école de savants, l'énergie n'est pas seulement une conception abstraite sans existence réelle; elle a pour eux, comme la matière, plus peut-être que la matière, une existence objective, et nous ne pouvons ni la créer ni la détruire. . De l’équivalence des différentes formes de l'énergie peut-on conclure à leur identité ? La question, pour l’expérimentateur, n’a pas de sens; c’est un peu, comme si on demandait si deux corps sont identiques parce qu’ils ont le même poids. La question pour l'énergie est plus singulière encore que pour la matière, et chacun peut y répondre diversement suivant ses vues théoriques.

Le déplacement de l'énergie est la condition essentielle de l’existence des phénomènes; or toutes les formes connues de l’énergie ont une tendance à se transformer en énergie calorifique, qui se présente

comme la forme la plus stable. Ainsi, on peut transformer entièrement du travail mécanique en chaleur versée dans une même source, mais 1l n’est pas possible de réaliser la transformation inverse. D’abord, le principe dé Carnot nous apprend qu’une certaine quantité de chaleur ne peut abandonner une source pour se transformer entièrement en travail, ce qui suffit déjà à montrer dans la chaleur une forme inférieure de l'énergie; toutefois, si la transformation est réversible, il y a une sorte de compensation puisque, si une partie de l’énergie est dégradée, une autre se trouve élevée. Mais, quand la transforma-

tion est irréversible, il y a une dégradation définitive sans compensation. Ainsi, dans un système soustrait à

toute action extérieure et passant par voie irréversible d'unétat à un autre, la quantité d'énergie est bien constante, mais la quantité d’énergie utilisable par nous pour produire du travail diminue : la qualité de l’énergie a diminué. Un tel résultat est produit par le frottement qui rend une transformation irréversible, par des chutes de chaleur par conductibilité ou rayonnement. entre les diverses parties du système, par la résistance des conducteurs dans la propagation de l'électricité, par l’hystérésis danslesphéuomènes magnétiques,elc. Dans son bel ouvrage surles principesdelachimie phy- sique, M. Perrin, regarde avec M. Langevin, le principe de Carnot comme un principe d'évolution etl’énonce en disant qu'un système isolé ne passe jamais deux fois par le même état. On tend d’ailleurs de plus en plus aujour-

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d’hui à regarder, conformément aux idées de Boltzmann et de Gibbs, le principe de Carnotcomme une loi de prebabilités’appliquantà des systèmes suffisamment complexes,et d'ailleurs pendantun temps qui n’est pas trop long. Il y aura doncdes casoüilfaudral’appliquer avec prudence, et il est clair que, dans ces conditions, il faut se garder de généralisations hasardeuses.

Aussi, tout en admirant l'imagination de Clausius et de lord Kelvin et en réservant pour le savant le droit d’être poète à son heure, faut-il ne pas accepter sans réserve les conclusions philosophiques que les deux grands physiciens ont déduites par une gigantesque extrapolation de la loi de la dégradation de l'énergie. Il est exagéré de déduire de principes expérimentaux, dont les vérifications sont bien limitées, des vues générales sur l'avenir de l'Univers. Disons seulement que la thermodynamique n’est pas en opposition avec cette idée que l'Univers marche fatalement dans un sens déterminé, les énergies utilisables s’usant incessamment. Des êtres aux facultés plus aiguisées que les nôtres pourraient-ils s'opposer à cetle dissipation de l'énergie? Sauraient-ils agir sur les variables cachées de manière à faire machine en arrière ? Il leur faudrait la subtibilité du petit démon de Maxwell qui pouvait suivre les molécules dans leurs courses.

Cette dégradation est-elle compatible avec une explication mécanique ? C’est-un point que j'ai examiné plus haut et sur lequel je n'ai rien à ajouter ; pour M. Boltzmann, le principe de Carnot,

sans. être identique au principe de la moindre action, présente avec lui une certaine analogie. si des tentatives comme celles d’'Helmholtz et de 3oltzmann sont d’un grand intérêt pour les géomètres, il faut reconnaitre que beaucoup de physiciens s’en désintéressent aujourd’hui. Pour plusieurs d’entre eux, les équations de la physique sont des relations quantitatives entre des grandeurs, dont on ne dit pas si elles sont ou non qualitativement irréductibles. J'ai déjà écrit plusieurs fois le mot de qualité. Le principe cartésien que tout, dans le monde matériel, s'explique par l'étendue et le mouvement, serait-il abandonné aujourd'hui? Il semblerait que oui, au moins partiellement, quand on entend dire que la chaleur est une forme dégradée de l'énergie. Mais il ne faut pas oublier que qualité et dégradation sont choses relatives à nos possibilités d’action. Nous nous sommes arrêté tout à l'heure sur le mot d’explication mécanique; il a des malléabilités infinies, et nous avons dit qu’on peut donner à la notion du mécanisme un sens très large permettant de concilier bien des contradictions.

La thermodynamique à été l’origine de l’énergétique; aussi celle-ci, à sa naissance, a-t-elle été envahie par un certain nombre de points de vue spéciaux à la thermodynamique, et règne-t-il encore aujourd’hui quelque confusion dans l'exposition des principes généraux de l’énergétique. Depuis quelques années, à la suite des travaux de Gibbs et de

Helmholtz, le rôle d’une fonction importante, le potentiel thermodynamique, a été mis en lumière par divers physiciens, parmi lesquels je dois citer tout particulièrement M. Duhem. Ce potentiel thermodynamique donne la mesure de ce que Carnot appelait la puissance motrice. En France M. Le Chatelier, en Allemagne MM. Meyerhofer et Ostwald reprennent aujourd’hui les points de vue de Carnot en partant de la notion de la puissance motrice, c'est-à-dire de l’aptitude de chaque phénomène à exercer une action sur le monde extérieur; c’est aussi ce que Helmholtz appelait l'énergie libre. Une définition générale est ici impossible comme pour l'énergie, mais, dans chaque cas particulier, on reconnait que, si deux systèmes de corps sont en présence, il y a échange d’une certaine propriété qui est perdue par l’un des systèmes et gagnée par l'autre, celle de pouvoir se transformer directement, soit isolément, soit en provoquant dans un autre système une transformation -inverse; c’est celte propriété qu'on appelle la puissance motrice.

On peut énoncer à ce sujet quelques lois générales. On a d’abord la loi de conservation de la capacité de puissance motrice d’après laquelle, dans toute dépense de puissance motrice, il y à une fonction de changements corrélalifs de même nature qui reste constante, fonction que fait connaître l’expérience; il n’en est pas ainsi, toutefois pour la chaleur, qui constitue une exception parmi les diverses

espèces de puissance motrice. Une seconde loi de l’'énergétique consiste dans l’impossibilité de créer de la puissance motrice sans en dépenser ailleurs . elle est la généralisation de l'impossibilité du mouvement perpétuel. Enfin, d’après une troisième loi générale, il est impossible de détruire de la puissance motrice sans créer de la chaleur : c’est, au fond, la -loi de Joule. On comprend d’ailleurs que les principes expérimentaux auxquels on rattache les lois générales de l’énergétique puissent être choisis de différentes façons, et à cet égard les intéressants travaux de M. Mouret et du commandant Ariès mé-

ritent d’être cités. ie

Il-importe aussi de prévenir toute illusion sur le degré d'utilité à tirer des lois générales de l’énergétique. Leur utilité est en quelque sorte qualitative, elle consiste à prévoir le sens d'un phénomène et à déduire d’une première loi trouvée expérimentalement une proposition réciproque; par exemple, de l’électrisation des cristaux hémièdres par compression, M. Lippmann déduit la déformation des cristaux produite par l'influence électrique. Mais, pour avoir des évaluations quantitatives, il faudra faire intervenir des lois spéciales aux phénomènes étudiés; ce n’est qu'ainsi que la science de l’énergie peut être féconde. Nous en verrons de nombreux exemples en analysant les principaux chapitres de la physique, de la chimie et de la physico-chimie.

On a pu voir dans ce chapitre les deux principales

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tendances entre lesquelles se partagent aujourd’hui les savants qui étudient la nature inanimée, depuis les théoriciens qui cherchent les explications mécaniques jusqu'aux expérimentateurs qui se méfient des notions abstraites et supprimeraient même avec plaisir le mot d’entropie du vocabulaire scientifique. Ces tendances extrêmes sont radicalement opposées dans leur esprit, mais pratiquement il y a entre elles bien des ponts, et, dans la recherche, le partisan le plus convaincu de l'énergétique purement expérimentale n'hésite pas à faire parfois certaines représentations dont le caractère est en désaccord avec ses propres idées. Cela est fort heureux; ce n’est qu’en adoptant des points de vue divers, quelquefois opposés, que les sciences progressent. Ne mutilons pas l'esprit humain dans la tâche immense qu'il a à accomplir. Nous allons retrouver ces directions diverses dans tout le développement des sciences physico-chimiques.