LE ZÉRO ABSOLU

L'exemple de notre moulin à vent nous conduit à cette considération nouvelle : de même que les quantités de mouvement empruntéesà la source de vitesse t; et rendues à la source de vitesse t;', sont /)rojyor/zonne//e.ç aux vitesses v et »', ne pouvons-nous pas nous çroço?»^^ àa ^^K&^mYCL^^

le terme arbitraire température, de manière que les quantités de chaleur empruntées h la source chaude et rendues à la source froide, et qui dépendent des températures de ces sources soient joro/)or^«onne//^5 à ces températures. Cette question aurait été facile à résoudre si nous n'avions pas déjà choisi une échelle dç température d'après le principe de Téquivalence ; il est vrai que cette échelle avait une origine arbitraire ; servons-nous de notre nouvelle considération pour déterminer cette origine au moyen de deux sources bien déterminées; nous constaterons ensuite que Téchelle ainsi déterminée vérifie, pour toutes les températures, la loi de proportionnalité établie pour les deux températures choisies d'abord, autrement dit, que la loi de proportionnalité dont nous venons de nous servir, s'accorde avec la définition .précédemment donnée des températures au moyen du principe de Féquivalence.

Nous avons donc maintenant une échelle de température entièrement définie (pourvu que nous ayons choisi le coefficient de proportionnalité qui fait correspondre les quantités de chaleur aux travaux équivalents). Cette échelle a une origine, un point de départ, un zéro que nous appelons le zéro absolu.

C'est à Carnot que Fon doit d'avoir montré cette relation «ntre la température des sources et la quantité de chaleur qu'elles doivent recevoir ou fournir dans une machine thermique. Si Ton appelle T la température de la source chaude et Q la chaleur qu'elle fournit, t la température de la source froide et q la chaleur qu'elle reçoit, on a l'égalité :

ou encore :

T et ^ étant les températures absolues ; en d'autres termes

la quantité de chaleur vraiment utilisée par la machine est Q — y, quantité proportionnelle à T — t; donc, dans une machine thermique à rendement parfait, le travail produit est proportionnel à la différence des températures des sources.

La comparaison que nous venons de faire avec le moulin à vent nous permet d'énoncer le principe de Carnot sous une forme pittoresque : Les températures sont de la nature des vitesses; en raisonnant sur les températures com?ne sur les vitesses on ne sera conduit à aucune contradiction^.

Cette conclusion est fort intéressante pour le biologiste; déjà en mécanique nous avons vu que la principale qualité hmiaine du mouvement, c'est la vitesse ; ce que nous sentons devant un mouvement, ce sont des vitesses et des variations de vitesse; en acoustique, la principale qualité du son, la hauteur^ est caractérisée par la vitesse du mouvement vibratoire; voici que dans le canton thermique, nous faisons une remarque analogue : la température, qualité humaine de la chaleur, est de la nature des vitesses; si Ton accepte les théories actuelles de loptique, la couleur est également caractérisée par une vitesse de mouvement vibratoire ou, tout au moins, par une vitesse dans des changements périodiques d'état électrique... En résumé, la qualité humaine de lactivité extérieure, au moins dans les cantons que nous venons de passer en

1. Dans cette comparaison, la température du zéro absolu correspondrait à une vitesse nulle ; on peut se demander ce que veut dire le mot vitesse nulle, dans l'exemple de notre moulin à vent, puisque nous ne connaissons que des mouvements relatifs ; il n'en est plus de môme quand il s'agit d'un mouvement vibratoire ; là le mot vitesse nulle a une signification bien précise ; nous verrons précisément tout à l'heure que, quand on a voulu imaginer un modèle mécanique de l'activité thermique, on a cherché à la comparer au mouvement vibratoire dont le son nous a donné un premier type.

revue, c'est la vitesse. Nous connaissons surtout des vitesses ! Cette remarque ne doit pas s'appliquer à l'homme seul, mais à tous les êtres vivants ; il est en effet fort compréhensible que la notion de vitesse soit une conséquence de la propriété de mémoire, conséquence elle-même de l'assimilation, et par laquelle les êtres vivants se distinguent des corps bruts.

LES QUALITÉS d'ÉNERGIE

Dans la pratique, nous constatons que tous les systèmes destines à « transformer de la chaleur en travail mécanique » n'effectuent pas cette transformation intégralement ; c'est comme si le moulin à vent dont nous parlions tout à l'heure, acquérait, du fait du vent, une certaine vitesse v'' plus grande que v' ; nos machines à transformer la chaleur en travail 'à' échauffent nécessairement, ou, tout au moins, si on prend la précaution de les refroidir sans cesse, restituent à l'extérieur, sous forme de chaleur, non seulement la quantité de chaleur qu'elles doivent rendre à la source froide en vertu du principe de Carnot, mais encore une autre quantité de chaleur qui représente, pour employer le langage courant, une partie non utilisée de Vénergie utilisable fournie à la machine.

Cette remarque doit se généraliser même quand Ténergie fournie à une machine est purement de l'énergie mécanique, les machines les plus parfaites n'arrivent jamais, dans la pratique, à en rendre Téquivalent total sous forme de travail utilisé ; il y a toujours transformation d'une partie de cette énergie en chaleur; il y a échauffement de l'appareil par les frottements ; et si l'on se souvient que les traités actuels considèrent la chaleur comme une forme inférieure de l'énergie, on comprendra que ces mêmes ouvrages racontent, comme il suit, le phénomène que nous venons de signaler : « Il y a tou-

LES SOURCES DE CHALEUR ET LE PRINCIPE DE CARNOT Ht

jours dégradatioti d'une partie de Ténergie fournie à une machine; la machine la meilleure est celle où cette dégradation est le plus soigneusement évitée. »

Réfléchissons un peu aux conséquences de cette particularité. Supposons que, dans un système isolé, nous connaissions, à un certain moment, toute Ténergie thermique et toute l'énergie mécanique, et voyons de quelle nature seront les changements qui peuvent intervenir dans ce système. D'abord, il est évident que la partie utilisable de l'énergie thermique du système considéré dépendra de la température la plus basse réalisée dans ce système, ou plutôt des différences qui existent entre les températures plus hautes et les températures plus basses de ce svstème.

Considérons une partie de ce système qui joue le rôle de machine thermique ; son fonctionnement transformera une partie de l'énergie thermique en énergie mécanique; si cette transformation était totale, l'énergie mécanique ainsi obtenue pourrait ensuite ôtre transformée réciproquement en énergie thermique et restituer intégralement la quantité précédemment dépensée d'énergie thermique; on pourrait concevoir le retour au point de départ. Mais une partie de l'énergie thermique fournie ne réapparaît pas sous forme mécanique; elle réapparaît sous forme d'énergie thermique, par l'échauffement de la machine.

On pourrait conclure de là que rien n'est perdu, puisque toute l'énergie thermique fournie se retrouve, soit sous forme mécanique, sois sous forme thermique, et c'est en effet là le principe de la conservation de l'énergie.

Mais, arrêtons-nous un instant à cette quantité d'énergie thermique empruntée à la source chaude et qui se retrouve sous forme d'énergie thermique; elle se retrouve en quantité égale à celle dont elle provient, mais sous une forme différente, ou, si vous voulez à iitie \ft.\sv^4s^^\5xv5:,

moyenne moi?is élevée; et par conséquent (même en admettant que, dans Topération considérée, la température la plus basse du système étudié n'ait pas monté), la partie de <3ette quantité d'énergie thermique qui, en vertu du principe de Carnot, est utilisable dans le système considéré <i diminué.

Ainsi donc, chaque fois qu'il se produit un travail mécanique quelconque dans le système isolé considéré, quoique l'énergie totale du système ne puisse pas changer, il y a une partie de cette énergie totale qui perd de sa valeur utilisable dans- le système.

Jean Perrin a montré que le principe de Carnot peut <^tre considéré comme un principe d'^î;o/^//20/i; la remarque que nous venons de faire va nous permettre d'appliquer à l'évolution d'un système le langage de la sélection naturelle.

Quand un enfant s'introduit un épi d'orge dans la manche, les barbes tournées vers l'extérieur, il sait prévoir à l'avance que cet épi d'orgè montera vers son aisselle; pourquoi? Il ne dirige aucunement dans ce but les mouvements de son bras, mais il sait que, parmi ces mouvements, ceux qui tendraient à faire redescendre Tépi seront annulés par la résistance des barbes; au contraire, ceux qui tendront à le faire monter, le feront effectivenient monter; il y aura sélection naturelle des mouvements ascendants et de ceux-là seulement ; l'épi montera.

De même, dans un système isolé, il y aura deux sortes de phénomènes ; les uns auront pour résultat de diminuer la valeur utilisable dans ce système^ d'une partie de l'énergie du système; les autres transformeront une autre partie de celte énergie sans changer sa valeur utilisable et par conséquent ne détruiront pas lefTet des premiers ; de sorte que l'on constatera somme toute, au sujet de l'énergie totale du système, uniquement des variations /lans le sens de la dimiiiution de l* énergie utilisable.

On a imaginé une fonction mathématique des éléments d'un système isolé, Vent7'opie^ qui varie en sens inverse de Ténergie utilisable de ce système, et on s'en est servi pour énoncer des principes philosophiques plus ou moins acceptables. Je n'entrerai pas ici dans ces considérations qui exigent l'emploi d'un appareil mathématique considérable.

J'ai fait remarquer avec soin, qu'il s'agit de l'énergie utilisable dans un systèîuc donné ; cette énergie utilisable dépend de la température la plus basse réalisée dans le système, température qui doit monter petit à petit pendant que baissent les températures les plus élevées; ainsi l'on constate simplement une tendance à l'uniformisation des températures dans un système isolé.

Mais si Ton met ce système isolé en communication avec un autre système à température plus basse, une nouvelle quantité d'énergie redeviendra utilisable ; seulement, notre théorème précédent deviendra applicable à l'ensemble de nos deux systèmes ; l'énergie utilisable do l'ensemble de ces deux systèmes ira en décroissant et ainsi de suite...

Ce qui donne de l'importance à ces constatations, c'esl, nous l'avons vu, que la vie de l'homme occupe une place déterminée dans l'échelle des températures. Les sources froides qui sont disponibles à la surface de la Terre sont limitées comme importance et comme température, mais, puisque nous avons eu la notion du zéro absolu, nous pouvons dire que si nous avions à notre disposition une source froide inépuisabrle et ayant la température du zéro absolu, toute l'énergie thermique serait utilisable ; seulement l'utilisation de cette énergie thermique abaisserait la température moyenne et rendrait la vie impossible...

En réalité quand nous nous basons sur le théorème de Carnot pour déclarer que l'énergie thermique est de qualité inférieure nous abusons de ce q^ue uow^ ^nqtw^ A^

la température, une notion plus absolue que celle que nous possédons de la vitesse, par exemple, à cause de la place de la vie dans Téchelle des températures.

Supposons que nous connaissions la vitesse de la terre dans un certain système d'axes ; nous pourrions affirmer que, par rapport à un autre astre doué d'un mouvement parallèle (comme dans l'exemple du moulin à vent) la quantité de mouvement utilisable du système des deux astres formant une machine serait proportionnelle à la différence de leurs vitesses ; et si la terre communiquait un peu de sa vitesse à l'autre astre, cela diminuerait l'énergie utilisable du système ; les deux astres finiraient par avoir même vitesse et alors l'énergie" utilisable du système deviendrait nulle (en tant qu'il s'agit de l'énergie résultant de la différence des deux vitesses). Le langage serait parallèle à celui de la thermo-dynamique.

Défions-nous donc des conséquences philosophiques que Ton a tirées de la considération du principe de Carnot et de rinégalité de Clausius ; nous y tenons compte de la nature des phénomènes vitaux de l'homme ; c'est de l'anthropomorphisme.

Je résume en quelques lignes ces considérations déjà trop longues.

Le principe de l'équivalence nous a permis de donner une définition précise et impersonnelle des différences de température ;

Le principe de Carnot nous a permis de donner une origine à l'échelle des températures ainsi définie, autrement dit, de définir le zéro absolu. Si nous avons choisi un coefficient d'équivalence égal à l'unité, de manière que le nombre qui mesure une quantité de chaleur soit le même que celui qui mesure le travail équivalent, notre échelle des températures est entièrement définie dans son origine et dans sa graduation.

Pratiguement, dans de grandes limites de température,

la définition par Téquivalence correspond à la graduation du thermomètre à gaz hydrogène, ce qui nous fait connaître une propriété précieuse de ce gaz ; nous sommes conduits à définir, à ce point de vue, gaz parfait un gaz qui ne s'écarte jamais, dans ses indications thermométriques, de la graduation basée sur Téquivalence ; nous faisons également correspondre ce gaz à notre origine basée sur le principe de Carnot; nous définissons le absolu, par la condition que la pression d'un volume constant de gaz parfait devienne nulle, ce qui aurait une signification précise dans la théorie cinétique des gaz.

Ainsi, la température étant définie en fonction de données précises de la mécanique, par le principe de Carnot et le principe de Téquivalence, le canton thermique se trouve recouvert par celui de la vision des formes.