PRÉFACE

Thermodynamique, ni dispenser de recourir aux multiples ouvrages qui existent sur la matière. Elles ne sont qu’une introduction qui pourra, je l'espère, être utile aux jeunes physiciens.

La première édition autogra'phièe de ces Leçons a été rédigée par MM. A. Cadot, A. Renault et E. Mathias ; la rédaction actuelle, qui diffère en beaucoup de points de la précédente, est due à MM. E. Mathias et A. Renault.

G. Lippmann.

Paris , 10 août 1888

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INTRODUCTION

Objet de îa Thermodynamique. — La Thermodynamique est la partie de la physique qui traite des relations entre le travail mécanique, d’une part, et les quantités de chaleur ou les températures, d'autre part, indépendamment de toute hypothèse sur la nature de la chaleur.

Elle repose sur deux lois générales fondées sur l'expérience, et que l’on appelle le Principe de V Équivalence et le Principe de Carnot ;e île a pour objet d’établir ces deux principes et d’en faire l’application.

La Thermodynamique est doue une science fondée sur l’expérience. Il convient, à ce point de vue, de la distinguer de la Théorie mécanique de la chaleur. Cette dernière théorie part de l’hypothèse que la chaleur résulte d’un mouvement moléculaire des particules des corps, et en tire comme conséquences les lois mêmes qu’étudie la Thermodynamique.

Son importance. — Bien qu’elle soit de création récente, la Thermodynamique a pris une place considérable dans l’étude des sciences. En physique, elle a permis de prévoir ou d’expîi- -querun grand nombre de’phénomènes ; en chimie, en astronomie, en physiologie,.., elle a donné lieu aux applications les

plus variées. Actuellement, elle constitue le lien le plus général entre les diverses sciences expérimentales.

ïdêos des anciens sur la nature de la chaleur, — La Thermodynamique n’était pas connue des anciens ; ils n'étudiaient la chaleur qu’en elle-même, sans s’occuper du travail mécanique qu’elle pouvait fournir.

Voyant le feu détruire les corps avec production de flamme, ils considéraient la chaleur comme un mouvement. A l’époque de la Renaissance, Bacon appliquait à la chaleur les règles qu'il dormait pour l’étude expérimentale des phénomènes ; il en concluait que la chaleur est un mouvement (Novum organum).Les physiciens de la fin du xviii* siècle se préoccupaient aussi de la nature de la chaleur, ils la considéraient comme un mouvement. Mais' à cette époque survînt la découverte des principaux gaz et des propriétés générales des fluides. Les fluides hypothétiques devinrent à la mode et furent hardi ment

les gaz nouvellement découverts ; Stahi imagina la théorie du phlogistique : la chaleur qui accompagne les réactions chimiques fut assimilée à un fluide mis en liberté. — La conception du fluide calorifique s’accordait bien d’ailleurs avec les résultats des expériences calorimétriques du physicien anglais Black. Dans les expériences de mélanges, le fluide calorifique s’écoulait d’un corps sur l’autre de façon que la quantité totale de calorique des divers corps mis en présence était constante.

D’autre part, on remarqua que le frottement dégage de la chaleur. Rumford, à la fonderie de canons de Munich, parvint à produire et à entretenir l'ébullition de l’eau en utilisant le dégagement de chaleur qui accompagne le forage des

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canons. Les partisans de l’hypothèse des fluides pensèrent que îe fluide calorifique était fourni par la limaille dont la capacité calorifique était moindre que celle du bronze du canon; mais on trouva que la capacité de la limaille pour la chaleur était presque égale à celle du bronze ; de plus, en

frottant indéfiniment on pouvait recueillir indéfiniment de la chaleur, et la quantité de limaille, produite n’était pas proportionnelle à la chaleur recueillie.

D’ailleurs, Davy transforma bientôt l’expérience de Rumford en une autre analogue, mais impossible à expliquer par une diminution des capacite's calorifiques. Il frotta l’un contre l’autre deux morceaux de glace : la chaleur dégagée par le frottement déterminait la fusion de la glace. Le corps produit, Feau, a une capacité calorifique deux fois plus grande que celle de la glace ; l’explication donnée pour l’expérience de Rumford était donc inacceptable. G’est à la suite de cette expérience que Davy revint à Fopinion que la chaleur est un mouvement.

Introduction de la notion du tr&yail mécanique dans les sciences physiques. — « On retombait toujours sur la même conception, mais sans aller plus loin, c’est-à-dire sans en tirer des lois nouvelles, il semble, lorsque nous lisons les travaux de Davy et de ses contemporains avec nos connaissances actuelles, que ces physiciens n’avaient qu’un pas de plus à faire pour créer la Thermodynamique. En réalité, ils en étaient bien éloignés; il leur manquait une idée. Jl leur eut. fallu introduire dans la physique, à la place de la conception du mouvement moléculaire, le travail mécanique qui est une grandeur mesurable expérimentalement. Les géomètres seuls faisaient usages de la notion du travail j Sadi Carnot

imagina de l’introduire dans la physique ; ce fut là le point de départ de la physique moderne.

Sadi Carnot, frappé de l’importance des machines à vapeur, pose d’une manière méthodique et générale le problème des relations de la chaleur et du travail (1824). Il ne cherche plus, comme ses devanciers, ce qu’est la chaleur, mais il se demande quelles sont les conditions pour qu’on puisse obtenir un maximum de travail en dépensant une quantitée donnée de chaleur. Dans son mémoire : Réflexions sur la 'puissance motrice du feu et sur les machines propres à la développer Sadi Carnot résout par des méthodes originales le problème qu'il s’était posé. On cherchait alors à savoir si la puissance motrice du feu était limitée ; on poursuivait ce but, de produire une quantité peut-être indéfinie de travail avec une quantité finie de combustible, au moyen de machines convenablement disposées; Sadi Carnot montra l’impossibilité du problème ainsi conçu, et énonça la loi qui porte son nom, loi dont on a fait le second principe de la Thermodynamique. Des notes posthumes publiées à la fin de T ouvrage de Sadi Carnot, réédité en 1878 (1), montrent de la façon la plus nette qu’il

(1) Dans les notes inédites publiées à la fin de l’ouvrage de Sadi Carnot: Réflexions sur la puissance matrice du feu, réédité en 1873, chez Gauthier- Villars, Paris, on trouve cette phrase, page 95 : D'çiprès quelques idées que je me suis formées sur la théorie de la chaleur, la production d'une unité de force motrice nécessite la destruction de 2.70 unités de chaleur. La notion d’équivalence est là tout entière. L’unité de puissance motrice ou dynamie représentait pour Carnot le poids d’un mètre cube d’eau élevé à un mètre de hauteur ; si l’on calcule l’équivalent mécanique de la chaleur, d’après ces nombres, on trouve

nombre évidemment trop faible. Carnot s’était proposé de vérifier par

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était arrivé aussi à la notion de l’équivalence entre la chaleur et le travail mécanique. Ainsi le simple fait d’introduire dans la science la considération du travail mécanique avait amené Carnot à la découverte de la Thermodynamique tout entière. Aussi, est-ce avec justice que Sir W. Thomson a pu écrire que, dans toute l’étendue du domaine des sciences, il n’y a rien de plus grand, à son avis, que l’œuvre de Sadi Carnot. En réalité, Carnot, arrête par la mort, ne fit point connaître la notion de l’équivalence entre la chaleur et le travail mécanique. L’honneur de cette découverte-était réservé à un médecin allemand, Mayer, qui était arrivé de son côté à la même conception que Carnot, en recherchant ce que devenait le travail absorbé dans l’acte du frottement (1842). Plus tard, en 1847, Helmholtz généralisa cette notion de l’équivalence entre la chaleur et le travail mécanique, et en fit le principe de la conservation de l'énergie.

Dans l’exposition des principes de la Thermodynamique, nous commencerons par le principe de l’Equivalence.

l’expérience ses idées Ihéoriauas; il avait projeté toute une série d’expériences qui sont précisément celles que divers expérimentateurs ont faites depuis, comme on peut s’en rendre compte en se reportant â l’ouvrage déjà indiqué.

PRINCIPE DE L’EQUIVALENCE

Les expériences de Rumford et de Davy, citées plus haut, montrent que le travail mécanique peut se transformer en chaleur. Mais elles n’indiquent pas suivant quelle loi cette transformation s’effectue. Dans le but de combler celte lacune, une foule d’expériences ont été tentées, qui ont conduit à formuler la loi suivante.

Principe de Féquivalence. — Quel que soit le système employé pour transformer le travail en chaleur , ou la chaleur en travail , il y a un rapport constant entre la quantité de travail et la quantité de chaleur qui interviennent dans une série quelconque de transformations , pourvu que l'état final du système soit identique à l'état initial.

La constante de proportionnalité s’appelle X équivalent mécanique delà calorie , ou, plus improprement, de la chaleur. Nous la désignerons par E. Si £ est Je travail dépensé, et Q la quantité de chaleur produite, on a

Détermination de E. — Les expériences qui servent à déterminer E sont de nature différente suivant :

1° Que du travail est détruit et transformé en chaieur ;

2° Ou bien que de la chaleur est absorbée et qu’un travail correspondant en résulte.

PRINCIPE E»E l/ÉQUÏVALENCE