2 - LES MULTIPLES VISAGES DE L’ÉNERGIE
37
Toutes ces expériences et réalisations s’interprètent aujourd’hui comme des transformations en chaleur d’une énergie mécanique ou chimique, ou inversement. Pourtant, à l’époque, en l’absence du concept d’énergie, on considérait généralement
la chaleur comme l’un des quatre « fluides impondérables », appelé calorique, à
côté de la lumière, de l’électricité et du magnétisme. Ce calorique pouvait imprégner les corps matériels pesants et se conservait lors des transformations de
ceux-ci. Une telle conception du calorique en tant que fluide conservé était encore
répandue jusque vers 1840, malgré les expériences de RUMFORD et malgré la généralisation des machines à vapeur. Afin de progresser, il fallait mieux explorer les
propriétés de la chaleur et comprendre sa nature. L’histoire de cette quête, difficile, qui s’étendit tout au long du XIX
e siècle, fait l’objet du passionnant ouvrage,
The Kind of Motion We Call Heat [3]. Nous la résumons dans les deux paragraphes
qui suivent.
NAISSANCE DE LA THERMODYNAMIQUE
Au cours de la première moitié du XIX
e siècle, les découvertes se sont succédées
dans un ordre opposé à celui que nous estimons actuellement logique ou pédagogique. C’est ainsi qu’avec les études de FOURIER sur la propagation de la chaleur,
la notion de flux d’énergie, qui sous-tend la dynamique des processus irréversibles, est apparue une cinquantaine d’années avant celle d’énergie, pourtant plus
simple puisqu’elle concerne l’équilibre. Il est vrai que, pour ce problème, le flux
d’énergie pouvait encore s’interpréter comme un flux de calorique. Joseph FOURIER
(1768-1830), l’un des premiers professeurs à l’Ecole polytechnique avec MONGE
et LAGRANGE, participa à l’expédition d’Egypte, puis devint préfet de l’Isère sous
l’Empire tout en consacrant ses loisirs aux mathématiques et à la physique. A travers un impressionnant ensemble de travaux, il résolut le « problème de la chaleur » qui avait été mis au concours par l’Académie des sciences. Il parvint d’abord
à trouver les équations du problème (1811), inventa les séries dites de FOURIER
(1812) pour tenter de les résoudre, puis les intégrales de FOURIER qui lui permirent
enfin d’aboutir à une solution complète ; il publia ses résultats quelques années
plus tard (1822) sous le titre de Théorie analytique de la chaleur.
De même, la découverte de ce que nous appelons le « deuxième » principe de la
thermodynamique précéda d’une vingtaine d’années celle du « premier ». On la
doit à Sadi CARNOT (Paris 1796-1832) qui, inspiré par l’étude théorique des machines à vapeur, énonça en 1824, sous une forme déjà claire, ce principe dans ses
Réflexions sur la puissance motrice du feu et les machines propres à développer
cette puissance. Cette publication constitue l’acte fondateur de la thermodynamique. CARNOT donna en particulier une expression correcte pour le rendement des
machines à vapeur, rapport du travail fourni à la chaleur reçue de la source chaude
au cours d’un cycle. Mais il n’écrivit pas le bilan global, ne se souciant pas de la chaleur cédée à la source froide. Plus ou moins consciemment, il adhérait encore alors
à la théorie du calorique, fluide qui s’écoulerait sans perte de la source chaude vers
37
Toutes ces expériences et réalisations s’interprètent aujourd’hui comme des transformations en chaleur d’une énergie mécanique ou chimique, ou inversement. Pourtant, à l’époque, en l’absence du concept d’énergie, on considérait généralement
la chaleur comme l’un des quatre « fluides impondérables », appelé calorique, à
côté de la lumière, de l’électricité et du magnétisme. Ce calorique pouvait imprégner les corps matériels pesants et se conservait lors des transformations de
ceux-ci. Une telle conception du calorique en tant que fluide conservé était encore
répandue jusque vers 1840, malgré les expériences de RUMFORD et malgré la généralisation des machines à vapeur. Afin de progresser, il fallait mieux explorer les
propriétés de la chaleur et comprendre sa nature. L’histoire de cette quête, difficile, qui s’étendit tout au long du XIX
e siècle, fait l’objet du passionnant ouvrage,
The Kind of Motion We Call Heat [3]. Nous la résumons dans les deux paragraphes
qui suivent.
NAISSANCE DE LA THERMODYNAMIQUE
Au cours de la première moitié du XIX
e siècle, les découvertes se sont succédées
dans un ordre opposé à celui que nous estimons actuellement logique ou pédagogique. C’est ainsi qu’avec les études de FOURIER sur la propagation de la chaleur,
la notion de flux d’énergie, qui sous-tend la dynamique des processus irréversibles, est apparue une cinquantaine d’années avant celle d’énergie, pourtant plus
simple puisqu’elle concerne l’équilibre. Il est vrai que, pour ce problème, le flux
d’énergie pouvait encore s’interpréter comme un flux de calorique. Joseph FOURIER
(1768-1830), l’un des premiers professeurs à l’Ecole polytechnique avec MONGE
et LAGRANGE, participa à l’expédition d’Egypte, puis devint préfet de l’Isère sous
l’Empire tout en consacrant ses loisirs aux mathématiques et à la physique. A travers un impressionnant ensemble de travaux, il résolut le « problème de la chaleur » qui avait été mis au concours par l’Académie des sciences. Il parvint d’abord
à trouver les équations du problème (1811), inventa les séries dites de FOURIER
(1812) pour tenter de les résoudre, puis les intégrales de FOURIER qui lui permirent
enfin d’aboutir à une solution complète ; il publia ses résultats quelques années
plus tard (1822) sous le titre de Théorie analytique de la chaleur.
De même, la découverte de ce que nous appelons le « deuxième » principe de la
thermodynamique précéda d’une vingtaine d’années celle du « premier ». On la
doit à Sadi CARNOT (Paris 1796-1832) qui, inspiré par l’étude théorique des machines à vapeur, énonça en 1824, sous une forme déjà claire, ce principe dans ses
Réflexions sur la puissance motrice du feu et les machines propres à développer
cette puissance. Cette publication constitue l’acte fondateur de la thermodynamique. CARNOT donna en particulier une expression correcte pour le rendement des
machines à vapeur, rapport du travail fourni à la chaleur reçue de la source chaude
au cours d’un cycle. Mais il n’écrivit pas le bilan global, ne se souciant pas de la chaleur cédée à la source froide. Plus ou moins consciemment, il adhérait encore alors
à la théorie du calorique, fluide qui s’écoulerait sans perte de la source chaude vers