2 - LES MULTIPLES VISAGES DE L’ÉNERGIE
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énergie mécanique communiquée sous l’effet de collisions, un apport de chaleur
à la transmission aux molécules d’une énergie cinétique désordonnée. Pour les
matériaux plus condensés que les gaz, l’énergie d’interaction à l’échelle microscopique entre particules constitutives n’est plus négligeable comparée à leur énergie cinétique, et l’énergie macroscopique totale s’identifie à l’énergie mécanique
microscopique, somme des énergies cinétique et d’interaction des particules.
Le premier principe de la thermodynamique traduit donc la constance au cours
du temps de l’énergie microscopique, grandeur qui a une expression simple en
fonction des positions et vitesses des particules constituant le matériau. La théorie
cinétique a ainsi abouti à une importante simplification et à un retour en arrière surprenant : en passant à l’échelle microscopique, on n’a plus besoin que de concepts
de mécanique analytique ; l’énergie totale s’identifie à la valeur, conservée, du
hamiltonien microscopique.
Le deuxième principe exprime que l’état d’équilibre final d’un système est le plus
désordonné, à l’échelle microscopique, parmi ceux que le système puisse atteindre, ce désordre étant mesuré par l’entropie, grandeur statistique. La notion de
chaleur, que l’on avait mis si longtemps à dégager et qui était indispensable pour
exprimer à notre échelle la conservation de l’énergie, s’évanouit à l’échelle microscopique, où la chaleur n’est qu’une partie (désordonnée) de l’énergie mécanique
totale.
Aujourd’hui, cette explication des concepts et principes de la thermodynamique
paraît naturelle, mais il faut souligner qu’elle ne s’est imposée qu’au XX
e siècle.
Malgré sa notoriété, BOLTZMANN allait à contre-courant de la science de son temps
et dut lutter rudement pour défendre ses idées. En effet, la physique du continu
triomphait alors avec la thermodynamique, l’électromagnétisme, la dynamique des
fluides ou l’optique. L’atomisme apparaissait comme une hypothèse hasardeuse
dénuée de fondement expérimental : les observations décisives de Jean PERRIN
datent de 1908, et même des chimistes comme BERTHELOT refusaient de considérer une réaction chimique comme un réarrangement d’atomes en molécules.
Au cours du XX
e siècle, le développement de la physique statistique quantique
permit de généraliser, d’abord aux propriétés énergétiques du rayonnement électromagnétique (PLANCK, 1900 ; EINSTEIN, 1904) puis aux solides et à tout système
matériel, les idées initiées par la théorie cinétique des gaz. En conséquence, les
bases de la thermodynamique, autrefois érigées en principes fondamentaux autonomes, n’apparaissent plus aujourd’hui que comme de simples conséquences
à notre échelle des lois, elles-mêmes simples, de la microphysique. En principe,
les propriétés macroscopiques des processus dynamiques hors d’équilibre et les
lois de comportement des divers matériaux découlent aussi de la physique microscopique. Les constituants élémentaires d’un matériau sont si nombreux qu’ils
ne peuvent être étudiés que par des méthodes statistiques ; cependant, ce grand
nombre permet d’effectuer à notre échelle des prévisions quasi certaines, ce
qui confère à la théorie son caractère déterministe malgré les probabilités sous-
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énergie mécanique communiquée sous l’effet de collisions, un apport de chaleur
à la transmission aux molécules d’une énergie cinétique désordonnée. Pour les
matériaux plus condensés que les gaz, l’énergie d’interaction à l’échelle microscopique entre particules constitutives n’est plus négligeable comparée à leur énergie cinétique, et l’énergie macroscopique totale s’identifie à l’énergie mécanique
microscopique, somme des énergies cinétique et d’interaction des particules.
Le premier principe de la thermodynamique traduit donc la constance au cours
du temps de l’énergie microscopique, grandeur qui a une expression simple en
fonction des positions et vitesses des particules constituant le matériau. La théorie
cinétique a ainsi abouti à une importante simplification et à un retour en arrière surprenant : en passant à l’échelle microscopique, on n’a plus besoin que de concepts
de mécanique analytique ; l’énergie totale s’identifie à la valeur, conservée, du
hamiltonien microscopique.
Le deuxième principe exprime que l’état d’équilibre final d’un système est le plus
désordonné, à l’échelle microscopique, parmi ceux que le système puisse atteindre, ce désordre étant mesuré par l’entropie, grandeur statistique. La notion de
chaleur, que l’on avait mis si longtemps à dégager et qui était indispensable pour
exprimer à notre échelle la conservation de l’énergie, s’évanouit à l’échelle microscopique, où la chaleur n’est qu’une partie (désordonnée) de l’énergie mécanique
totale.
Aujourd’hui, cette explication des concepts et principes de la thermodynamique
paraît naturelle, mais il faut souligner qu’elle ne s’est imposée qu’au XX
e siècle.
Malgré sa notoriété, BOLTZMANN allait à contre-courant de la science de son temps
et dut lutter rudement pour défendre ses idées. En effet, la physique du continu
triomphait alors avec la thermodynamique, l’électromagnétisme, la dynamique des
fluides ou l’optique. L’atomisme apparaissait comme une hypothèse hasardeuse
dénuée de fondement expérimental : les observations décisives de Jean PERRIN
datent de 1908, et même des chimistes comme BERTHELOT refusaient de considérer une réaction chimique comme un réarrangement d’atomes en molécules.
Au cours du XX
e siècle, le développement de la physique statistique quantique
permit de généraliser, d’abord aux propriétés énergétiques du rayonnement électromagnétique (PLANCK, 1900 ; EINSTEIN, 1904) puis aux solides et à tout système
matériel, les idées initiées par la théorie cinétique des gaz. En conséquence, les
bases de la thermodynamique, autrefois érigées en principes fondamentaux autonomes, n’apparaissent plus aujourd’hui que comme de simples conséquences
à notre échelle des lois, elles-mêmes simples, de la microphysique. En principe,
les propriétés macroscopiques des processus dynamiques hors d’équilibre et les
lois de comportement des divers matériaux découlent aussi de la physique microscopique. Les constituants élémentaires d’un matériau sont si nombreux qu’ils
ne peuvent être étudiés que par des méthodes statistiques ; cependant, ce grand
nombre permet d’effectuer à notre échelle des prévisions quasi certaines, ce
qui confère à la théorie son caractère déterministe malgré les probabilités sous-