180
Chapitre 7
température ambiante est plus faible. 1 Il a fallu un demi-siècle de travail
ardu aux thermodynamiciens pour répondre à cela de façon satisfaisante. 2
Il ne s’agit pas d’un problème trivial.
Dans notre étude et depuis notre point de vue d’ingénieur/e, nous accepterons le postulat ci-dessus comme une évidence, sans chercher ni à le justifier,
ni à l’expliquer.
7.1.3 Principe zéro et troisième principe
Le principe zéro de la thermodynamique stipule que si deux corps sont en
équilibre thermique avec un troisième, alors tous les trois sont en équilibre
l’un avec l’autre. Le troisième principe stipule que l’entropie (une propriété
que nous étudions au chapitre prochain) d’un cristal à température zéro est
nulle. Ni l’un ni l’autre ne revêt la moindre importance pour l’ingénieur/e.
7.2 Le second principe et les machines
thermiques
7.2.1 Tous les moteurs rejettent de la chaleur
Imaginons qu’on veuille créer du travail en prenant de la chaleur à un objet
« chaud », c’est-à-dire à haute température : par exemple, 100 ◦ C, comme
montré en figure 7.1. On accole à cet objet un cylindre empli d’un fluide, et
on laisse le fluide pousser sur un piston au fur et à mesure qu’il reçoit de la
chaleur.
Une fois qu’une quantité de travail a été fournie (en B sur la figure 7.1), le
fluide a augmenté de volume. Si nous souhaitons continuer à transformer de
la chaleur en travail et que nous ne souhaitons pas que le moteur « gonfle »
indéfiniment, il nous faut refroidir ce gaz pour le ramener à son volume
initial.
Malheureusement, la seule façon d’extraire de la chaleur du gaz est de le
mettre en contact avec un corps plus « froid », comme montré en figure 7.2.
En particulier, il est impossible de restituer la chaleur accumulée dans le gaz
au corps « chaud » – il faudrait pour cela que la température du gaz soit
plus grande que lui. 3 Cette chaleur accumulée est donc irrémédiablement
perdue.
Ainsi, pour qu’un moteur fonctionne en continu, il faut qu’en plus d’une
source à haute température où capter de la chaleur, il dispose d’un « puits »
à faible température, où rejeter la chaleur dont il ne peut plus rien faire.
1 L’étudiant/e curieux/se pourra explorer cette idée en étudiant l’expérience
intrigante du démon de Maxwell, qui ouvre les portes vers de nombreux nouveaux
concepts.
2 C’est l’application des probabilités et statistiques à la thermodynamique, et en
particulier le travail de Ludwig Boltzmann (§8.5.3), qui permettra de la réconcilier
avec la vision mécanistique newtonienne du monde, au cours du xx e siècle.
3 Notons qu’en poussant le raisonnement à ses limites, le moteur pourrait
recevoir et fournir la chaleur à température constante. Mais alors, le travail à
fournir pour ramener le fluide à son état initial serait exactement le même que
celui développé pendant la détente : le cycle ne transformerait effectivement pas de
chaleur en travail, et ne présenterait alors pas d’intérêt pratique.
Thermodynamique de l’ingénieur par Olivier Cleynen
Chapitre 7
température ambiante est plus faible. 1 Il a fallu un demi-siècle de travail
ardu aux thermodynamiciens pour répondre à cela de façon satisfaisante. 2
Il ne s’agit pas d’un problème trivial.
Dans notre étude et depuis notre point de vue d’ingénieur/e, nous accepterons le postulat ci-dessus comme une évidence, sans chercher ni à le justifier,
ni à l’expliquer.
7.1.3 Principe zéro et troisième principe
Le principe zéro de la thermodynamique stipule que si deux corps sont en
équilibre thermique avec un troisième, alors tous les trois sont en équilibre
l’un avec l’autre. Le troisième principe stipule que l’entropie (une propriété
que nous étudions au chapitre prochain) d’un cristal à température zéro est
nulle. Ni l’un ni l’autre ne revêt la moindre importance pour l’ingénieur/e.
7.2 Le second principe et les machines
thermiques
7.2.1 Tous les moteurs rejettent de la chaleur
Imaginons qu’on veuille créer du travail en prenant de la chaleur à un objet
« chaud », c’est-à-dire à haute température : par exemple, 100 ◦ C, comme
montré en figure 7.1. On accole à cet objet un cylindre empli d’un fluide, et
on laisse le fluide pousser sur un piston au fur et à mesure qu’il reçoit de la
chaleur.
Une fois qu’une quantité de travail a été fournie (en B sur la figure 7.1), le
fluide a augmenté de volume. Si nous souhaitons continuer à transformer de
la chaleur en travail et que nous ne souhaitons pas que le moteur « gonfle »
indéfiniment, il nous faut refroidir ce gaz pour le ramener à son volume
initial.
Malheureusement, la seule façon d’extraire de la chaleur du gaz est de le
mettre en contact avec un corps plus « froid », comme montré en figure 7.2.
En particulier, il est impossible de restituer la chaleur accumulée dans le gaz
au corps « chaud » – il faudrait pour cela que la température du gaz soit
plus grande que lui. 3 Cette chaleur accumulée est donc irrémédiablement
perdue.
Ainsi, pour qu’un moteur fonctionne en continu, il faut qu’en plus d’une
source à haute température où capter de la chaleur, il dispose d’un « puits »
à faible température, où rejeter la chaleur dont il ne peut plus rien faire.
1 L’étudiant/e curieux/se pourra explorer cette idée en étudiant l’expérience
intrigante du démon de Maxwell, qui ouvre les portes vers de nombreux nouveaux
concepts.
2 C’est l’application des probabilités et statistiques à la thermodynamique, et en
particulier le travail de Ludwig Boltzmann (§8.5.3), qui permettra de la réconcilier
avec la vision mécanistique newtonienne du monde, au cours du xx e siècle.
3 Notons qu’en poussant le raisonnement à ses limites, le moteur pourrait
recevoir et fournir la chaleur à température constante. Mais alors, le travail à
fournir pour ramener le fluide à son état initial serait exactement le même que
celui développé pendant la détente : le cycle ne transformerait effectivement pas de
chaleur en travail, et ne présenterait alors pas d’intérêt pratique.
Thermodynamique de l’ingénieur par Olivier Cleynen