Chapitre 3
75
Un peu d’histoire :
degré et quantité de chaleur
*
Par Philippe Depondt
Université Pierre et Marie Curie, Paris
Dans la deuxième moitié du xvii e siècle, on a commencé à se préoccuper de la distinction entre degré
de chaleur et quantité de chaleur. C’était une question nouvelle qui n’a pu émerger que lorsqu’on a
été capable de mesurer la température, ou le « degré
de chaleur » d’un corps de façon fiable.
Notre conception de la chaleur est en grande partie
liée à la sensation de chaud ou de froid : on se brûle
au contact d’eau bouillante, on a froid quand on
prend un morceau de glace dans la main. On peut
« avoir » plus ou moins chaud, ou plus ou moins
froid, un objet chaud contient « du chaud », plus
ou moins de chaud, tout ça, c’était un peu la même
chose. . . Dans ce cadre, l’idée d’une matérialité de
la chaleur, l’idée qu’une quantité de chaleur mesurable puisse être transférée d’un corps à un autre et
induire des changements de température prévisibles
et mesurables restait fort éloignée !
Joseph Black (1728-1799), à Édimbourg en Écosse,
fait alors un pas en avant décisif : il constate que la
neige ne fond pas instantanément alors que la température ambiante peut être largement supérieure à
la température de fusion de la glace. Les congères
de neige, même en plein soleil, peuvent mettre plusieurs jours avant de disparaître. . . Il se pose alors
la question : quelle est la température de l’eau capable de faire fondre entièrement son propre poids
de neige à 0 ◦ C sans faire varier sa température ?
L’expérience apporte la réponse : 78 ◦ C ! L’eau tiède
s’est donc refroidie, tandis que la neige est restée
à la même température : les 78 degrés de chaleur
apportés par l’eau tiède ont été incorporés dans la
glace. La conclusion en est que la fusion de la neige
a nécessité l’apport de ces 78 degrés de chaleur par
l’eau liquide. Il appelle cette chaleur la chaleur latente [39], pour la différencier de la chaleur sensible
associée à des variations mesurables de température. Au-delà d’une expérience astucieuse et d’une
interprétation brillante, il y a là l’apparition d’un
nouveau concept.
Black poursuit ses activités en faisant toute une
série d’expériences de calorimétrie, mélanges d’eau
à des températures différentes, mélanges de corps de
nature différentes à différentes températures ; il met
à chaque fois en évidence que la chaleur spécifique
dépend de la nature du corps :
Nous devons, en conséquence, conclure que différents corps, bien qu’ils soient de la même taille
ou même du même poids, lorsqu’ils sont réduits
à la même température ou degré de chaleur, quoi
que cela puisse bien être, peuvent contenir des
quantités très différentes de la matière de chaleur ;
lesquelles quantités sont nécessaires pour les amener à ce niveau, ou équilibre, l’un avec l’autre.
Joseph Black, 1807 [2]
Il ne fait pas d’hypothèse sur la nature de cette
chaleur qu’il a caractérisée. Pour la plupart de ses
contemporains, cependant, son apparente conservation indique qu’il s’agit d’un fluide matériel dépourvu de masse que Lavoisier appellera plus tard
le calorique. Cette matière peut être transférée d’un
corps à l’autre pour élever la température de celui
qui la reçoit et abaisser celle de celui qui la cède :
certains corps (l’eau par exemple) en contiennent, à
une température donnée, plus que d’autres (comme
l’huile), ce qui se traduit par des chaleurs spécifiques
différentes. De son côté, Black pensait que la fusion
d’un solide ou la vaporisation d’un liquide pouvait
être une espèce de combinaison chimique du fluide
calorique et de la matière : le calorique disparaîtrait
alors en tant que tel et deviendrait ainsi « latent ».
Figure 3.9 – Joseph Black procédant à une expérience sur
la chaleur latente pendant un cours universitaire à Édimbourg. On imagine qu’il n’avait aucun mal à passionner
les étudiants, puisqu’il s’agit de thermodynamique. . .
Gravure d’auteur inconnu publiée par Louis Figuier en 1867 (domaine
public)
https://thermodynamique.fr – CC-by-sa Olivier Cleynen
75
Un peu d’histoire :
degré et quantité de chaleur
*
Par Philippe Depondt
Université Pierre et Marie Curie, Paris
Dans la deuxième moitié du xvii e siècle, on a commencé à se préoccuper de la distinction entre degré
de chaleur et quantité de chaleur. C’était une question nouvelle qui n’a pu émerger que lorsqu’on a
été capable de mesurer la température, ou le « degré
de chaleur » d’un corps de façon fiable.
Notre conception de la chaleur est en grande partie
liée à la sensation de chaud ou de froid : on se brûle
au contact d’eau bouillante, on a froid quand on
prend un morceau de glace dans la main. On peut
« avoir » plus ou moins chaud, ou plus ou moins
froid, un objet chaud contient « du chaud », plus
ou moins de chaud, tout ça, c’était un peu la même
chose. . . Dans ce cadre, l’idée d’une matérialité de
la chaleur, l’idée qu’une quantité de chaleur mesurable puisse être transférée d’un corps à un autre et
induire des changements de température prévisibles
et mesurables restait fort éloignée !
Joseph Black (1728-1799), à Édimbourg en Écosse,
fait alors un pas en avant décisif : il constate que la
neige ne fond pas instantanément alors que la température ambiante peut être largement supérieure à
la température de fusion de la glace. Les congères
de neige, même en plein soleil, peuvent mettre plusieurs jours avant de disparaître. . . Il se pose alors
la question : quelle est la température de l’eau capable de faire fondre entièrement son propre poids
de neige à 0 ◦ C sans faire varier sa température ?
L’expérience apporte la réponse : 78 ◦ C ! L’eau tiède
s’est donc refroidie, tandis que la neige est restée
à la même température : les 78 degrés de chaleur
apportés par l’eau tiède ont été incorporés dans la
glace. La conclusion en est que la fusion de la neige
a nécessité l’apport de ces 78 degrés de chaleur par
l’eau liquide. Il appelle cette chaleur la chaleur latente [39], pour la différencier de la chaleur sensible
associée à des variations mesurables de température. Au-delà d’une expérience astucieuse et d’une
interprétation brillante, il y a là l’apparition d’un
nouveau concept.
Black poursuit ses activités en faisant toute une
série d’expériences de calorimétrie, mélanges d’eau
à des températures différentes, mélanges de corps de
nature différentes à différentes températures ; il met
à chaque fois en évidence que la chaleur spécifique
dépend de la nature du corps :
Nous devons, en conséquence, conclure que différents corps, bien qu’ils soient de la même taille
ou même du même poids, lorsqu’ils sont réduits
à la même température ou degré de chaleur, quoi
que cela puisse bien être, peuvent contenir des
quantités très différentes de la matière de chaleur ;
lesquelles quantités sont nécessaires pour les amener à ce niveau, ou équilibre, l’un avec l’autre.
Joseph Black, 1807 [2]
Il ne fait pas d’hypothèse sur la nature de cette
chaleur qu’il a caractérisée. Pour la plupart de ses
contemporains, cependant, son apparente conservation indique qu’il s’agit d’un fluide matériel dépourvu de masse que Lavoisier appellera plus tard
le calorique. Cette matière peut être transférée d’un
corps à l’autre pour élever la température de celui
qui la reçoit et abaisser celle de celui qui la cède :
certains corps (l’eau par exemple) en contiennent, à
une température donnée, plus que d’autres (comme
l’huile), ce qui se traduit par des chaleurs spécifiques
différentes. De son côté, Black pensait que la fusion
d’un solide ou la vaporisation d’un liquide pouvait
être une espèce de combinaison chimique du fluide
calorique et de la matière : le calorique disparaîtrait
alors en tant que tel et deviendrait ainsi « latent ».
Figure 3.9 – Joseph Black procédant à une expérience sur
la chaleur latente pendant un cours universitaire à Édimbourg. On imagine qu’il n’avait aucun mal à passionner
les étudiants, puisqu’il s’agit de thermodynamique. . .
Gravure d’auteur inconnu publiée par Louis Figuier en 1867 (domaine
public)
https://thermodynamique.fr – CC-by-sa Olivier Cleynen