Introduction
*
La thermodynamique est l’étude de la conversion de l’énergie entre deux formes, chaleur
et travail. Pourtant, ses débuts remontent bien
avant que ces trois concepts ne soient établis :
pendant longtemps il ne s’agissait que de se
pencher sur la nature de la chaleur. Autrement
dit, que veut dire « chaud » exactement ? Peuton le mesurer ?
Les premières réflexions sur la nature de la matière et celle du feu datent de la Grèce antique
et donnent déjà naissance à la théorie atomique.
Mais il ne s’agit alors que de constructions philosophiques, plus fondées sur une vision spirituelle organisée du monde que sur de réels
travaux d’observation.
Il faudra attendre le xvii e siècle pour que débutent de sérieux travaux de recherche sur ce
sujet. C’est la température, dont on se fait plus
facilement une idée que de la chaleur, qui est
d’abord le centre d’intérêt. La conception du
thermomètre soulève en effet de nombreux problèmes d’ingénierie et de physique : comment
lier cette idée de « température » à un phénomène observable directement, de façon prévisible et reproductible ?
Pendant ces années et jusqu’en 1850, la thermodynamique reste à l’échelle macroscopique
– il n’est pas encore question d’atome ou de
molécule. Elle suscite beaucoup d’intérêt parce
qu’elle aborde directement les phénomènes de
frottement et de transfert de chaleur, qui ne
se produisent jamais que dans un seul sens, et
auxquels une vision mécanistique newtonienne
de l’univers ne peut fournir d’explication.
Le grand essor des machines thermiques, au
début du xix e siècle, prend la science de court.
Les premiers moteurs pompent l’eau hors des
mines, mais la thermodynamique – qui ne porte
alors même pas son nom – ne sait pas expliquer comment. Il faudra une trentaine d’années
avant que la théorie ne rattrape la pratique et
que l’on établisse une vision cohérente de la
thermodynamique permettant, par exemple, de
prévoir le rendement d’un moteur.
En 1865, le physicien allemand Rudolf Clausius clôture près d’un siècle de tâtonnements
en explicitant les grandes bases de ce que l’on
commence à appeler « thermodynamique » :
c’est ce que nous connaissons aujourd’hui sous
le nom des deux principes. Il généralise, ce faisant, ses observations sur un ballon de gaz à
l’univers tout entier. De leur côté, l’Écossais
James Clerk Maxwell et l’Autrichien Ludwig
Boltzmann réconcilieront la thermodynamique
avec la physique des particules en travaillant
au niveau microscopique. Au fur et à mesure du
xx e siècle, le concept d’incertitude se fait accepter et la thermodynamique devient affaire de
probabilités et de quantification du désordre ;
elle sert même à poser les bases de la théorie
de l’information.
Entre temps, la révolution industrielle a eu lieu.
Délaissant la pompe à eau, le moteur thermique
est passé à la propulsion des locomotives, puis
des navires, automobiles, génératrices de courant et aéronefs. Notre mode de vie, dans lequel la force physiologique humaine n’a plus la
moindre importance, montre à quel point nous
sommes devenus dépendants de la puissance
et de la précision que ce moteur permet. En
somme, il est la raison pour laquelle notre environnement diffère tant de celui de nos ancêtres,
et de celui que connaîtront nos descendants.
La thermodynamique permet de comprendre
le fonctionnement déroutant de cet engin à la
fois banal et effroyable.
Au cours de cette série de dix chapitres sur la
thermodynamique de l’ingénieur, nous passerons du comportement élémentaire des fluides
à la théorie des moteurs – l’objectif étant de
fournir à l’étudiant/e une bonne compréhension du fonctionnement des machines à chaleur et une base solide pour pouvoir aborder la
conception moteur et la mécanique des fluides.
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La thermodynamique est l’étude de la conversion de l’énergie entre deux formes, chaleur
et travail. Pourtant, ses débuts remontent bien
avant que ces trois concepts ne soient établis :
pendant longtemps il ne s’agissait que de se
pencher sur la nature de la chaleur. Autrement
dit, que veut dire « chaud » exactement ? Peuton le mesurer ?
Les premières réflexions sur la nature de la matière et celle du feu datent de la Grèce antique
et donnent déjà naissance à la théorie atomique.
Mais il ne s’agit alors que de constructions philosophiques, plus fondées sur une vision spirituelle organisée du monde que sur de réels
travaux d’observation.
Il faudra attendre le xvii e siècle pour que débutent de sérieux travaux de recherche sur ce
sujet. C’est la température, dont on se fait plus
facilement une idée que de la chaleur, qui est
d’abord le centre d’intérêt. La conception du
thermomètre soulève en effet de nombreux problèmes d’ingénierie et de physique : comment
lier cette idée de « température » à un phénomène observable directement, de façon prévisible et reproductible ?
Pendant ces années et jusqu’en 1850, la thermodynamique reste à l’échelle macroscopique
– il n’est pas encore question d’atome ou de
molécule. Elle suscite beaucoup d’intérêt parce
qu’elle aborde directement les phénomènes de
frottement et de transfert de chaleur, qui ne
se produisent jamais que dans un seul sens, et
auxquels une vision mécanistique newtonienne
de l’univers ne peut fournir d’explication.
Le grand essor des machines thermiques, au
début du xix e siècle, prend la science de court.
Les premiers moteurs pompent l’eau hors des
mines, mais la thermodynamique – qui ne porte
alors même pas son nom – ne sait pas expliquer comment. Il faudra une trentaine d’années
avant que la théorie ne rattrape la pratique et
que l’on établisse une vision cohérente de la
thermodynamique permettant, par exemple, de
prévoir le rendement d’un moteur.
En 1865, le physicien allemand Rudolf Clausius clôture près d’un siècle de tâtonnements
en explicitant les grandes bases de ce que l’on
commence à appeler « thermodynamique » :
c’est ce que nous connaissons aujourd’hui sous
le nom des deux principes. Il généralise, ce faisant, ses observations sur un ballon de gaz à
l’univers tout entier. De leur côté, l’Écossais
James Clerk Maxwell et l’Autrichien Ludwig
Boltzmann réconcilieront la thermodynamique
avec la physique des particules en travaillant
au niveau microscopique. Au fur et à mesure du
xx e siècle, le concept d’incertitude se fait accepter et la thermodynamique devient affaire de
probabilités et de quantification du désordre ;
elle sert même à poser les bases de la théorie
de l’information.
Entre temps, la révolution industrielle a eu lieu.
Délaissant la pompe à eau, le moteur thermique
est passé à la propulsion des locomotives, puis
des navires, automobiles, génératrices de courant et aéronefs. Notre mode de vie, dans lequel la force physiologique humaine n’a plus la
moindre importance, montre à quel point nous
sommes devenus dépendants de la puissance
et de la précision que ce moteur permet. En
somme, il est la raison pour laquelle notre environnement diffère tant de celui de nos ancêtres,
et de celui que connaîtront nos descendants.
La thermodynamique permet de comprendre
le fonctionnement déroutant de cet engin à la
fois banal et effroyable.
Au cours de cette série de dix chapitres sur la
thermodynamique de l’ingénieur, nous passerons du comportement élémentaire des fluides
à la théorie des moteurs – l’objectif étant de
fournir à l’étudiant/e une bonne compréhension du fonctionnement des machines à chaleur et une base solide pour pouvoir aborder la
conception moteur et la mécanique des fluides.