THERMIQUE

La thermique est une discipline scientifique spécifique d’un domaine de la physique plus vaste, la thermodynamique. La thermodynamique s’est essentiellement construite sur des principes qui expriment la conservation de deux grandeurs fondamentales : l’énergie et l’entropie. Les échanges énergétiques sont classés en deux catégories : le « travail », qui résulte de l’action d’une ou de plusieurs forces appliquées au système considéré, et la « chaleur » qui intervient naturellement dès qu’apparaît une différence de température à l’intérieur du système étudié ou entre celui-ci et son environnement. Ce second mode d’échange est le domaine d’étude de cette discipline scientifique spécifique appelée « transferts thermiques », ou, plus simplement, « thermique ».

Sous ses deux formes théoriques, phénoménologique et statistique, la thermodynamique définit très précisément l’état dans lequel se trouve un système quelconque lorsque ses caractéristiques sont rigoureusement stationnaires et uniformes : l’état d’équilibre. Elle permet de prédire l’état final d’un processus initié par la modification des contraintes (pression, température, volume, apport de matière…) imposées au système étudié, mais elle ne nous renseigne pas sur la nature des échanges de type « chaleur » qui participent à cette évolution, ou sur la vitesse à laquelle ils se produisent. La science de la thermique comble cette lacune : elle nous parle de la « chaleur », dont elle a analysé et quantifié les trois modes de propagation : la conduction, la convection et le rayonnement. Ses lois fondamentales (Fourier, Newton, et Stefan-Boltzmann) permettent de prédire l’évolution spatio-temporelle de la température à l’intérieur des systèmes physiques et de calculer les échanges thermiques entre eux.

On peut affirmer qu’il n’existe aujourd’hui aucun domaine de l’ingénierie qui ne soit confronté à des problématiques de transferts thermiques, ce qui rend la connaissance de la thermique de plus en plus nécessaire, sinon stratégique. À titre d’exemples, citons l’industrie spatiale, l’aéronautique, les moteurs automobiles, l’éclairage, l’électronique embarquée, la pétrochimie, l’agroalimentaire, le traitement des déchets, le bâtiment, le confort et la production d’énergie électrique à partir de combustions d’hydrocarbures ou de réactions nucléaires. La maîtrise et l’optimisation des systèmes où l’énergie thermique joue un rôle manifeste (fours, échangeurs, turbines, calculateurs, transformateurs, radiateurs, condenseurs, réchauffeurs, évaporateurs, systèmes de freinage…) font aujourd’hui l’objet de nombreux travaux de recherche et développement.

Histoire de la thermique

Dans l’Antiquité, les Anciens ont beaucoup disserté sur la nature de la chaleur : Héraclite (576-480) considérait la chaleur comme une force, cause de toutes les transformations ; Démocrite (460-370), comme une matière émanant des corps chauds et formée d’atomes ronds et très mobiles ; Aristote (384-322) la regardait comme une quantité occulte de la matière, capable de réunir les éléments semblables et de séparer les systèmes hétérogènes.

Les philosophes des premiers siècles de l’ère chrétienne et du Moyen Âge se sont généralement contentés de commenter la théorie des éléments développée par les Anciens, dans laquelle les quatre corps simples (terre, eau, air et feu) sont analysés au moyen de deux couples d’opposés primitifs, chaud et froid, sec et humide.

Au xvii^e siècle apparaissent de nouvelles conceptions sur l’essence de la chaleur : Descartes, Bacon, Newton et Boyle soupçonnent l’existence de relations entre les phénomènes mécaniques et calorifiques. À la fin du xviii^e siècle, on pense que la chaleur est un fluide impondérable et, comme la lumière, les deux hypothèses de l’ondulation et de l’émission servent à en expliquer la transmission. Les partisans de l’émission, majoritaires, admettent que les corps émettent de façon continue une substance impondérable appelée « calorique ». Bernoulli, Euler et surtout Thompson, partisans de l’ondulation, montrent que le frottement de deux corps peut indéfiniment produire de la chaleur, ce qui ne peut être expliqué par la théorie de l’émission. Lavoisier, étudiant les réactions chimiques, ne pouvait manquer d’observer de fréquents et importants dégagements de chaleur. Il est sans doute le premier à ranger la chaleur parmi les manifestations impondérables accompagnant les réactions entre des corps qui, eux, ont un poids. Cette opinion n’empêche cependant pas Lavoisier de croire à l’existence du « calorique », comme un fluide indestructible imprégnant plus ou moins abondamment les corps et facilement transmis de l’un à l’autre.

Vers 1800, Rumford, étonné de l’énorme dégagement de chaleur observé pendant l’alésage des canons, a l’idée d’associer cette chaleur au travail dépensé. Cette intuition est partagée par Davy qui réalise, par frottement, la fusion de deux morceaux de glace dans le vide. Les raisonnements développés par Sadi Carnot dans les Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance (1824), repris en 1834 par Clapeyron, et complétés par les travaux de Mayer, Joule et Helmholtz, permettent d’établir, vers 1849, une correspondance numérique entre travail et chaleur, appelée « équivalent mécanique de la chaleur ». La thermodynamique, science des relations entre les phénomènes calorifiques et mécaniques, est ensuite perfectionnée par Clausius, Thomson (Lord Kelvin), Rankine, Regnault et Hirn. En 1851, Clausius formule l’idée que l’énergie mécanique tend toujours à se « dégrader » en chaleur alors que la chaleur ne peut que partiellement se transformer en travail : la notion de qualité de l’énergie est née et, avec elle, le concept d’entropie des systèmes.

Fourier publie, en 1822, dans la « Théorie analytique de la chaleur », les lois mathématiques qui décrivent le transfert thermique par conduction dans les milieux isotropes et immobiles à l’échelle macroscopique.

Le couplage, parfois très complexe, entre les équations du mouvement d’un fluide et celles du transfert thermique a retardé, jusqu’à nos jours, la compréhension fine de la convection, dont tous les aspects ne sont pas encore bien connus, notamment en présence de champs turbulents. On adopte généralement, pour décrire la convection à la frontière entre une paroi et un fluide, la loi linéaire simplificatrice proposée par Newton (1701).

Enfin, le développement de la spectroscopie et la naissance de la mécanique quantique (théorie des « quanta ») ont permis, à la fin du xix^e siècle, d’établir les lois de Stefan-Boltzmann (1884), de Wien (1893) et de Planck (1901), relatives au rayonnement thermique du « corps noir ».