THERMODYNAMIQUE Histoire
Parmi les multiples formes de l'énergie, la chaleur est celle à laquelle les savants ont mis le plus de temps à donner un statut scientifique. Or toute discipline qui a pour objet l'étude d'une catégorie déterminée de phénomènes ne devient effectivement une science qu'à partir du moment où la mesure y est introduite. La physique est en définitive parvenue à englober l'étude de la chaleur grâce à trois types de travaux : tout d'abord, la construction d'instruments de mesure, dont l'élaboration a été particulièrement tardive, ensuite la recherche expérimentale à l'aide de ces instruments, enfin l'expérimentation étayée par une théorie mathématique à la suite des réflexions provoquées par l'utilisation de la machine à vapeur.
Dans les principales étapes de cette étude, qui s'est prolongée du xviie au xixe siècle, l'intuition et le savoir-faire du technicien ont précédé, en le provoquant, le travail intellectuel du physicien qui devait conduire plus tard à la thermodynamique.
Le legs de l'Antiquité
La chaleur dans la science hellène
Les mots grecs qui signifient « chaud » ou « froid » désignaient dans l'Antiquité à la fois ces deux sensations et les phénomènes physiques qui étaient supposés en être la cause : tout corps chaud ou froid était censé contenir de la chaleur ou du froid. De tout temps on avait constaté, sans que les premiers savants hellènes l'expliquent, que l'air exhalé au cours de la respiration normale est tiède, mais qu'il est froid au contraire lorsqu'il est émis en un souffle puissant. Frappés par l'importance du rôle du chaud et du froid dans la nature, ils en firent deux principes différents. Pour Aristote, le chaud et le froid constituent, avec le sec et l'humide, les quatre qualités fondamentales sous l'influence desquelles la matière première du monde a formé les quatre éléments : l'air, le feu, la terre et l'eau. Théophraste, qui lui succéda à la direction de l'école péripatéticienne, fit ressortir le caractère spécifique du feu, considéré par lui comme une forme de mouvement, dont la manifestation implique un support matériel. Son successeur, Straton de Lampsaque, célèbre pour avoir introduit l'expérimentation dans le développement de la physique aristotélicienne, fit quelques expériences qui eurent pour objet l'air et le vide : sous l'influence des idées de Démocrite, il admettait l'existence du vide entre les plus petites particules de la matière, appelées les atomes (étymologiquement, les « insécables »), et il expliquait de cette façon les phénomènes de dilatation ou de contraction que la chaleur ou le froid produisent dans les corps.
Le thermoscope de Philon de Byzance
Parallèlement aux réflexions de ces savants, quelques ingénieurs hellènes se préoccupèrent de mettre en évidence la différence qualitative entre le chaud et le froid.
Le premier appareil construit à cette fin fut inventé, vers 250 avant notre ère, par un ingénieur alexandrin, Philon de Byzance. Il comprend un ballon de plomb, vide et muni d'un bouchon étanche ; une des branches d'un tube de verre, en forme d'U renversé, traverse le bouchon, tandis que son autre branche descend au fond d'un vase plein d'eau. Lorsque l'appareil est exposé au soleil, l'air qui se dilate dans le ballon de plomb provoque l'émission de bulles dans l'eau du vase. Puis, si l'on place l'appareil à l'ombre, l'air se refroidit dans le ballon, et l'eau du vase monte dans le tube de verre pour s'écouler ensuite dans le ballon. Lors d'un nouvel échauffement, l'air dilaté refoule cette eau dans le vase. Philon décrit cet appareil dans un ouvrage intitulé Πνευμ́ατικα ; il déduit de son fonctionnement que le feu est étroitement associé à l'air et que même il l'attire. La conclusion[...]
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Écrit par
- Arthur BIREMBAUT : ingénieur civil des Mines, membre correspondant de l'Académie internationale d'histoire des sciences, professeur à l'université de Paris-I
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