THERMODYNAMIQUE (notions de base)

De nos jours, on peut définir la thermodynamique comme la science des propriétés et des processus qui mettent en jeu la température et la chaleur.

Le nom de « thermodynamique » associe les deux mots grecs thermon (chaleur) et dynamis (puissance). Le but premier de la discipline, explicitement formulé d'emblée, était d'analyser la transformation en travail mécanique de la chaleur fournie par une chaudière et d'en dégager les lois, afin d'obtenir cette transformation dans des conditions optimales. Il est remarquable que ces préoccupations initiales, essentiellement techniques, aient conduit à une théorie physique élaborée, abstraite et rigoureuse, fondée sur des concepts difficiles (énergie, entropie), de nature mal élucidée à l'époque.

La thermodynamique est née dans la première moitié du xix^e siècle. Elle a depuis affronté plusieurs zones de turbulence mais y a survécu, dans son essence et son efficacité ; elle est toujours enseignée activement dans les universités et les écoles, où elle continue à servir fidèlement la recherche et l'industrie.

Chaleur et travail

À l'aube des « temps thermodynamiques » émerge en premier la figure de Denis Papin (1647- vers 1712). On l'a toujours montré en contemplation devant le couvercle de sa bouilloire, spasmodiquement et irrésistiblement mis en mouvement par la vapeur que produisait l'ébullition de l'eau. Il rédigea, en 1687, un mémoire, Description et usage de la nouvelle machine à élever l'eau, qui contient la première proposition, sans doute, pour construire et utiliser une machine à vapeur.

Le fonctionnement des machines à vapeur tire parti de l'énorme augmentation de volume qui marque le passage d'une masse donnée d'eau de l'état liquide à celui de vapeur : à 100 ⁰C et sous la pression atmosphérique, cette augmentation est d'un facteur mille sept cents environ. Quelles forces colossales, dès lors, peuvent ainsi être engendrées par la simple ébullition d'un corps aussi courant que l'eau ! Sa vaporisation peut actionner un piston, dont le prototype de Papin utilisait déjà le va-et-vient dans un cylindre. On peut alors songer, à l'aide d'une telle machine, à effectuer du travail mécanique, servant, par exemple, à mettre en mouvement des bateaux ou des trains. Il faut cependant, pour obtenir un tel travail, chauffer l'eau liquide pour la porter à ébullition puis la vaporiser, c'est-à-dire fournir de la chaleur. Un moteur thermique reçoit donc de la chaleur et restitue du travail.

La machine à vapeur fut introduite dans l'industrie dès le début du xviii^e siècle, mais ce n'est qu'au début du xix^e qu'on fit appel à elle systématiquement, à grande échelle. C'est ainsi que le premier service régulier de bateaux à vapeur fit son apparition en 1807, aux États-Unis. C'est à la même époque que se développa, sur les deux rives de la Manche, la locomotive à vapeur ; elle permit d'atteindre des vitesses inouïes : la Fusée, de l'ingénieur anglais George Stephenson, parvint, en 1829, à cinquante-six kilomètres par heure.