Dans cet article de blog, nous examinerons comment la théorie calorique du XVIIIe siècle a été réfutée et a conduit aux lois de la thermodynamique du XIXe siècle et au concept d'entropie.
Au XVIIIe siècle, on considérait généralement que la substance de la chaleur était le « calorique », un ensemble de particules sans masse se déplaçant des zones de haute température vers les zones de basse température. C'était la théorie du calorique, qui postulait que lorsqu'un objet froid et un objet chaud entraient en contact, leurs températures s'égalisaient grâce au flux de calorique de l'objet chaud vers l'objet froid. Dans ce contexte, l'une des principales préoccupations des scientifiques était l'efficacité thermique des machines thermiques, comme la machine à vapeur.
Un moteur thermique est un dispositif qui absorbe la chaleur d'une source de chaleur à haute température et la rejette dans l'environnement extérieur, comme l'atmosphère, tout en produisant un travail. Le rendement thermique est défini comme le rapport entre la quantité de travail fourni et la quantité de chaleur absorbée par le moteur. Au début du XIXe siècle, Carnot s'est penché sur le problème du rendement thermique des moteurs thermiques en se basant sur la théorie du calorique. Il a observé que dans les machines hydrauliques, telles que les roues à eau, lorsque l'eau s'écoule d'une altitude élevée vers une altitude plus basse et produit un travail, le rapport entre le volume d'eau et la quantité de travail fourni dépend uniquement de la différence d'altitude. De même que l'eau se déplace en raison d'une différence d'altitude, le calorique se déplace également d'une température élevée vers une température basse lorsqu'il produit un travail ; ainsi, le rendement thermique d'un moteur thermique dépend uniquement de ces deux températures.
Parallèlement, l'amélioration du rendement thermique de ces moteurs thermiques devint un enjeu crucial, intimement lié à la révolution industrielle. Cette dernière engendra des progrès technologiques rapides axés sur la conversion et l'efficacité énergétiques, ce qui mena à de nombreuses études visant à optimiser le rendement des moteurs thermiques. Dans ce contexte, les travaux de Carnot jetèrent les bases des premier et deuxième principes de la thermodynamique et devinrent une référence majeure pour les scientifiques qui lui succédèrent.
Dans les années 1840, Joule mena des expériences pour mesurer la quantité d'énergie, sous diverses formes, nécessaire à la production d'une quantité de chaleur donnée. L'expérience sur l'équivalence chaleur-travail en est un exemple frappant. Cette expérience n'utilisait pas de machine thermique, mais un poids en chute libre pour faire tourner une roue à aubes dans l'eau. La quantité de chaleur étant exprimée en calories, il mesura l'équivalence travail-chaleur – la quantité de travail nécessaire pour produire 1 kcal de chaleur – grâce à des expériences précises sur le processus de conversion de l'énergie mécanique (travail) en chaleur. Joule démontra ainsi que le travail et la chaleur sont des grandeurs physiques interchangeables, ne différant que par leur forme, et sont donc équivalentes. Il découvrit également que lors de la conversion de chaleur et de travail l'un en l'autre, l'énergie totale – la somme des énergies de la chaleur et du travail – reste constante. Par la suite, la loi de conservation de l'énergie fut établie, prouvant que non seulement la chaleur et le travail, mais aussi l'énergie chimique, l'énergie électrique et d'autres formes d'énergie sont équivalentes et que la quantité totale d'énergie demeure inchangée lors de leur conversion.
Cette compréhension de la chaleur et du travail a conduit les scientifiques à réexaminer la théorie de Carnot. Thomson, en particulier, a souligné que l'explication du moteur thermique par Carnot, fondée sur la théorie du calorique, contredisait la loi de Joule sur la conservation de l'énergie. Selon la théorie de Carnot, un moteur thermique produit du travail en restituant toute la chaleur absorbée à haute température à une température plus basse. Puisque cela contredisait l'équivalence entre chaleur et travail et la loi de conservation de l'énergie démontrée par Joule, l'idée que la substance de la chaleur était le calorique ne pouvait plus être maintenue. Cependant, la théorie de Carnot concernant le rendement thermique a été confirmée par la démonstration de Clausius. Partant de l'hypothèse que si la théorie de Carnot était invalide, la chaleur pourrait circuler d'une température basse vers une température élevée, il a démontré que le rendement thermique d'un moteur thermique dépend uniquement des deux températures de fonctionnement auxquelles le moteur absorbe la chaleur à haute température et la restitue à basse température.
Clausius a observé que, dans la nature, la chaleur se propage uniquement des hautes températures vers les basses températures, et qu'il existe une directionnalité empiriquement observable, de sorte que le phénomène inverse ne se produit pas. Il a également noté l'asymétrie du sens de conversion : contrairement à la conversion du travail en chaleur, toute la chaleur d'une machine thermique ne peut être convertie en travail – autrement dit, le rendement thermique ne peut atteindre 100 %. Les discussions relatives à cette directionnalité et à cette asymétrie ont donné naissance au concept d'entropie, une nouvelle grandeur physique capable d'expliquer ces phénomènes. En établissant le second principe de la thermodynamique, Clausius a utilisé le concept d'entropie pour expliquer l'irréversibilité des phénomènes naturels et les limites de la conversion d'énergie.
Grâce à ce processus, la thermodynamique a dépassé le simple problème de la conversion d'énergie pour devenir un domaine d'étude essentiel à la compréhension des principes fondamentaux des phénomènes naturels. Ces principes sont appliqués dans de nombreux domaines des sciences et de l'ingénierie modernes et constituent le socle des diverses technologies que nous utilisons aujourd'hui.
