CycleThermoMachines_1011

ENSE3 7
II.4
LA THERMODYNAMIQUE
Au début du XIXe siècle, les machines à vapeur étaient assez répandues mais les principes physiques
fondamentaux régissant leur fonctionnement restaient obscurs.
Plusieurs chercheurs se cassèrent les dents sur le problème de l’efficacité des machines à vapeur.
Une grande avancée sera due aux travaux du physicien Français Sadi CARNOT (1796-1832). En
1824, il publie le livre ”Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres
à developper cette puissance”. Les idées développées par Carnot sont le fondement de la thermodynamique,
mais basées sur une prémisse erronée : Carnot est convaincu de l’existence du
calorique. Il conçoit une machine idéale, la plus efficace possible, réversible, fonctionnant avec
un gaz parfait et dont l’efficacité ne dépend que des tempéraures des sources chaude et froide
(selon ce qu’on appelera le cycle de Carnot). Le cycle de Carnot est composée de deux courbes
isothermes réversibles et de deux courbes adiabatiques réversibles.
Le livre de Carnot passe inaperçu. Ce n’est que dix ans plus tard qu’Emile CLAPEYRON
(1799-1864) en trouve une copie et en fait la publicité.
II.4.1
Energie et entropie
Le physicien James Prescott JOULE (1818-1889) mesure l’équivalent en travail de la chaleur
nécessaire pour faire grimper un gramme d’eau d’un degré Celsius (la calorie) et trouve la valeur
acceptée aujourd’hui à 1% près. De ses expériences sur l’échauffement de quantité d’eau
par frottement mécanique, il conclut que la chaleur est une forme de mouvement, une forme
d’énergie microscopique qui peut s’obtenir d’un travail mécanique.
En 1847 paraît un article de Hermann HELMHOLTZ (1821-1894) intitulé ”Sur la conservation
de l’énergie” qui énonce le premier principe de la thermodynamique : la chaleur est une
frome d’énergie mécanique microscopique. Tout travail mécanique effectué par un système s’accompagne
d’une diminution équivalente de son énergie interne et vice-versa.
C’est l’Allemand Rudolf CLAUSIUS (1822-1888) qui va réconcilier la théorie dynamique de la
chaleur avec les idées de Carnot et devenir le ”père de la thermodynamique” (Carnot en est
le ”grand-père”). L’idée est simple : une machine thermique reçoit de la chaleur de la source
chaude, en transforme une partie en travail mécanique et cède le reste à la source froide. Les
résultats de Carnot sur les machines idéales réversibles demeurent intacts.
En 1854, Clausius introduit une nouvelle quantité, l’entropie (du grec entropia qui signifie
”retour en arrière”, une allusion à la réversibilité), à la suite de ses travaux sur les cycle de
machines thermiques. En manipulant le calcul intégral et des éléments infinitésimaux de quantité
de chaleur échangée à la température T , il trouve une condition de réversibilité d’un cycle :
∫ dQ
T = 0
Tout cycle est réversible s’il est parcouru suffisamment lentement, si le système est toujours