Complément III.1 : Un peu d`histoire

Complément III.1
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Un peu d’histoire
En présentant certains des physiciens qui ont élaboré la Thermodynamique, le but de ce
complément est de montrer la diversité de leurs vies, de leurs centres d’intérêts, de leurs travaux et
de situer les découvertes scientifiques relatives aux gaz dans l’espace- l’Europe- et dans le temps- du
17e au 19e siècle.
1. Boyle (Sir Robert)
Boyle naît à Lismore Castle, Irlande, en 1627 et meurt à Londres en 1691, âgé de
64 ans. Il appartient à une riche famille anglo-irlandaise. Physicien et chimiste, il
étudie divers sujets : il améliore la machine pneumatique d’Otto Von Guericke,
le thermomètre de Galilée et découvre le rôle du dioxygène dans la respiration
et la combustion. Il énonce la loi qui porte maintenant son nom en 1662 et on lui
doit aussi la première apparition de la notion moderne d’élément chimique.
atmosphère de pression P = µgH
p = P = µgH
V
p' = P + µgh = µg(H+h)
V'
h
Figure 1 : L’expérience de Boyle, 1662
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Pour établir la loi de compressibilité des gaz, il utilise un tube en J (voir figure 1) gradué sur les
deux branches du J. Il commence par une mesure annexe, celle de la pression atmosphérique,
grâce à un baromètre de Torricelli, elle vaut H cm Hg- l’expérience de Torricelli date de 1644. Il
remplit ensuite le bas du tube en J avec du mercure. Ceci détermine le premier état d’équilibre
de l’air emprisonné dans la branche courte du J : p = H cm Hg, et V est lu sur les graduations de la
branche courte. Pour obtenir un autre état d’équilibre de l’air emprisonné, il verse un peu plus
de mercure, ce qui a pour effet de comprimer l’air. La surpression vaut h cm Hg, lue sur les
graduations de la branche longue. La pression devient p’ = H + h cm Hg et le nouveau volume V’
est lu sur les graduations de la branche courte. En ajoutant encore du mercure, il obtient un
autre état et ainsi de suite. Il établit de la sorte que le produit pV est constant.
2. Mariotte (Edme)
Mariotte naît vers 1620 près de Dijon et meurt à Paris en 1684,
âgé de 64 ans. Il devient prieur de Saint Martin sous Beaune.
Physicien, il étudie de nombreux sujets dont l’optique et les gaz.
Il découvre en 1668 le point aveugle de l’œil. Et en 1676,
indépendamment de Boyle, il retrouve la loi de compressibilité
des gaz grâce à un autre mode opératoire et il précise que cette
loi s’applique lorsque la température des gaz est constante. Il
refait ensuite les mêmes expériences que Boyle.
a
a'
h'
Figure 2 : L’expérience de Mariotte, 1676
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Pour sa première expérience Mariotte utilise un tube droit qu’il remplit partiellement de
mercure. Dans ce premier état d’équilibre, la hauteur d’air dans le tube est a (le volume est aS, S
est la section du tube) et la pression de l’air est H cm Hg mesuré grâce à une expérience de
Torricelli.
Ensuite il ferme le tube { l’aide de son pouce, le retourne sur une cuve { mercure, enlève son
pouce et fixe le tube dans une première position. La hauteur d’air est alors a’ et la hauteur de
mercure au dessus de la cuve h’. La pression de l’air dans le tube est donc H - h’.
Il constate que le produit Ha est égal au produit (H – h’)a’.
3. Avogadro (Amedeo)
Avogadro naît en 1776 à Turin où il meurt en 1856, âgé de 80 ans. Il
appartient à la noblesse italienne, comte Amadeo di Quaregna e Ceretto. Il
s’intéresse d’abord aux mathématiques et { l’électricité. Chimiste et
physicien, il interprète { l’aide de la théorie moléculaire les lois de GayLussac sur les combinaisons gazeuses dans les transformations chimiques et
en 1811 énonce ce qui est d’abord appelé l’hypothèse d’Avogadro : Des
volumes égaux de gaz différents pris dans les mêmes conditions de
température et de pression renferment le même nombre de molécules.
Malgré ses efforts cette proposition est d’abord méconnue.
4. Ampère (André Marie)
Ampère naît à Lyon en 1775 et meurt à Marseille en 1836, âgé de 61
ans. Son père est guillotiné en 1793. Il s’intéresse très jeune { de
nombreux sujets (mathématiques, botanique, littérature, poésie) et
s’instruit seul en lisant l’Encyclopédie. Puis il devient professeur de
physique et publie une théorie mathématique du jeu. Il s’intéresse aussi
à la chimie. En 1814 il distingue atomes et molécules et développe
indépendamment la même hypothèse qu’Avogadro. Mais elle ne
s’imposera qu’un peu moins de cinquante ans plus tard, vers 1858.
(Ensuite il s’intéressera { l’électricité et au magnétisme.)
5. Charles (Jacques Alexandre César)
Charles naît à Beaugency en 1746 et meurt à Paris en 1823, âgé de 77
ans. Il s’intéresse aux aérostats dans lesquels il remplace l’air chaud
par le dihydrogène. Il fait plusieurs ascensions dont l’une où il atteint
environ 3000 m d’altitude. En 1787 il étudie la dilatation des gaz à
pression constante. Mais il ne publie pas le résultat de ses recherches
et les communique à Gay-Lussac. En 1798 il étudie l’influence de la
température sur la pression des gaz à volume constant.
(Sa femme Julie Bouchaud des Hérettes est l’Elvire de Lamartine.)
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6. Gay-Lussac (Louis Joseph)
Gay-Lussac naît à Saint Léonard de Noblat en 1778 et meurt à Paris en
1850, âgé de 72 ans. Son père était procureur du Roi et est de ce fait
arrêté pendant la Révolution. Il entre à Polytechnique et en sort
ingénieur en 1800. Ses premières recherches portent sur la dilatation
des gaz : Il refait les expériences de Charles sur différents gaz en prenant
soin de les assécher et en faisant varier la température de 0 à 100°C. Il
aboutit en 1802 à la loi qui porte son nom : Le volume est une fonction
affine de la température Celsius. En 1804, il fait plusieurs ascensions en
ballon dont une jusqu’{ 8000 m environ ; Il étudie les variations de la
composition de l’air et du magnétisme terrestre avec l’altitude. Il s’intéresse { la chimie et
énonce en 1808 la loi des combinaisons gazeuses : les volumes de gaz intervenant dans des
réactions chimiques sont dans des rapports simples. (Par exemple un volume de dioxygène
réagit avec deux volumes de dihydrogène pour donner de l’eau, ou un volume de diazote réagit
avec trois volumes de dihydrogène pour donner deux volumes d’ammoniac.)
La gravure ci-dessous montre l’appareillage utilisé par Gay-Lussac pour ses expériences sur la
dilatation des gaz. « L'appareil comporte le ballon A rempli d'air sec, séparé de l'atmosphère par
un bouchon de mercure mn placé dans un tube capillaire gradué. Il est porté successivement à la
température de la glace fondante et de la vapeur d'eau bouillante, et on note la position de
l'index de mercure mn pour déduire la variation de volume de l'air du ballon. »
7. Van der Waals (Johannes Diderik)
Van der Waals naît à Leyde aux Pays-Bas en 1837 et meurt à Amsterdam
en 1923, âgé de 86 ans. Son père était charpentier. Il commence comme
instituteur puis continue ses études en entrant à plus de trente ans à
l’Université de Leyde. Il donne en 1873 une équation d’état des gaz qui
approche mieux leur comportement que celle des gaz parfaits. Cette
équation introduit le rôle des forces d’attractions entre molécules et celui
des dimensions des molécules. Il reçoit le prix Nobel en 1910. (Les
premiers prix Nobel ont été attribués en 1901.)
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8. Boltzmann (Ludwig)
Boltzmann naît à Vienne en Autriche en 1844 et se suicide à Duino
près de Trieste en 1906, âgé de 62 ans. Il s’intéresse essentiellement
à la physique mathématique. Il est le principal fondateur de la théorie
statistique des gaz. En 1868, Boltzmann trouve la loi de répartition
des vitesses des molécules au sein d’un gaz { partir d’hypothèses très
générales. Elle s’appelle maintenant loi de distribution de MaxwellBoltzmann car en 1859 James Clerk Maxwell avait établi cette loi à
partir d’un calcul de probabilité. (Maxwell est écossais, né en 1831 {
Edimbourg, mort en 1879 à Cambridge ; les équations fondamentales
de l’électromagnétisme porte son nom pour rendre hommage { son
travail dans ce domaine.)
J’espère que cette courte présentation vous donnera envie d’en savoir plus, d’ouvrir les livres
référencés ainsi que d’autres, d’utiliser les liens fournis et de suivre ce que les sites associés
proposent.
9. Dictionnaire, encyclopédies, histoire des sciences
Grand Larousse en 5 volumes 1989
La Grande Encyclopédie Larousse en 20 volumes 1971
Encyclopédie Universalis version 9
Des physiciens de A à Z, A. Rousset, J. Six, Ellipses 2000
10. Sources internet
Les photographies sont issues des liens suivants :
Boyle
http://www.clevislauzon.qc.ca/Professeurs/Mathematiques/Rossa/DOSSIERS%5CBOYLE.PDF
http://mgprofil.files.wordpress.com/2009/05/robert_boyle_0001.jpg?w=236&h=300
Mariotte
http://www.nndb.com/people/112/000095824/edme-mariotte-1.jpg
Avogadro
http://www.anisn.it/matita_ipertesti/avogadro/avogadro_file/image002.jpg
Ampère
http://musee-ampere.univ-lyon1.fr/Ampere.gif
Charles
http://z.about.com/d/chemistry/1/0/M/5/1/Jacques_Alexandre_Cesar_Charles.jpg
Gay-Lussac
http://apella.ac-limoges.fr/musee-gay-lussac/Experiences/Lois.html
http://www.uh.edu/engines/gaylussac.jpg
Van der Waals
http://www.chemteam.info/Gallery/van-der-Waals-2.GIF
Boltzmann
http://nautilus.fis.uc.pt/wwwfi/figuras/fisicos/img/boltzmann.jpg