Histoire de la thermodynamique

Histoire de la thermodynamique
Prépa agreg ENS Cachan, 2008-2009
Plan des cours :
1
Température, chaleur, énergie
2
Second principe
3
La théorie cinétique et l’origine de la mécanique statistique
4
L’interprétation statistique du second principe
5
Le corps noir
[email protected]
Quelques ouvrages généraux
Longair, M. S. (2003), Theoretical Concepts in Physics.
[53.2 LON]
Barberousse, A. (2002), La mécanique statistique. De Clausius
à Gibbs. [53.1 BAR]
Locqueneux, R. (1996), Préhistoire et histoire de la
thermodynamique classique, Cahiers d’histoire et de
philosophie des sciences, n◦ 45, déc 1996.
Boudenot, J.-C. (2001), Histoire de la physique et des
physiciens. [53.1 BOU]
Plan : Température, chaleur, énergie
1 La température et la chaleur
Température et thermomètres
Black et la distinction chaleur-température
Capacités calorifiques (suite)
2 Vers la conservation de l’énergie
Conceptions de la chaleur
Une “découverte simultanée”
Joule et l’équivalent mécanique de la chaleur
La conservation de l’énergie
La thermodynamique macroscopique
Relations entre grandeurs mesurables.
Pas de modèle microscopique. Prééminence ?
Les deux lois [de la thermodynamique], il me semble, doivent être
maintenues dans toutes les circonstances. Pour le reste, j’étais prêt à
sacrifier chacune de mes convictions quant aux lois physiques. a
a
Planck, cité par Longair (2003), p. 204 et p. 339.
Condition de non-fluctuation : N grand.
Exemple :
N tirages indép, deux possibilités A et B, de proba p et 1 − p
Proba pour k fois A : CNk p k (1 − p)N−k
p.
Moyenne : k̄ = Np.
Écart-type
:
σ
=
Np(1 − p).
√
Écart relatif ∝ 1/ N
Température, chaleur, énergie
1 La température et la chaleur
Température et thermomètres
Black et la distinction chaleur-température
Capacités calorifiques (suite)
2 Vers la conservation de l’énergie
Conceptions de la chaleur
Une “découverte simultanée”
Joule et l’équivalent mécanique de la chaleur
La conservation de l’énergie
Que veut-on faire ?
Début XVIIe siècle. degré de chaleur : sensation.
En faire un concept quantitatif ? associer un nombre.
Auparavant : concept pour classer, et pour comparer.
Thermomètres
Mise en évidence : volume d’un gaz (Galilée). Thermoscope.
Vers 1650 : construction de thermomètres. Alcool notamment.
Différentes échelles.
Améliorations par Farhenheit :
- tube sous vide (1701),
- mercure.
Points fixes de l’eau : 32 ◦ F et 212 ◦ F.
Quelques remarques sur l’élaboration du concept
Mesure indirecte de longueur.
Reconstruction à tonalité empiriste :
Nous commençons nos enquêtes à partir de la sensation de chaleur,
et nous nous trouvons plus tard obligés de substituer à cette propriété
originale du comportement des corps, d’autres propriétés [variations de
volume]. Mais entre ces propriétés, qui diffèrent selon les circonstances,
aucun parallélisme exact n’est obtenu. [Puis nous procédons à] l’adoption
d’un critère nouveau, arbitrairement fixé, plus sensible et plus délicat,
pour l’état thermique [...] par conséquent le nouveau critère seul est la
base de nos investigations. a
a
Mach, E. (1896), Principes de la théorie de la chaleur (p. 56-57)
Rôle des conventions : indicateur, substance, échelle.
Autres définitions : gaz parfait ou rendement d’une machine
idéale.
Température, chaleur, énergie
1 La température et la chaleur
Température et thermomètres
Black et la distinction chaleur-température
Capacités calorifiques (suite)
2 Vers la conservation de l’énergie
Conceptions de la chaleur
Une “découverte simultanée”
Joule et l’équivalent mécanique de la chaleur
La conservation de l’énergie
État d’équilibre
Nous pouvons percevoir une tendance de la chaleur à se diffuser des
corps chauds aux corps froids voisins, jusqu’à ce qu’elle soit répartie
entre eux, de telle façon qu’aucun d’eux ne soit disposé à en prendre
d’avantage. La chaleur est ainsi amenée dans un état d’équilibre. [...] Un
thermomètre, appliqué à l’un quelconque des corps, acquiert le même
degré d’expansion : par conséquent, la température de tous ces corps est
la même, et l’équilibre est universel. Aucune connaissance préalable de
la réaction étrange de chacun à la chaleur aurait pu nous en assurer, et
nous devons cette découverte entièrement au thermomètre. a
a
Black, J. (1760-1765, publié en 1803) Lectures on the Elements of
Chemistry . Repris dans Physique, Hecht, p. 571, § 15.5 Le principe
zéro ou http://web.lemoyne.edu/~giunta/blackheat.html
Principe zéro : la température à l’équilibre thermique est une
relation d’équivalence.
Différentes capacités pour la chaleur
C’était autrefois une supposition commune, que les quantités de chaleur requises pour augmenter la chaleur de différents corps du même
nombre de degrés, étaient directement en proportion de la quantité de
matière de chacun ; et par conséquent, quand les corps étaient de taille
égale, les quantités de chaleur étaient en proportion de leur densité. Mais
très rapidement après que j’ai commencé à réfléchir à ce sujet (dans
l’année 1760), je percevai que cette opinion était une erreur, et que les
quantités de chaleur que les différentes sortes de matière doivent recevoir, pour les réduire à un équilibre l’une avec l’autre, ou pour élever leur
température d’un nombre égal de degrés, ne sont pas en proportion de la
quantité de matière de chacune, mais en proportions très différentes de
cela, et pour lesquelles aucun principe ou raison général ne peut encore
être assigné. (Black, ibid.)
Capacités : méthodes expérimentales
Méthode des mélanges.
Supposons que de l’eau au 100ème degré de chaleur, et qu’une égale
mesure de vif-argent chaud au 150ème degré, soient soudainement mélangés et agités ensemble. [...] La température du mélange se trouve être
de 120 degrés au lieu de 125 [si la seconde mesure avait été de l’eau]
[...]. Pourtant la quantité de chaleur que l’eau a gagné est exactement la
même que celle que le vif-argent a perdu. [...] Le vif-argent, par conséquent, a moins de capacité pour la substance de chaleur que l’eau (si je
peux être autorisé à utiliser cette expression) ; elle en requiert une plus
petit quantité pour élever sa température du même nombre de degrés. (Black)
Comparaison relative.
Méthode de l’apport constant de chaleur.
Devant un feu, récipients d’eau et de vif-argent.
Expressions : calorique spécifique , capacité pour la
chaleur , chaleur spécifique .
Chaleur latente
Opinion admise :
La fluidité était universellement considérée comme produite par une
petite addition de la quantité de chaleur qu’un corps contient, une fois
qu’il est chauffé jusqu’à son point de fusion. (Black)
Argumentation de Black : fonte de la neige.
Expérience (neige à 0 mélangée à de l’eau à 78◦ ).
Une grande quantité, par conséquent, de la chaleur, ou de la substance
de chaleur, qui entre dans la glace en fusion, ne produit d’autre effet que
de lui donner sa fluidité, sans changer sa chaleur perceptible ; elle semble
être absorbée et dissimulée à l’intérieur de l’eau, de manière à ne pas
pouvoir être découverte par l’application d’un thermomètre. (Black)
Vaporisation.
de même, dans le cas de l’ébullition, la chaleur absorbée ne réchauffe
pas les corps voisins, mais convertit l’eau en vapeur. Dans les deux cas,
considérée comme la cause du réchauffement, nous ne percevons pas
sa présence : elle est dissimulée, ou latente, et je lui donne le nom de
CHALEUR LATENTE. (Black)
Température, chaleur, énergie
1 La température et la chaleur
Température et thermomètres
Black et la distinction chaleur-température
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Conceptions de la chaleur
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Joule et l’équivalent mécanique de la chaleur
La conservation de l’énergie
Capacités calorifiques (gaz)
Plus grandes difficultés expérimentales.
Crawford, Gay-Lussac, Delaroche et Bérard.
Dulong (1828)
pour les gaz oxygène, hydrogène et pour l’air, c’est-à-dire pour les gaz
simples, le rapport des deux chaleurs spécifiques est, à fort peu près, le
même. a
a
Dulong, cité par Locqueneux , p. 124.
Capacités calorifiques (éléments simples)
Corps simple
Bismuth
Plomb
Or
Platine
Étain
Argent
Zinc
Tellure
Cuivre
Nickel
Fer
Cobalt
Soufre
chaleur spécifique atomique
0.3830
0.3794
0.3704
0.3740
0.3779
0.3759
0.3736
0.3675
0.3755
0.3819
0.3731
0.3685
0.3780
(la chaleur spécifique de l’eau est prise à 1, le poids de l’atome
d’oxygène est pris à 1)
Source : Petit et Dulong (1819), cité par Locqueneux, p. 126.
Température, chaleur, énergie
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La conservation de l’énergie
Conceptions de la chaleur
Conception cinétique :
Quel mouvement ?
Hypothèse des atomes Conception calorique : un fluide matériel qui se conserve.
Succès (diffusion, expansion).
Difficultés (Rumford) : sans masse et production infinie par
frottement...
Nous ne devons pas oublier cette circonstance des plus remarquables,
que la source de chaleur générée par frottement dans ces expériences apparaissait évidemment être inépuisable. Il est à peine nécessaire d’ajouter,
que ce qu’un corps isolé ou un système de corps peut fournir sans limites
ne peut certainement pas être une substance matérielle. a
a
Rumford, cité par Barberousse p. 18
Température, chaleur, énergie
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Température et thermomètres
Black et la distinction chaleur-température
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Conceptions de la chaleur
Une “découverte simultanée”
Joule et l’équivalent mécanique de la chaleur
La conservation de l’énergie
Une “découverte simultanée”
Vers 1840, une dizaine de découvreurs simultanés.
Énoncés plus ou moins partiels ; expériences.
Pourquoi ?
- Processus de conversion
- Étude des machines
Température, chaleur, énergie
1 La température et la chaleur
Température et thermomètres
Black et la distinction chaleur-température
Capacités calorifiques (suite)
2 Vers la conservation de l’énergie
Conceptions de la chaleur
Une “découverte simultanée”
Joule et l’équivalent mécanique de la chaleur
La conservation de l’énergie
Effet Joule et inter-conversion
(1841) production de chaleur proportionnelle à RI 2
Interconversion chimie-électricité-mécanique-chaleur
Compression d’un gaz :
Équivalent mécanique de la chaleur ?
La détente de Joule
la dilatation [de l’air] n’absorbe de la chaleur qu’autant qu’elle est
accompagnée de la production d’un travail mécanique a
a
Joule (1845) cité par Locqueneux p. 187.
Expérience de la roue à aube
Température, chaleur, énergie
1 La température et la chaleur
Température et thermomètres
Black et la distinction chaleur-température
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Conceptions de la chaleur
Une “découverte simultanée”
Joule et l’équivalent mécanique de la chaleur
La conservation de l’énergie
La conservation de l’énergie
Helmholtz et la conservation de la force Forces de tension, forces vives.
Thomson
aucune énergie ne peut être détruite (1850)
Manuel de Thomson et Tait (1867) : énergie cinétique et
potentielle.