Nous allons faire un voyage à travers l'histoire de la thermodynamique, cette partie de la physique qui étudie la chaleur, l'énergie et la façon dont elles se transforment.
Pour comprendre comment nous en savons autant sur ce sujet, il est important de rencontrer les grands esprits qui ont fait d’importantes découvertes.
Nous allons parler des scientifiques les plus éminents en thermodynamique, de leur vie, de quelques curiosités et du rôle fondamental qu'ils ont joué dans l'évolution de cette science.
Sadi Carnot (1796-1832) – Le père de la thermodynamique
Commençons par l'un des plus importants, le Français Sadi Carnot .
Carnot est considéré comme l'un des pionniers de la thermodynamique, même s'il n'a pas vu le développement complet de cette science, puisqu'il est mort jeune à l'âge de 36 ans, victime du choléra. Carnot est né à Paris, dans une famille aux liens politiques et scientifiques forts, qui lui ont permis d'étudier dans les meilleures institutions de l'époque, comme l'École Polytechnique de Paris.
Ce qui rend Carnot si important, c'est qu'il a été le premier à comprendre comment fonctionnaient les moteurs thermiques, c'est-à-dire ceux qui convertissent la chaleur en travail.
Dans son célèbre livre « Réflexions sur la puissance motrice du feu » (1824), il proposait que les machines à vapeur ne pouvaient pas fonctionner sans une différence de température entre une source chaude et une source froide. Fondamentalement, la machine à vapeur avait besoin d’un « flux » de chaleur du chaud au froid pour effectuer un travail utile.
De plus, Carnot a introduit le concept du « cycle de Carnot », un cycle théorique qui décrivait comment faire fonctionner le moteur thermique le plus efficace possible.
Ce qui est curieux à propos de Carnot, c’est qu’il n’a jamais été pleinement apprécié à son époque. En fait, il est mort anonymement et ce n’est que des années plus tard que ses idées ont été pleinement reconnues et comprises.
C’était plutôt un visionnaire qui, bien que mort jeune, a laissé une marque qui allait changer le cours de la physique.
James Prescott Joule (1818-1889) – L'homme de l'énergie
Tournons-nous maintenant vers un nom bien connu : James Prescott Joule , physicien anglais né dans une famille aisée.
La famille Joule possédait une brasserie, mais dès son plus jeune âge, James se révéla plus un homme de science qu'un amateur de bière. On lui attribue la fameuse loi de conservation de l’énergie, fondamentale en thermodynamique.
Joule a réalisé des expériences dans lesquelles il a démontré que l'énergie mécanique et la chaleur sont liées , c'est-à-dire qu'elles peuvent se transformer l'une dans l'autre. Cette découverte a conduit à la formulation du premier principe de la thermodynamique, selon lequel l'énergie n'est ni créée ni détruite, seulement transformée.
Il l'a fait en réalisant des expériences assez rudimentaires mais ingénieuses, comme la célèbre expérience du moulin à eau, où il mesurait la chaleur générée par le brassage de l'eau à l'aide d'un système de poids et de poulies.
Ce qui est curieux à propos de Joule, c'est que, bien qu'il ait mené des expériences aussi importantes, il n'était pas un scientifique universitaire formel. Joule ne travaillait dans aucune université, mais était autodidacte et finançait ses propres expériences, construisant même son propre équipement de laboratoire.
De plus, il aimait tellement la science qu'il mesurait même la température de l'eau pendant ses vacances dans les Alpes.
Rudolf Clausius (1822-1888) – Le Seigneur de l'Entropie
Un autre nom essentiel dans l'histoire de la thermodynamique est le physicien allemand Rudolf Clausius .
Nous devons à Clausius le concept d' entropie , un mot que vous avez probablement entendu en cours de physique ou de chimie. Il est né dans une petite ville de l’actuelle Pologne, mais a étudié à Berlin et a ensuite enseigné dans des universités allemandes.
En 1850, Clausius reformula les idées de Carnot et Joule, en proposant le deuxième principe de la thermodynamique , selon lequel, dans tout processus naturel, l'entropie de l'univers augmente toujours. En termes simples, l’entropie est une mesure du désordre : plus il y a d’entropie, plus un système est chaotique.
Clausius s'est rendu compte que même si l'énergie est conservée (premier principe de la thermodynamique), la qualité de cette énergie change et il y a toujours une partie qui est « perdue » sous forme de chaleur inutilisable.
Clausius a également joué un rôle important dans l'unification de l'étude de la chaleur avec l'électricité et la théorie cinétique des gaz. En fait, il était un défenseur clé de la théorie atomique alors qu’elle était encore controversée.
William Thomson (Lord Kelvin) (1824-1907) – L'homme du froid extrême
Parlons maintenant d'un scientifique britannique qui est pratiquement une légende, William Thomson , mieux connu sous le nom de Lord Kelvin . Vous avez sûrement déjà entendu parler du degré Kelvin, l’unité de mesure de la température qui porte son nom. Eh bien, Lord Kelvin était l'un des plus grands physiciens de son époque et a beaucoup contribué à la thermodynamique.
Kelvin a été l'un des premiers à établir une échelle de température absolue , ce que nous connaissons aujourd'hui sous le nom d'échelle Kelvin. Sur cette échelle, le zéro absolu (-273,15ºC) est la température la plus basse possible, où les molécules n'ont pas d'énergie cinétique et où tout s'arrête.
Ce fut une étape importante car jusque-là, toutes les échelles de température étaient relatives, comme les degrés Celsius ou Fahrenheit.
De plus, Kelvin a travaillé avec Joule dans la célèbre expérience Joule-Thomson, où ils ont démontré que lorsqu'un gaz se dilate sans effectuer de travail, sa température diminue, un phénomène clé pour comprendre comment refroidir les gaz et, par conséquent, créer des systèmes de réfrigération modernes.
Curieusement, Kelvin était passionné par les câbles sous-marins et a contribué à l'installation du premier câble télégraphique transatlantique, qui permettait une communication instantanée entre l'Europe et l'Amérique.
Il n'était pas seulement un théoricien, mais il aimait appliquer ses connaissances en physique à l'ingénierie et à la technologie pratiques.
Ludwig Boltzmann (1844-1906) – Le statisticien des atomes
Passons maintenant à un personnage très intéressant et, pour beaucoup, tragique : le physicien autrichien Ludwig Boltzmann .
Boltzmann est connu comme le créateur de la mécanique statistique , une théorie qui explique comment les propriétés macroscopiques des systèmes, telles que la température et la pression, résultent des interactions de nombreuses particules individuelles.
Boltzmann a été l’un des premiers à défendre l’idée selon laquelle la matière est composée d’atomes et de molécules, ce que nous tenons aujourd’hui pour acquis, mais qui était très controversé à son époque.
Grâce à cette idée, il a pu expliquer la deuxième loi de la thermodynamique en termes de probabilité : les systèmes ont tendance à se désordonner (à augmenter leur entropie) parce que les particules sont statistiquement plus susceptibles d'être distribuées de manière désordonnée que ordonnée.
Malheureusement, Boltzmann a eu une vie personnelle difficile. Malgré ses brillantes contributions à la physique, il fut vivement critiqué par certains de ses collègues qui n'acceptaient pas l'idée des atomes.
Cette pression, ainsi que d'autres problèmes personnels, le conduisirent à se suicider en 1906. Aujourd'hui, Boltzmann reste dans les mémoires comme l'un des pères de la physique moderne, et son équation S=k⋅lnW, qui relie l'entropie à la probabilité, est gravée. sur sa pierre tombale.
Josiah Willard Gibbs (1839-1903) – Le maître de l'énergie libre
Le prochain sur notre liste est l'Américain Josiah Willard Gibbs , un scientifique qui était un génie en mathématiques et en physique, mais qui a vécu une vie assez tranquille, sans trop d'excentricités.
Gibbs n'était pas aussi célèbre à son époque, en partie parce que son travail était très abstrait, mais ses idées sont fondamentales pour la thermodynamique et la chimie modernes.
Gibbs a introduit le concept d' énergie libre , qui mesure la quantité de travail utile qu'un système peut effectuer. L'énergie libre de Gibbs nous permet de comprendre comment se produisent les réactions chimiques et les processus thermodynamiques. Grâce à lui, les scientifiques ont pu prédire quelles réactions seraient spontanées et lesquelles ne le seraient pas.
Bien que Gibbs n'ait pas beaucoup voyagé et ait préféré rester dans son laboratoire de Yale, ses contributions se sont répandues dans le monde entier.
Curieusement, il était si modeste que lorsque ses collègues essayaient de lui décerner une récompense, il se sentait mal à l'aise et la rejetait. Son nom reste néanmoins fondamental dans l’histoire de la thermodynamique.