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Thermodynamique.
Transformation de l'énergie

Énergie thermique I de combustion.
Effets de la thermodynamique

Entropie

William John Macquorn Rankine

William John Macquorn Rankine

William John Macquorn Rankine (Édimbourg, 5 juillet 1820 - Glasgow, 24 décembre 1872) était un ingénieur et physicien écossais. Il avait des intérêts très différents; Dans sa jeunesse, il s'est intéressé à la botanique, à la théorie musicale et à la théorie des nombres et à ses dernières années en mathématiques et en technologie.

Avec Rudolf Clausius et William Thomson, il fait partie des fondateurs de la thermodynamique. Il a également développé la théorie derrière la machine à vapeur, introduit des concepts tels que l' énergie cinétique et potentielle, et étudié les ondes de choc et la fatigue des métaux. Une échelle de température est nommée d'après William Rankine, connue sous le nom d'échelle de Rankine.

La vie de William John Macquorn Rankine

Rankine était le fils du soldat professionnel et plus tard de l'ingénieur civil David Rankine et la fille du banquier Barbara Grahame de Glasgow. Il était le deuxième fils, mais son frère aîné est décédé très jeune. En raison de sa mauvaise santé, il a été enseigné principalement à la maison. Il a fréquenté le lycée d'Ayr et de Glasgow quelques années seulement après que la famille s'y soit installée en 1830. Dans sa jeunesse, il s'intéressait beaucoup à la musique et aux mathématiques. Après avoir lu, à l'âge de quatorze ans, la plus grande œuvre d'Isaac Newton, Principia Mathematica (1687) en latin, s'est intéressée à la physique.

À seize ans, en 1836, il commence à étudier les sciences naturelles à l'Université d'Édimbourg, où il apprend, entre autres, la philosophie naturelle avec James David Forbes et l'histoire naturelle avec Robert Jameson. À cette époque, il a également lu beaucoup de travaux de philosophes des Lumières écossaises. À l'université, il a reçu deux prix pour des essais sur les méthodes de recherche physique et sur la théorie des ondes de la lumière, mais n'a pas terminé le cours.

En 1838, il quitta l'université et devint assistant de l'ingénieur civil irlandais John Benjamin MacNeill. Il a travaillé ici sur la conception de chemins de fer, la construction de ports et la construction d'égouts. Dans le même temps, il a commencé à écrire des articles qui ont été publiés, entre autres, par la "Institution of Civil Engineers" britannique. En 1855, il est nommé professeur de génie civil et de génie mécanique à l'Université de Glasgow.

Rankine est devenu membre de la Royal Society of Edinburgh en 1849 et de la Royal Society à Londres en 1853. Il était également membre de la Royal Swedish Society of Sciences et de l'American American Academy of Arts and Sciences. En 1857, il fonde une branche écossaise de la «Institution of Civil Engineers» et en est le premier président jusqu'en 1870. En 1857, Rankine reçoit un doctorat honorifique du Trinity College de Dublin.

Rakine était également un musicien talentueux et jouait du violoncelle, du piano et chantait. Il a également écrit des poèmes, qui ont été publiés à titre posthume en tant qu'œuvres compilées.

Importance du travail de Rankine

En plus de son travail d'ingénieur civil, Rankine a apporté plusieurs contributions à la science. Il a écrit des ouvrages standard de mécanique, théorie et pratique de la vapeur, principes de génie civil et principes de construction mécanique. Avec cela, il a apporté une contribution importante à la formalisation des sciences techniques, qui à cette époque est devenu un exemple national et international de l'Europe en Amérique et au Japon.

Une particularité de son travail est que Rankine a pu combler l'écart entre la pratique de l'ingénierie et la recherche scientifique. La science à cette époque était principalement pure et abstraite et les ingénieurs s'en méfiaient. Dans l'esprit de Francis Bacon et Thomas Reid, Rankine a réussi à rendre la recherche scientifique utile à la pratique. Par exemple, il a apporté une contribution importante à la thermodynamique avec ses recherches scientifiques et la construction de théories. Il était également basé sur les travaux de Benoît Clapeyron, Sadi Carnot et JP Joule.

Recherche en génie mécanique

En partie à la suggestion de son père, qui en savait beaucoup sur les chemins de fer, Rankine s'est d'abord concentré sur le génie mécanique. Sa première publication, à partir de 1842, était intitulée "Une enquête expérimentale sur l'avantage des roues cylindriques sur les chemins de fer". L'année suivante, il présente un article sur la fatigue du métal qui se produit dans les axes des locomotives. Il a montré que les ruptures d'essieux étaient dues à une dégénérescence progressive, dont la fatigue (fatigue mentionnée). Ce phénomène s'est produit principalement avec des transitions soudaines dans la structure, et a conseillé de terminer ces transitions.

Dans le domaine de l'électricité statique, il a développé des méthodes de calcul de la répartition des forces dans les structures de bâtiments et a mené des recherches sur la stabilité des bâtiments. Il a également étudié l'hydrodynamique et la conception de navires.

L'objet de la physique

En plus de ses contributions aux sciences techniques, Rankine a commencé ses recherches en sciences naturelles au cours des années 40 du 19e siècle. Rankine avait été fasciné par les machines à vapeur depuis son plus jeune âge, qui avait acquis une nouvelle dimension grâce à son travail avec les chemins de fer. Il a cherché des lois fondamentales à travers des expériences avec des processus thermodynamiques. Rankine est allée encore plus loin dans ses pensées et a philosophé sur la nature de l'univers et l'objet de la physique. Par exemple, en 1852, il a déclaré ce que l'on appellerait plus tard la loi de conservation de l'énergie:

"Des preuves expérimentales s'accumulent chaque jour, ou une loi qui a supposé qu'il y a une longue jambe," tous les différents types d'énergie physique dans l'univers sont mutuellement convertibles ", que la quantité totale d'énergie physique, que ce soit en forme de mouvement visible et de puissance mécanique, ou de chaleur, de lumière, de magnétisme, d'électricité ou d'agence chimique, ou d'une autre manière non encore comprise, sont immuablement les transformations de ses différentes parties d'une de ces formes de puissance à une autre, et son transfert d'une partie de la matière à une autre, constituant les phénomènes qui font l'objet de la physique expérimentale. "

Rankine a vu une connexion entre tous les phénomènes physiques du mouvement visible et l'énergie mécanique, la chaleur, la lumière, le magnétisme, l'électricité et l'énergie chimique. Il a résolu plus tard l'idée de l'interchangeabilité de toutes ces formes d'énergie et des lois qui sous-tendent cela dans sa théorie de l'énergie. Pour rendre cet ensemble de phénomènes physiques discutable, il a proposé une hypothèse de vertèbres moléculaires pour décrire la structure moléculaire de la matière. Le nom du cycle de Rakine doit son nom au physicien écossais.

Hypothèse des vertèbres moléculaires

Une hypothèse centrale dans les travaux scientifiques de Rankine était son hypothèse des vertèbres moléculaires (tourbillons à l'échelle moléculaire), également appelée «théorie de l'élasticité centrifuge». Selon cette hypothèse, toute la matière était constituée de molécules formées de noyaux atomiques entourés d'une atmosphère élastique, qui était maintenue en place par des forces d'attraction. Rankine a également estimé que la chaleur était une sorte de vibration de l'atmosphère qui tournait autour du noyau atomique et que la lumière était, en fait, une vibration qui a émergé du mouvement des noyaux atomiques et s'est propagée encore plus grâce à l'attraction et répulsion mutuelle de ces noyaux. Rankine a attribué des propriétés mécaniques à l'atmosphère elle-même. Selon le,

Cette hypothèse lui a offert un modèle pour sa théorie de la lumière et de la chaleur. Il a expliqué la double réfraction de la lumière comme le transfert de mouvement de l'atmosphère vers les noyaux atomiques et vice versa. Il est également venu de cette hypothèse pour ses comparaisons sur le gaz et la chaleur. Il a franchi une autre étape et a travaillé sur une théorie générale de l'action mécanique qui pourrait générer de la chaleur. Il a montré qu'une certaine quantité de chaleur a disparu et est venu à sa propre formulation de la deuxième loi de la thermodynamique. Cette hypothèse n'a pas joué un rôle dans la théorie des machines à vapeur de Rankine, mais elle est revenue dans la théorie de l'énergie de Rankine qui serait importante dans l'industrie des centrales thermiques et de l'énergie solaire thermique.

Cette hypothèse avait une certaine influence à l'époque. James Clerk Maxwell, par exemple, l'a utilisé dans son article "Sur les lignes de force physiques" de 1861. Il a supposé que les lignes de force magnétiques d'une substance étaient transportées par une mer de vertèbres moléculaires, composée en partie d'éther et en partie en matière ordinaire.

Théorie et effets de la thermodynamique

Selon son hypothèse de vertèbres moléculaires en 1849, il avait trouvé le lien entre la pression de vapeur saturée et la température. L'année suivante, il a trouvé des liens entre les quantités de température, de pression et de densité de gaz et a décrit la chaleur latente après évaporation d'un liquide. Rankine a correctement prédit que la chaleur spécifique de la vapeur saturée serait négative.

Rankine a apporté une contribution importante à la compréhension élémentaire dans le domaine théorique. Par exemple, il a introduit le nom «énergie» pour la quantité physique fondamentale qui était auparavant connue sous le nom de «force vitale». Il a également été le premier à décrire le transfert d'énergie dans les machines à vapeur, par exemple, comme une conversion de la chaleur en énergie cinétique.

Rankine a déclaré, sur la base de sa propre théorie, que l'efficacité maximale des moteurs thermiques dépendrait uniquement des fluctuations de température auxquelles ces moteurs sont soumis pendant leur fonctionnement. Le prussien Rudolf Clausius a développé le processus Carnot sur la base des idées de Rankine. Les travaux de Rankine dans le domaine de la thermodynamique ont été repris par James Clerk Maxwell.

Rankine a ensuite reformulé les résultats de sa propre théorie sur les mouvements des molécules avec l'énergie et la transformation de l'énergie. Il a affirmé que l'énergie effective (énergie réelle) dans les processus dynamiques était perdue et remplacée par l'énergie potentielle, une idée qui était connue d'une certaine manière comme la loi de conservation de l'énergie depuis un certain temps.

En 1859, Rankine a proposé son échelle de Rankine pour mesurer les températures absolues.

Énergique

Dans l'article "Schemes of energy science" de 1855, Rankine intervient dans le débat scientifique et philosophique sur la méthode déductive et inductive pour acquérir des connaissances et le rôle de l'hypothèse à cet égard. Rankine a estimé que l'hypothèse, qu'il a appelée théorie hypothétique, n'était qu'une étape intermédiaire nécessaire pour simplifier la prise en compte des phénomènes. Cela a permis d'arriver à une formulation d'une théorie abstraite qui peut être postulée par induction.

Suite à son hypothèse des vertèbres moléculaires et de leur effet sur la thermodynamique, Rankine a présenté une nouvelle théorie dans laquelle la dynamique était traitée sur la base de l'énergie et de la transformation de l'énergie au lieu de la force et du mouvement. Avec cela, il a amené toutes les forces de la nature connues à l'époque à une théorie universelle: une théorie de la loi générale, qui régule chaque transformation de l'énergie. Il l'a appelé la science de l'énergie. Cette théorie a souvent été mentionnée en particulier dans la seconde moitié du XIXe siècle et a constitué un exemple de spéculation plus approfondie à ce sujet, entre autres, Ernst Mach et Wilhelm Ostwald.

Physique mathématique

Avec des contributions à la théorie de l'élasticité et des ondes, Rankine a apporté une contribution importante au développement de la physique mathématique.

Auteur :

Date de publication : 26 février 2020
Dernier examen : 26 février 2020