Thermodynamique évolution

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QUE SAIS-JE ?
(Théorie phénoménologique)
JACQUES TILLIEU
Professeur émérite à l'Université
des Scienoes et Techniques de Lille
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à ma Mère
à la mémoire de mon Père
ISBN 2 13 043277 8
Dépôt légal — 1 édition : 1990, décembre
© Presses Universitaires de France, 1990
108, boulevard Saint Germain, 75006 Paris
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AVANT-PROPOS
Thermodynamique, science qui se propose d'étudier
les phénomènes thermiques et leur évolution... Encore
faut-il définir ces phénomènes, les préciser, les
distinguer, par exemple à partir des « qualités
sensibles » de chaud et de froid, des pratiques de
chauffage, de production de travail. On sait que
c'est seulement au XVIII siècle que Black a séparé
la notion de température et celle de (quantité) de
chaleur.
Historiquement ( c'est surtout à propos de
systèmes matériels (macroscopiques) en équilibre, et
de leur passage d'un état d'équilibre à un autre,
que les notions et principes de la thermodynamique
ont été énoncés d'une manière de plus en plus
rigoureuse (pouvant tendre vers la forme axioma-
tique), de sorte que la forme « classique » (élaborée
au XIX siècle et perfectionnée depuis lors) de cette
science serait plus justement appelée thermostatique.
C'est à elle que nous consacrerons la majeure partie
de cet ouvrage.
Thermo dynamique, le terme dit aussi le désir de
bâtir une théorie des phénomènes thermiques sur le
modèle de la mécanique (de la dynamique) et,
éventuellement, de ramener toutes les notions de la
thermodynamique à celle d'énergie (cinétique, poten-
tielle...). Cette tendance, qui explique le nom
d'énergétique parfois donné à la thermodynamique,
n'a pas atteint son objectif ( puisque, nous le
( On trouvera une esquisse de l'histoire de la thermodynamique dans
R. Locqueneux, Histoire de la Physique, coll. « Que sais-je ? », n° 421, p. 61
sq., PUF, 1987.
( Sur les difficultés rencontrées, il est intéressant de lire le chapitre
VIII, « Energie et thermodynamique », dans H. Poincaré, La science et
l'hypothèse, Flammarion, 1906.
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verrons, des notions fondamentales comme celles
d'entropie et de température ne peuvent être consi-
dérées, surtout au niveau macroscopique auquel
nous nous maintiendrons dans cet ouvrage, comme
de nature mécanique ; toutefois, nous montrerons
qu'il est possible de définir la notion de chaleur,
par exemple, en relation assez étroite avec les
notions mécaniques de travail et d'énergie.
Même lorsque la thermostatique considère des
transformations, des passages entre deux états
d'équilibre, elle ne se préoccupe pas d'en décrire
l'évolution temporelle. Une théorie proprement dy-
namique n'est vraiment abordée qu'en 1931 par
Onsager. Celui-ci crée alors la thermodynamique des
phénomènes irréversibles sous une forme encore
restreinte que l'on peut appeler, pour des raisons
que nous indiquerons ultérieurement, la thermody-
namique linéaire.
Etablir une thermodynamique vraiment générale
est une tâche en cours, que nous ne pourrons
aborder que très succinctement, à propos de laquelle
plusieurs écoles proposent des formulations plus ou
moins différentes, inspirées qu'elles sont par des
problèmes provenant soit de la cinétique chimique
ou biologique, soit de la mécanique des fluides.
Quoi qu'il en soit des développements futurs de
cette théorie, celle-ci peut être caractérisée soit
comme thermodynamique non-linéaire (on sait que la
physique des phénomènes non-linéaires est en pleine
expansion), soit comme théorie générale des milieux
continus.
Cette dernière expression montre que la structure
moléculaire (atomique) ultime des systèmes considérés
n'est pas prise en compte. C'est dire que, délibéré-
ment, nous ne traiterons pas de la thermodynamique
statistique qui fait intervenir cette constitution
atomique (dite souvent microscopique) pour en
dériver les propriétés, en particulier thermodyna-
miques, d'un système macroscopique ; les problèmes
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