Bref historique du travail et de la chaleur

Plan de match
Ch. 3 : Mécanique statistique
Ch. 4 : Travail et chaleur
Ch. 5 : Thermodynamique statistique
Chapitre 4 – Travail et chaleur
Un bref historique du travail et de la chaleur
Nous savons, en général, que tous les corps de la nature sont plongés
dans le calorique, qu'ils en sont environnés, pénétrés de toutes parts,
et qu'il remplit tous les intervalles que laissent entre elles leurs
molécules ; que dans certains cas le calorique se fixe dans les corps,
de manière même à constituer leurs parties solides, mais que le plus
souvent il en écarte les molécules, il exerce sur elles une force
répulsive, et que c'est de son action ou de son accumulation plus ou
moins grande que dépend le passage des corps de l'état solide à l'état
liquide, de l'état liquide à l'état aériforme.
Antoine-Laurent de Lavoisier (1789)
• Détruit la théorie du
phlogistique
• Première théorie scientifique
de la chaleur
• Chaleur : fluide invisible, sans goût,
sans odeur, sans poids
 le calorique
• Corps chauds contiennent plus de
calorique que les corps froids
• Les parties constituantes du
calorique se repoussent
Antoine de Lavoisier (1743-1794)
• Explique ainsi l’écoulement de la chaleur
Notez l’absence
marquée de barbe !
Problème typique que l’on veut résoudre :
Cu
10 g
60 C
Quelle est la température
finale du système?
H2O
100 g
30 C
Analogie avec le cas d’un fluide incompressible
soumis à un champ de gravité :
Même volume
d’eau
A
h =V/A
h
V
A1
A2
h1
h2
h1A1 + h2A2 =
A1
A2
h
h1=A1(h+1A
h21A+2h=2A
hA
hA
2)1/+(A
1+
2 A2)
Q
θ
Q : quantité de chaleur fournie
θ : température atteinte
C : chaleur spécifique
θ=Q/C
θ2
C2
θ1
C1
θ
θ
θ1C1 + θ2C2
θ=
C1 + C2
• L’analogie
entre l’écoulement de la chaleur et celui d’un
fluide incompressible fonctionne parce que dans la
théorie de Lavoisier, la chaleur est une quantité qui
est conservée :
Rien ne se perd, rien ne se crée...
• Lavoisier pense même que la chaleur est un élément
(indestructible)
• Comme les atomes sont indestructibles, la quantité
de chaleur dans l’Univers doit être constante !
Benjamin Thompson, Comte Rumford
(1753-1814)
• Physicien britannique
• Ministre de la guerre en Bavière
Responsable du forage
des canons !
• La quantité de chaleur produite est phénoménale
et apparemment inépuisable…
• L’environnement du canon devrait devenir froid
selon l’approche de Lavoisier (le réservoir se vide)
• Au contraire, l’environnement devient plus chaud !!!
Travail mécanique converti en chaleur
(concept révolutionnaire difficile à accepter)
James Prescott Joule (1818-1889)
• Ancien directeur d’une fabrique de bière!
•
•
•
•
Expérimentateur minutieux
Équivalence travail mécanique  chaleur
Peu importe travail mécanique ou électrique
Équivalence mécanique de la chaleur :
1 N m = 0.241 calorie = 1 J
• Ni la chaleur, ni le travail ne sont
conservés, mais bien une combinaison
des deux (que l’on appellera énergie)
ΔE = Q − W
ΔE : changement de l’énergie interne
Q : chaleur extraite de l’environnement,
et absorbée par le système
W : travail effectué sur l’environnement
par le système
Rudolf Clausius (1822-1888)
Physicien allemand
Première loi de la thermodynamique
0
ΔE = Q − W
ΔE : changement de l’énergie interne
Q : chaleur extraite de l’environnement, et absorbée par le système
W : travail effectué sur l’environnement par le système
ΔE = − W
ΔE : changement de l’énergie interne
Q : chaleur extraite de l’environnement, et absorbée par le système
W : travail effectué sur l’environnement par le système
Nous tenterons de comprendre la relation entre
les interactions…
• Thermique
THERMODYNAMIQUE
• Mécanique
... mais du point de vue microscopique !