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 plongésdans le calorique, qu'ils en sont environnés, pénétrés de toutes parts,et qu'il remplit tous les intervalles que laissent entre elles leursmolécules ; que dans certains cas le calorique se fixe dans les corps,de manière même à constituer leurs parties solides, mais que le plussouvent il en écarte les molécules, il exerce sur elles une forcerépulsive, et que c'est de son action ou de son accumulation plus oumoins grande que dépend le passage des corps de l'état solide à l'étatliquide, de l'état liquide à l'état aériforme.

Antoine-Laurent de Lavoisier (1789)

Antoine de Lavoisier (1743-1794)

• 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

• Explique ainsi l’écoulement de la chaleur

Notez l’absence marquée de barbe !

Cu 10 g 60 C

H2O100 g30 C

Quelle est la températurefinale du système?

Problème typique que l’on veut résoudre :

Analogie avec le cas d’un fluide incompressiblesoumis à un champ de gravité :

Même volumed’eau

V

A

h

h = V / A

h1

h2

A2

A1

h1A1 + h2A2 =

h

h1A1 + h2A2 = hA1 + hA2h1A1 + h2A2 =

A2

A1

h = (h1A1 + h2A2) / (A1 + A2)

Q

Q : quantité de chaleur fournieθ : température atteinteC : chaleur spécifique

θ = Q / C

θ

θ1

C1

θ2

C2

θθθ =

θ1C1 + θ2C2

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 foragedes 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

Rudolf Clausius (1822-1888)Physicien allemand

• 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

Première loi de la thermodynamique

Nous tenterons de comprendre la relation entre les interactions…

• Thermique

• MécaniqueTHERMODYNAMIQUE

... mais du point de vue microscopique !