Bonjour et bienvenue dans cette vidéo.
Dans la précédente nous avons étudié la température et ses rapports avec la chaleur et j’ai insisté sur le fait qu’en thermodynamique, on doit toujours raisonner d’abord en termes de chaleur avant de le faire en termes de température, la chaleur étant une quantité physique immédiate alors que la température est une donnée dérivée. Nous allons dans cette deuxième vidéo explorer ce qu’est la chaleur et ses propriétés. Le fait essentiel est, avant toute autre chose, que la chaleur est une forme d’énergie.
Qu’est-ce que l’énergie ? Quand on se penche un peu sur ce concept on ne peut s’empêcher de lui trouver une dimension philosophique. C’est une notion grandiose et en même temps paradoxale. Grandiose parce que tout l’Univers n’est qu’énergie. La matière, le rayonnement, l’espace ne sont que des métamorphoses, des formes différentes d’énergie. Le Big Bang n’a été qu’une explosion d’énergie. Paradoxale parce que l’énergie est immatérielle, elle n’a ni forme, ni couleur, ni volume. Elle est partout présente et invisible, et si elle a une masse celle-ci est imperceptible. Nous ne constatons son existence que lorsqu’elle se manifeste dans un transfert ou dans sa transformation d’une forme dans une autre. Si nous allons au fond des choses nous ne sommes nous-même qu’une forme d’énergie, même les plus paresseux d’entre nous n’échappent pas à cette conclusion vertigineuse pour paradoxale qu’elle apparaisse !
La caractéristique essentielle de l’énergie est qu’elle se conserve. Vous vous rappellerez peut-être cette phrase laconique de Lavoisier « rien ne se perd, rien ne se créée » quelque peu ironique de la part de quelqu’un qui a perdu sa tête sous la guillotine révolutionnaire, sans qu’à ma connaissance cette perte ait été compensée par quelque création que ce soit, mais foin d’anthropomorphisme et d’humour aussi macabre que douteux ! Lavoisier à son époque ne parlait que de matière et son propos exprimait la loi de Conservation de la Matière. Mais la même Loi s’applique à l’Energie et comme il y a une loi de Conservation de la matière il y a aussi une loi de la Conservation de l’Energie. En réalité, depuis qu’Einstein a montré avec sa célèbre équation e=mc² que matière et énergie étaient la même chose sous des aspects différents, que la matière était de l’énergie condensée, il n’y a plus qu’une seule loi, celle de la conservation de l’Energie qui englobe les deux et qui prime sur la conservation de la Matière. Dans les expériences de Lavoisier il semblait y avoir conservation de la matière parce que la variation d’énergie était trop faible pour être mesurée ou même identifiée avec les moyens de l’époque. Ceci toutefois ne nous concerne pas directement car la transformation de matière en énergie ou d’énergie en matière ne se produit que dans des conditions bien loin de celles que nous rencontrerons en discutant du réchauffement climatique.
Cette compréhension de ce qu’est l’énergie, de son rôle et de sa conservation ne remonte pas très loin dans le temps et même encore aujourd’hui n’est pas toujours forcément bien perçue. On la doit initialement à une célèbre expérience du physicien français Joule qui a établi l’équivalence du travail et de la chaleur, c’est-à-dire en termes modernes, de l’énergie mécanique et de l’énergie calorifique. C’était dans les années 1840/1850. Joule a montré qu’en transformant de l’énergie mécanique en chaleur, par exemple par frottement, la quantité de chaleur produite était toujours proportionnelle à l’énergie mécanique fournie. Tous les étudiants de physique apprennent au début de leurs études que si on mesure l’énergie mécanique en Joule, une unité courante en physique, et l’énergie calorifique (on dit aussi thermique) en calories, 1 calorie est égale à 4,18 Joules ! On a des unités différentes pour l’énergie mécanique et pour l’énergie calorifique pour de simples raisons historiques, sinon il eut été plus logique d’utiliser les mêmes unités. Cela d’ailleurs n’est pas limité à la calorie, par exemple en électricité on parle de Watts, en électronique d’électrons volts et en automobile de chevaux vapeurs. C’est comme si on avait des règles différentes pour mesurer les longueurs.
Cette époque correspond au début de la Révolution Industrielle et à l’avènement de la machine à vapeur qui en est la cause principale. Sadi Carnot, un camarade polytechnicien mort prématurément à 36 ans du choléra avait publié en 1824, à 25 ans un traité intitulé « Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance», dans lequel il expliquait qu’une machine thermique doit pour fonctionner utiliser un fluide passant d’une source chaude à une autre froide, et que l’énergie mécanique générée correspondait à la chaleur libérée par ce fluide en se refroidissant. Il s’agissait donc bien de conversion d’énergie d’une forme en une autre, de la conversion d’énergie calorifique en énergie mécanique. A l’époque on ne connaissait pratiquement que l’énergie mécanique et l’énergie calorifique et l’on avait imaginé que l’énergie était un fluide qui pénétrait les corps et que l’on avait baptisé « calorique ». C’est bien sûr faux mais ça reste une excellente analogie. Les recherches thermodynamiques, le mot n’existait pas d’ailleurs à cette époque et n’a été inventé que plus tard, se limitaient aux transferts et à la transformation de chaleur en travail et réciproquement. Puis avec les débuts de l’électricité et les progrès de la chimie on a identifié d’autres aspects de l’énergie comme l’énergie électrique et l’énergie chimique et on a généralisé les principes de la thermodynamique à ces nouvelles formes d’énergies. La touche finale a été apportée par Einstein en 1905 avec sa fameuse équation e=mc², dans laquelle e est l’énergie constitutive d’un corps de masse m au repos et c la vitesse de la lumière, équation qui décrit en quelque sorte la matière comme de l’énergie condensée.
J’ouvre une parenthèse. E=mc² se démontre aisément – sans d’ailleurs faire même appel à la Relativité – mais c’est une équation qui reste mystérieuse à mes yeux, car on ne voit pas physiquement pourquoi le rapport entre l’énergie et sa masse équivalente m est égale au carré de la vitesse de la lumière, même si l’on considère que c représente non pas spécifiquement la vitesse de la lumière, un épiphénomène, mais plus généralement une limite maximum des vitesses dans l’Univers. Pourquoi y a-t-il une limite ? Ca reste pour moi un immense mystère. Personne n’en parle, personne ne semble s’intéresser à la question. Et qu’est-ce qu’une vitesse constante dans un Univers en expansion ?
On a une explication relativiste dans la mesure où la Relativité démontre qu’il faudrait dépenser une énergie infinie pour qu’un corps massique atteigne cette vitesse, mais c’est un raisonnement circulaire dans la mesure où la constance de la vitesse de la lumière est un postulat fondateur de la Relativité ! C’est un serpent qui se mord la queue …La masse est créée par l’interaction des particules avec le boson de Higgs et peut-être l’explication pourrait se trouver de ce coté, mais malheureusement cela dépasse mes compétences. Je ferme la parenthèse !
A de très hauts niveaux d’énergie, celle-ci peut se matérialiser et c’est ce qui s’est produit lors du Big Bang avec l’émission de radiations fabuleusement intenses qui se sont cristallisées en particules, tandis que réciproquement la matière peut en quelque sorte s’évaporer pour se transformer en énergie comme cela se passe de façon routinière dans les centrales nucléaires et d’ailleurs aussi tout simplement dans la radioactivité naturelle, pour ne pas mentionner Nagasaki et Hiroshima !
La thermodynamique repose sur trois principes fondamentaux :
Le premier énonce que l’énergie d’un système isolé est constante quoiqu’il se produise à l’intérieur de ce système. C’est le principe fondamental de conservation de l’énergie. L’énergie d’un système ne peut changer que s’il y a apport ou retrait d’énergie extérieure. Ce principe nous concerne directement dans le cadre de ce MOOC dans la mesure où l’atmosphère constitue justement un système isolé. C’est ce principe qui condamne le mouvement perpétuel qui produirait du travail sans apport extérieur d’énergie. En fait d’ailleurs ce mouvement perpétuel considéré comme impossible est tout à fait possible dans la mesure où il n’y aurait aucun frottement et donc aucune déperdition d’énergie par frottement, émission d’ondes électromagnétiques ou pour toute autre raison. On peut très légitimement supposer dans l’état de nos connaissances actuelles que c’est le cas de l’Univers. Comme l’énergie ne peut se dissiper qu’en lui-même elle se conserve … enfin peut-être. Avec tout l’inconnu que représentent la matière noire, l’énergie noire et l’accélération de l’expansion de l’univers je ne m’aventurerai pas trop loin dans ce domaine !
Le second principe de la Thermodynamique exprime le fait que si toutes les énergies sont égales quantitativement elles ne le sont pas qualitativement. Il y a une sorte de hiérarchie. En pratique dans toute transformation de l’énergie d’une forme à une autre il y a des pertes équivalentes à des frottements et qui se traduisent en génération de chaleur. La chaleur est donc au bas de l’échelle de qualité des énergies. La mesure de la qualité de l’énergie correspond à la notion d’entropie inventée et définie par Ludwig Boltzmann. Ca fonctionne un peu à l’envers. Plus l’entropie est grande plus l’énergie est dégradée. L’entropie est une mesure du caractère désordonné d’un système ou d’une situation. Plus un système est ordonné plus son entropie décroit. Laissé à lui-même un système ne peut que se dégrader. Si par exemple vous laissez tomber une goutte d’encre dans un verre d’eau vous verrez l’encre se mélanger peu à peu à l’eau jusqu’à ce que tout le verre soit rempli d’eau colorée, mais vous ne verrez jamais cette eau colorée se reconcentrer spontanément en une goutte d’encre.
Cette notion d’entropie est si générale qu’elle a dépassé le simple cadre de la thermodynamique et qu’elle est utilisée dans de nombreux autres contextes. Elle exprime l’irréversibilité des phénomènes naturels en l’absence d’action extérieure, et elle est si générale qu’elle explique pourquoi le temps se déroule du passé vers le futur, ce qu’on appelle la flèche du temps. Toutes les équations de la physique sont réversibles et on pourrait imaginer remonter dans le temps comme lorsqu’on rembobine un film. C’est l’entropie qui démontre que c’est impossible car elle pourrait dans ce cas diminuer au lieu d’augmenter. C’est dire si cette notion d’entropie a non seulement un caractère physique mais aussi philosophique !
Le troisième principe de la thermodynamique établit qu’au zéro absolu l’entropie de tous les corps est nulle. Ce troisième principe n’a été établi qu’en 1906 par Nerst et comme il est compliqué et ne joue aucun rôle dans notre problème de réchauffement et ne s’explique que dans le cadre de la mécanique quantique je ne le mentionne que pour mémoire.
Revenons plus prosaïquement à des questions plus terre à terre. Quel est physiquement le phénomène matériel, qui engendre la chaleur ? Je l’ai déjà évoqué dans la vidéo précédente, c’est pour les solides et les liquides, les vibrations des composants de leur structure microscopique, mais contrairement à une erreur très largement répandue pour ne pas dire universelle, supportée par l’axiome que tous les corps chauds rayonnent, ce n’est pas le cas des gaz. La température des gaz en effet n’est pas une mesure de l’agitation de leurs composants internes mais une mesure de la vitesse moyenne de déplacement de leurs molécules, du carré de cette vitesse en fait. Un gaz chaud est un gaz dont les molécules se déplacent très vite, ce n’est pas un gaz dont les molécules vibrent comme pour les solides. Et si les molécules d’un gaz vibrent, on parle alors de gaz excités, ces vibrations ne se traduisent pas par une augmentation de température. Nous verrons tout cela plus en détail ultérieurement.
Il nous reste à voir comment se transmet la chaleur. Pourquoi vous vous brulez quand vous saisissez une casserole chaude ou attrapez des engelures quand vous allez au ski ! Cela fera l’objet de la prochaine vidéo.
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