{"id":88,"date":"2006-03-12T21:51:18","date_gmt":"2006-03-12T20:51:18","guid":{"rendered":"http:\/\/www.francois-roddier.fr\/wordpress\/?p=88"},"modified":"2014-06-05T21:52:05","modified_gmt":"2014-06-05T20:52:05","slug":"6-un-peu-de-thermodynamique","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.francois-roddier.fr\/?p=88","title":{"rendered":"6 &#8211;  Un peu de thermodynamique"},"content":{"rendered":"<p>L\u2019homme pr\u00e9historique ne pouvait compter que sur ses muscles. Devenu agriculteur, il doit retourner la terre, faucher le bl\u00e9 et le battre pour en extraire les graines, puis \u00e9craser les graines pour en faire de la farine. Tout cela \u00e0 la sueur de son front. Apr\u00e8s avoir r\u00e9ussi \u00e0 domestiquer des animaux, il parvient \u00e0 en utiliser certains pour tirer une charrue ou faire tourner une meule. Il r\u00e9ussit ensuite \u00e0 utiliser l\u2019\u00e9nergie motrice d\u2019un courant d\u2019eau (moulin \u00e0 eau) ou d\u2019air (moulin \u00e0 vent). Ce n\u2019est qu\u2019\u00e0 la fin du 17\u00e8me si\u00e8cle qu\u2019il r\u00e9ussit \u00e0 utiliser le feu. En 1690, Denis Papin construit la premi\u00e8re machine \u00e0 vapeur <a href=\"http:\/\/www.ledenispapin.com\/denispapin_inventeurdelamachineavapeur.htm\">(1)<\/a>. En 1769 James Watt d\u00e9pose le brevet de la premi\u00e8re machine \u00e0 vapeur utilisable industriellement <a href=\"http:\/\/visite.artsetmetiers.free.fr\/watt.html\">(2)<\/a>. Ces d\u00e9veloppements conduisent \u00e0 une r\u00e9flexion th\u00e9orique. Si la chaleur peut produire de l\u2019\u00e9nergie m\u00e9canique, l\u2019inverse est encore plus facile. Par frottement, l\u2019\u00e9nergie m\u00e9canique produit de la chaleur. En 1842, le physicien anglais James Prescott Joule d\u00e9montre l\u2019\u00e9quivalence des deux formes d\u2019\u00e9nergie. En son honneur, l\u2019\u00e9nergie est de nos jours mesur\u00e9e en \u201cjoules\u201d (3). Pour \u00e9lever de 1 degr\u00e9 la temp\u00e9rature de 1 gramme d\u2019eau, c\u2019est-\u00e0-dire produire une calorie, il faut d\u00e9penser une \u00e9nergie m\u00e9canique de 4,18 joules. Joule \u00e9tudie aussi la dissipation de l\u2019\u00e9nergie \u00e9lectrique en chaleur, appel\u00e9e de nos jours \u201ceffet Joule\u201d. La puissance d\u2019un radiateur \u00e9lectrique est maintenant mesur\u00e9e en watts, c\u2019est-\u00e0-dire en joules\/seconde. Le feu est une r\u00e9action chimique vive d\u2019oxydation par l\u2019oxyg\u00e8ne de l\u2019air. Le feu convertit donc de l\u2019\u00e9nergie chimique en chaleur. En 1800, Volta venait de fabriquer la premi\u00e8re pile capable de convertir directement l\u2019\u00e9nergie chimique en \u00e9lectricit\u00e9. On pouvait donc passer d\u2019une forme d\u2019\u00e9nergie \u00e0 une autre. La lumi\u00e8re elle-m\u00eame ou tout rayonnement \u00e9lectromagn\u00e9tique produit, lorsqu\u2019il est absorb\u00e9, un \u00e9chauffement et propage donc de l\u2019\u00e9nergie. Il a fallu attendre Einstein et sa fameuse relation E=mc2 pour s\u2019apercevoir que toute mati\u00e8re est de l\u2019\u00e9nergie. Ainsi mati\u00e8re et rayonnement, c\u2019est-\u00e0-dire tout l\u2019univers est \u00e9nergie. Si tout est \u00e9nergie, alors pourquoi la crise du p\u00e9trole est-elle un probl\u00e8me? Ce ne sont pas en effet les sources d\u2019\u00e9nergie qui manquent, mais les sources d\u2019\u00e9nergie facile \u00e0 convertir en \u00e9nergie m\u00e9canique. L\u2019homme a d\u2019abord utilis\u00e9 de l\u2019\u00e9nergie d\u00e9j\u00e0 pr\u00e9sente sous forme m\u00e9canique. C\u2019est le cas de l\u2019\u00e9nergie du vent ou des chutes d\u2019eau. Si la conversion d\u2019\u00e9nergie m\u00e9canique en chaleur est ais\u00e9e, partir de la chaleur pour obtenir de l\u2019\u00e9nergie m\u00e9canique est bien plus difficile. Au 19\u00e8me si\u00e8cle on s\u2019interroge sur la cause de cette difficult\u00e9 et sur le meilleur moyen de la surmonter. En 1824, un polytechnicien de 28 ans, Nicolas L\u00e9onard Sadi Carnot apporte le premier une r\u00e9ponse \u00e0 ce probl\u00e8me en publiant une brochure d\u2019une centaine de pages intitul\u00e9e \u201csur la puissance motrice du feu\u201d (4). Cet ouvrage fondamental \u00e9tablissait les bases th\u00e9oriques d\u2019une nouvelle science, la thermodynamique <a href=\"http:\/\/www.carnot.org\/Francais\/nicolas%20leonard%20sadi%20carnot.htm\">(5)<\/a>. Carnot part du fait que la production de chaleur par frottement m\u00e9canique est un ph\u00e9nom\u00e8ne irr\u00e9versible. Pour effectuer la transformation inverse, c\u2019est-\u00e0-dire transformer de la chaleur en \u00e9nergie m\u00e9canique il faut utiliser des transformations r\u00e9versibles. Ceci n\u2019est possible que si l\u2019on dispose de deux sources de chaleur \u00e0 des temp\u00e9ratures diff\u00e9rentes. Il faut extraire de la chaleur d\u2019une source chaude (pour produire de la vapeur). Mais il faut aussi obligatoirement en rendre une partie \u00e0 une source froide (pour la condenser). On ne peut donc convertir qu\u2019une partie seulement seulement de la chaleur en travail. Cette partie est d\u2019autant plus grande que la diff\u00e9rence de temp\u00e9rature entre les deux sources est plus \u00e9lev\u00e9e. Ainsi, le rendement de la transformation, appel\u00e9 depuis le rendement de Carnot, est toujours inf\u00e9rieur \u00e0 l\u2019unit\u00e9. Il ne d\u00e9pend pas du fluide utilis\u00e9 mais seulement de la temp\u00e9rature des sources. Il est proportionnel \u00e0 la diff\u00e9rence entre leur deux temp\u00e9ratures. Carnot montrait ainsi que la chaleur est une forme d\u00e9grad\u00e9e d\u2019\u00e9nergie. S\u2019il est possible d\u2019en r\u00e9cup\u00e9rer une partie gr\u00e2ce \u00e0 des diff\u00e9rences de temp\u00e9rature, on sait que les temp\u00e9ratures tendent g\u00e9n\u00e9ralement \u00e0 s\u2019uniformiser rendant peu \u00e0 peu l\u2019\u00e9nergie thermique d\u00e9finitivement irr\u00e9cup\u00e9rable. D\u2019une fa\u00e7on g\u00e9n\u00e9rale, l\u2019\u00e9nergie se conserve mais se d\u00e9grade. Lorsqu\u2019on parle couramment de \u201cconsommation d\u2019\u00e9nergie\u201d, en fait on ne la consomme pas, on la d\u00e9grade irr\u00e9versiblement sous forme de chaleur. Rien ne se perd, rien ne se cr\u00e9e mais tout \u00e9volue inexorablement. Je reviendrai plus en d\u00e9tail sur ce sujet.<\/p>\n<table width=\"600\">\n<tbody>\n<tr align=\"center\">\n<td width=\"80\"><\/td>\n<td><a href=\"http:\/\/www.francois-roddier.fr\/wordpress\/wp-content\/uploads\/2006\/03\/sadi_leonard_carnot.jpg\"><img decoding=\"async\" class=\"aligncenter size-full wp-image-90\" src=\"http:\/\/www.francois-roddier.fr\/wordpress\/wp-content\/uploads\/2006\/03\/sadi_leonard_carnot.jpg\" alt=\"sadi_leonard_carnot\" width=\"180\" \/><\/a><\/td>\n<td>Nicolas L\u00e9onard Sadi Carnot \u00e0 17 ans en habit de polytechnicien<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n<p>On peut classer les diff\u00e9rentes formes d\u2019\u00e9nergie selon la nature des forces mises en jeu: forces de gravit\u00e9, forces \u00e9lectromagn\u00e9tiques et forces nucl\u00e9aires. Il est important de distinguer la source d\u2019origine des formes utilis\u00e9es ensuite pour le stockage et le transport. On peut obtenir sur terre un peu d\u2019\u00e9nergie d\u2019origine gravitationnelle gr\u00e2ce au mouvement des mar\u00e9es. Cette \u00e9nergie est prise essentiellement sur le syst\u00e8me terre-lune avec pour effet de ralentir insensiblement la lune sur son orbite. Pour le reste, l\u2019\u00e9nergie sous forme gravitationnelle est principalement utilis\u00e9e comme stockage dans les barrages. La source de presque toute l\u2019\u00e9nergie utilis\u00e9e sur terre est d\u2019origine \u00e9lectromagn\u00e9tique. C\u2019est le rayonnement solaire. On peut le convertir directement en \u00e9lectricit\u00e9 gr\u00e2ce \u00e0 l\u2019effet photo\u00e9lectrique. La nature l\u2019utilise depuis longtemps dans la photosynth\u00e8se. Sans lui nous n\u2019aurions pas d\u2019oxyg\u00e8ne pour respirer, ni d\u2019aliments pour nous nourrir. C\u2019est l\u2019\u00e9nergie solaire qui agite l\u2019atmosph\u00e8re et pompe l\u2019eau qui alimente nos rivi\u00e8res. Elle fait tourner nos moulins et alimente nos barrages. C\u2019est elle qui fait pousser les arbres et nous fournit le bois pour nous chauffer l\u2019hiver. C\u2019est elle que la vie a lentement emmagasin\u00e9e pendant des millions d\u2019ann\u00e9es sous forme d\u2019\u00e9nergie fossile. Le p\u00e9trole en est sans doute la forme la plus pr\u00e9cieuse. Deux si\u00e8cles auront suffi \u00e0 l\u2019homme pour l\u2019\u00e9puiser. On peut enfin extraire de l\u2019\u00e9nergie de la mati\u00e8re soit par fission soit par fusion nucl\u00e9aire. La fission utilise la radioactivit\u00e9 naturelle. La fa\u00e7on la plus b\u00e9nigne de le faire est d\u2019utiliser la chaleur qu\u2019elle d\u00e9gage dans la terre, c\u2019est-\u00e0-dire l\u2019\u00e9nergie g\u00e9othermique. La consommation mondiale d\u2019\u00e9nergie g\u00e9othermique repr\u00e9sente 0,18% de l\u2019\u00e9nergie consomm\u00e9e sous forme de p\u00e9trole. Une fa\u00e7on plus radicale est d\u2019extraire de la terre ses \u00e9l\u00e9ments radioactifs (essentiellement l\u2019uranium) et de les concentrer. Lorsque la concentration est suffisante on obtient une r\u00e9action en chaine comme celle de la premi\u00e8re bombe atomique. Si l\u2019on maitrise la r\u00e9action, on obtient un d\u00e9gagement de chaleur important tel que celui produit dans une centrale nucl\u00e9aire. La chaleur est alors convertie en \u00e9lectricit\u00e9, un fleuve comme le Rh\u00f4ne servant de source froide. En France, 80% de l\u2019\u00e9lectricit\u00e9 est d\u2019origine nucl\u00e9aire. A ce rythme, les r\u00e9serves d\u2019uranium sont estim\u00e9es durer de l\u2019ordre d\u2019un si\u00e8cle. L\u2019exemple de Tchernobyl entre autres montre que ce n\u2019est pas sans danger. Il y a aussi production de d\u00e9chets radioactifs dont on ne sait toujours pas se d\u00e9barasser de fa\u00e7on enti\u00e8rement satisfaisante. La fusion nucl\u00e9aire consiste \u00e0 fusionner deux noyaux d\u2019hydrog\u00e8ne (plut\u00f4t sous forme d\u2019isotopes: deut\u00e9rium, tritium) pour obtenir un noyau d\u2019h\u00e9lium. C\u2019est ainsi que fonctionne une bombe \u00e0 hydrog\u00e8ne. C\u2019est aussi de cette fa\u00e7on que le soleil produit son \u00e9nergie. Il le fait gr\u00e2ce \u00e0 la gravit\u00e9 qui confine la mati\u00e8re sous des pressions (150 milliards d\u2019atmosph\u00e8re) et des temp\u00e9ratures (14 millions de degr\u00e9s) \u00e9normes. \u00c0 l\u2019\u00e9chelle de la terre, la gravit\u00e9 n\u2019est plus utilisable. Il faut trouver une autre forme de confinement. Aucun mat\u00e9riau ne r\u00e9siste. Toutes les m\u00e9thodes essay\u00e9es jusqu\u2019ici consomment plus d\u2019\u00e9nergie que la fusion n\u2019en produit. L\u2019homme ne se d\u00e9courage pas pour autant. Il est pr\u00e9somptueux et veut prouver qu\u2019il est capable de rivaliser avec le soleil <a href=\"http:\/\/www.lps.ens.fr\/~balibar\/ITER.pdf\">(6)<\/a>. Y arrivera-t\u2019il? et \u00e0 quel prix? (1) http:\/\/www.ledenispapin.com\/denispapin_inventeurdelamachineavapeur.htm (2) http:\/\/visite.artsetmetiers.free.fr\/watt.html (3) Le joule est le travail effectu\u00e9 par une force de 1 newton qui d\u00e9place son point d\u2019application de 1 m\u00e8tre. Le newton est la force capable de communiquer une acc\u00e9l\u00e9ration de 1 m\u00e8tre\/sec2 \u00e0 une masse de 1 kg (force exerc\u00e9e par un poids d\u2019environ 102 g.) (4) Ce livre historique, r\u00e9guli\u00e8rement r\u00e9\u00e9dit\u00e9, est toujours disponible en librairie. (5) http:\/\/www.carnot.org\/Francais\/nicolas%20leonard%20sadi%20carnot.htm (6) http:\/\/www.lps.ens.fr\/~balibar\/ITER.pdf<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>L\u2019homme pr\u00e9historique ne pouvait compter que sur ses muscles. 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