Jean Villey

“ Nous cherchons en effet, maintenant, à construire une canalisation où l’énergie cinétique aille sans cesse en croissant : il faut donc que le gradient de pression y soit sans cesse négatif, contrairement à ce qui se passe dans le diffuseur d’une soufflerie. Si nous supposons l’écoulement réalisé en régime permanent, ce qui exige l’intervention d’un compresseur pour maintenir la pression du réservoir d’amont, il passe par unité de temps la même masse à travers n’importe laquelle des sections de la canalisation. ”

“ Nous considérerons uniquement les machines thermiques actionnées par une masse gazeuse, ou par une masse fluide susceptible de passer par les formes liquide et gazeuse, mais qui revêtira cette dernière forme dans la partie motrice de son évolution.
L’énergie interne d’une masse gazeuse est essentiellement constituée par son énergie cinétique moléculaire. Il s’y ajoute l’énergie potentielle de cohésion ; mais celle-ci n’a que des variations négligeables, tant que le gaz (ou la vapeur) évolue à faible densité ”

“ Les gradients transversaux de pression entraînent corrélativement des gradients de densité : les molécules se tassent contre la paroi concave qui dévie le jet, comme elles se tassent, dans l’atmosphère, au voisinage du sol qui s’oppose à leur déplacement vers le bas par la pesanteur. Il y a, de ce fait, dans l’aubage mobile, une évolution thermodynamique, d’ailleurs réversible et de résultat total nul, superposée à l’évolution purement mécanique que subissent les liquides incompressibles. ”

“ Le foyer, où prend naissance l’énergie thermique utilisée, n’intervient que d’une façon médiate, pour entretenir la source chaude. Le fluide évoluant ignore complètement les réactions qui s’y produisent, et ne connaît rien autre que les quantités de chaleur qui lui sont cédées par les parois de la chaudière.
On peut remarquer d’ailleurs que l’écoulement du flux de chaleur exige un gradient de température dans l’épaisseur même des parois. La température qui nous intéresse est celle des surfaces intérieures, avec lesquelles le fluide est en contact. ”

“ Nous savons, en effet, que l’énergie se transforme sans se détruire.
Il est intéressant de constater que presque tout le travail fourni par les machines industrielles se retransforme plus ou moins immédiatement en énergie thermique.
Par exemple, tout le travail produit par le moteur d’une locomotive a été, lorsque celle-ci revient à son altitude de départ, transformé directement en chaleur par les frottements des essieux et des ressorts, ou en énergie cinétique d’agitation de l’air, bientôt décoordonnée elle-même en énergie cinétique moléculaire. ”

“ L’énergie cinétique de rotation d’un volant, par exemple, n’est rien autre que la somme des énergies de translation des diverses portions que l’on peut isoler par la pensée avec des dimensions individuelles assez petites pour que chacune d’elles ait un mouvement assimilable à une translation d’ensemble : il suffit que ses dimensions linéaires soient très petites par rapport au rayon de courbure de la trajectoire de son centre de gravité. ”

“ À la base de toute l’activité industrielle se place le problème de la production du travail mécanique nécessaire pour commander les machines extrêmement variées qu’elle utilise. Le principe de la conservation de l’énergie nous précise que, dans un système d’axes absolus, auxquels on peut pratiquement assimiler des axes liés à la Terre, ce travail ne peut être obtenu que par emprunt à l’une quelconque des diverses réserves d’énergie qui sont à notre disposition. ”

“ Énergie thermique et énergie de cohésion. — L’énergie interne du fluide reprend sa valeur initiale à la fin du cycle fermé. Elle n’intervient donc pas dans la détermination de l’effet global de l’évolution. Mais, si l’on veut étudier les diverses phases de cette évolution, il faut savoir évaluer les variations corrélatives de l’énergie interne.
Considérons le cas d’un fluide que nous appellerons stable dont les molécules restent constamment identiques à elles-mêmes. ”

“ Cette réserve ne se détruit pas spontanément, parce que la combinaison des combustibles avec l’oxygène se produit seulement quand on l’amorce au moyen d’une élévation locale de température très considérable. Quand on déclenche ainsi, à volonté, la réaction, toute l’énergie potentielle chimique qui disparaît se transforme sur place en énergie thermique, et c’est celle-ci que l’on utilise dans les foyers des machines motrices. ”

“ Un apport de chaleur pourra par exemple compenser, au moins en partie, l’abaissement d’énergie interne des masses gazeuses qui exercent la poussée motrice, et augmenter ainsi l’énergie cinétique obtenue. Autrement dit, on pourra envisager de transformer, sans mécanisme, l’énergie thermique d’une source en énergie cinétique, ou, plus exactement, en un supplément d’énergie cinétique donné à un écoulement gazeux, dont l’existence suppose celle de gradients de pression. ”

“ Dans le surchauffeur, au contraire, on a de la vapeur, de faible capacité calorifique, en écoulement permanent : sa température s’élève progressivement pendant qu’elle avance dans le surchauffeur, et celui-ci doit être considéré, au point de vue thermodynamique, comme réalisant une suite de sources élémentaires en nombre infini, dont les températures s’étagent de façon continue depuis la température de la chaudière jusqu’à la température maxima du surchauffage. ”

“ Les transmissions de chaleur à travers les parois sont, au contraire, très lentes, et ne permettent pas de réaliser les cycles extrêmement rapides que l’on obtient très facilement dans les moteurs à combustion interne.
En résumé, dans le moteur à combustion interne, la source chaude est fictive. L’évolution de la cylindrée, au cours de la combustion, est, au point de vue thermodynamique, la même que si le gaz recevait, d’une source extérieure à lui, des quantités de chaleur égales aux quantités d’énergie chimique transformées en énergie thermique. ”

“ Au contraire, dans un gaz, on ne peut pas concevoir de transmission directe du poids total aux parois : il y a un processus indirect dans lequel la pesanteur provoque un accroissement de la densité vers les parties basses, et l’augmentation corrélative de la pression est liée à l’augmentation du nombre de chocs par unité de temps, la vitesse moyenne de ces chocs restant la même si l’équilibre thermique a eu le temps de se réaliser par conduction. ”

“ En un mot, l’énergie interne est une fonction déterminée de la seule température : et, comme il n’y a pas de travail échangé entre la barre et l’extérieur, les quantités de chaleur qu’elle cède à l’extérieur au cours d’un refroidissement sont exactement égales à celles qu’elle a reçues, dans les mêmes intervalles de température, au cours de l’échauffement antérieur. ”

“ Caractéristique énergétique . Diagramme entropique. — La surface caractéristique du fluide, qui représente son équation d’état, suffit donc à faire connaître, par la lecture du diagramme de Clapeyron, le terme [18] de l’augmentation d’énergie interne qui correspond à une transformation élémentaire quelconque ; mais elle ne détermine pas le second terme de cette variation par conséquent, elle ne définit pas l’énergie interne (par unité de masse) du fluide. ”

“ Il faudrait, pour cela, que la source fût, à chaque instant, à une température au moins égale à celle du gaz, et, dans le cas limite de l’évolution très lente, à la température même du gaz : c’est la convention déjà énoncée qui définit la température de la source par la température du fluide avec lequel elle échange de la chaleur. ”

“ L’énergie potentielle de cohésion du liquide dépend de la température. Elle dépend même d’elle seule lorsque le liquide est en équilibre avec sa vapeur saturante : les molécules sont, en effet, maintenues à la densité élevée de la phase liquide par les attractions de cohésion elles-mêmes, et seule l’agitation thermique maintient une valeur non nulle à l’énergie potentielle correspondante. ”

“ L’expression entre parenthèses s’appelle la charge totale, et l’on trouve le théorème de Bernoulli : dans un fluide incompressible en écoulement permanent, la charge totale reste constante tout le long d’un même filet s’il n’y a pas de décoordination d’énergie cinétique, et va en décroissant s’il y a décoordination. ”

“ Nous avons en permanence à notre disposition l’énergie cinétique du vent, mais ce n’est pas une réserve dans laquelle nous puisons : elle est sans cesse créée par transformation de l’énergie thermique fournie par le rayonnement solaire. ”

“ La pression est définie expérimentalement comme l’effort exercé par le fluide sur l’unité de surface d’une paroi solide, de courbure négligeable, par rapport à laquelle il est en équilibre macroscopique. ”

“ La Terre elle-même contient d’énormes réserves d’énergie thermique. Mais le second principe de la Thermodynamique nous apprend que la transformation de cette énergie en travail ne peut être obtenue qu’en mettant à profit les différences de température qui peuvent exister entre diverses portions de cette réserve, et les écoulements spontanés de chaleur qu’elles provoquent. Ces différences de température sont rarement assez grandes et assez stables, entre masses importantes voisines, pour permettre l’installation de machines dans des conditions pratiques. ”

“ Chaque masse de gaz, dans sa succession d’états d’équilibre, fournit elle-même au piston le travail équivalent à la diminution de sa propre énergie interne.
Dans les procédés où l’on transforme d’abord l’énergie interne en énergie cinétique, nous avons vu que cela suppose la réalisation d’écoulements dans lesquels l’énergie cinétique acquise par une masse gazeuse est produite surtout par la diminution d’énergie interne d’autres masses situées en amont d’elle. ”

“ La force propulsive est déterminée par la loi fondamentale qui égale son impulsion à la quantité de mouvement fournie au gaz évacué vers l’arrière. On est donc conduit à réaliser un écoulement rapide vers l’arrière. Cela suppose que l’on puisse entretenir une chute de pression capable d’assurer cet écoulement : d’où la solution classique de la fusée, enceinte ouverte seulement vers l’arrière pour l’évacuation des gaz, créés par une réaction chimique appropriée dans le corps même de la fusée, ou chargés sous pression dans celui-ci par l’échappement d’un moteur à explosion. ”

“ Ces gradients transversaux, que nous n’avons pas eu besoin de faire intervenir dans l’étude des écoulements par rapport à des parois fixes, vont jouer un rôle fondamental dans l’étude du mouvement d’entraînement de l’aubage.
La pression est plus grande sur la paroi concave de l’aubage que sur la paroi convexe. L’ensemble des pressions donne alors une résultante analogue à celle que donnent, dans une masse en équilibre, les gradients de pression dus à la pesanteur. ”

“ Mais on ne peut pas y puiser à volonté, ou du moins on ne peut le faire que dans les conditions de température et de pression déterminées qui correspondent à la liquéfaction : l’énergie potentielle de cohésion qui disparaît alors se transforme en énergie thermique. L’oxygène et l’azote, dont les températures de liquéfaction sont extrêmement basses, constituent ainsi des réserves importantes non utilisables aux températures où nous vivons. Par contre, l’eau se trouve, à la surface de la Terre, aux températures où se produisent ses changements d’état ”

“ Dans l’échappement libre, l’évolution fermée n’est pas matériellement réalisée, mais la vapeur qui s’échappe dans l’atmosphère s’y condense, puis s’y refroidit, redonnant une masse d’eau identique à celle que l’on avait puisée initialement à la rivière, et qui pourrait, en principe, être reprise pour subir à nouveau la même évolution. ”

“ Si la Terre ne possédait pas son énergie cinétique de circulation, qui la maintient sur son orbite, son énergie potentielle newtonienne disparaîtrait spontanément par le jeu de l’attraction qui la précipiterait sur le Soleil avec une énergie cinétique croissante, finalement transformée en énergie thermique par le choc. ”

“ La pression dans un fluide en équilibre est donc une grandeur scalaire.
Dans une masse gazeuse en équilibre, remplissant un récipient de dimensions habituelles dans les machines, sa valeur est, en première approximation, partout la même. On en déduit, par un calcul géométrique très simple, que la résultante globale des pressions sur l’ensemble des parois d’un récipient complètement clos est nulle, quelle que soit la forme de ce récipient. ”

“ Il est possible que l’énergie thermique du Soleil, qui nous fournit directement ou indirectement tout le travail industriel, ne soit elle-même créée que par la disparition progressive de l’énergie potentielle newtonienne de ses couches externes en voie de condensation. ”

“ Le principe d’évolution affirme la nécessité de faire intervenir au moins une source chaude et une source froide ; mais rien n’empêche de faire intervenir plusieurs sources de l’une ou l’autre espèce, à des températures différentes. ”

“ La notion de poids d’une masse liquide nous est d’ailleurs beaucoup plus familière parce qu’elle est plus voisine de la notion simple du poids d’un solide. Les molécules de liquide restent en effet a des distances mutuelles assez faibles pour qu’interviennent en permanence non seulement leurs attractions mutuelles de cohésion, mais aussi les forces qui s’opposent à leur pénétration mutuelle. ”

“ Pour préciser ce point, il nous suffira d’envisager par exemple — pour l’exclure — le cas d’un moteur qui serait alimenté par un réservoir d’air comprimé. Cet air comprimé nous fournit bien, en se détendant adiabatiquement, du travail aux dépens de son énergie cinétique moléculaire ; mais notre réservoir s’épuise : nous dépensons de l’air comprimé, pour avoir à la sortie du moteur autre chose qui est de l’air détendu à la pression atmosphérique. ”