équilibre 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. ”

“ Par le fait de la compression ou accroissement de tension du milieu gazeux et de son augmentation de densité, une partie de l'énergie latente ou de tension des molécules est transformée en énergie thermique dans l'état d'équilibre statique correspondant. L'énergie active ainsi développée vient en déduction de la quantité de chaleur nécessaire, d'une part, pour relever la température, d'autre part, pour permettre la transformation d'une partie du liquide en vapeur, de manière à mettre la densité du milieu en rapport avec son nouveau degré de saturation. ”

“ La répulsion électrique diminuant progressivement d'intensité, finit par retomber au niveau de l'attraction gravifique, et un nouvel état d'équilibre statique des molécules se trouve ainsi réalisé. La perte d'énergie thermique du milieu ajoutant son action dépressive à celle résultant de la réduction du nombre des molécules contenues sous l'unité de volume, le gaz se retrouve, avec perte de pression, dans le nouvel état d'équilibre dynamique que comporte sa dilatation. ”

“ L’équilibre a lieu quand la différence s’annule. C’est pourquoi on dit quelquefois que la température est le niveau thermique et que, dans le premier cas, l’énergie de gravitation, dans le second, l’énergie thermique tombe d’un niveau supérieur à un niveau inférieur, la chute se poursuivant dans les deux cas jusqu’à l’égalité des niveaux. ”

“ Pour les gaz, l'énergie thermique ou de translation, dont les molécules sont animées, reste, au contraire, dans l'état d'équilibre général du milieu, parfaitement distincte de l'énergie électrique ou de tension qui fait équilibre à l'action gravifique des molécules en présence. ”

“ Cet accroissement de pression intérieure du milieu peut résulter d'un accroissement de température du gaz sous volume constant. Nous supposerons qu'il en a été ainsi, et nous chercherons à apprécier l'accroissement de la force qui tend à rapprocher les molécules du milieu gazeux.
Si la température du gaz. en équilibre s'est relevée d'une quantité représentée par t°, sans changement de volume, l'énergie thermique de la molécule s'est accrue d'une quantité E cat, en même temps que son énergie potentielle ou de tension s'est affaiblie d'une valeur égale. ”

“ Symétriquement sont « moteurs » ou « négatifs » les changements thermiques (refroidissements, congélations, absorptions de radiation, etc.) qui enrichissent l’extérieur comme peut faire un abaissement de poids, étant capables, par exemple, de déterminer l’échauffement d’un corps « froid ».
23. Équivalence des enchaînements entre changements thermiques. — Un changement thermique a été défini comme pouvant être la cause ou l’effet d’un autre changement thermique, rien d’autre ne se passant. ”

“ Bref, quel que soit le genre de l’enchaînement entre un changement mécanique et un changement thermique, on retrouve toujours prix égal pour résultat égal : il y a équivalence des enchaînements possibles, comme entre changements mécaniques et comme entre changements thermiques, ou encore :
Aucun dispositif n’est plus avantageux qu’un autre pour acheter de la chaleur avec du travail. ”

“ Si le gaz est suffisamment éloigné de son point de condensation, les molécules semblent ne plus exercer d'action les unes sur les autres ; la relation entre le volume, la pression et la température du milieu, sous l'influence des pressions extérieures et de l'action de la chaleur, est réglée par la seule condition mécanique d'une exacte compensation entre l'énergie de translation thermique des molécules et le travail développé par la résistance élastique de l'enveloppe. ”

“ C’est pourquoi, puisque tout le mouvement peut se transformer en chaleur, et seulement une fraction de celle-ci en mouvement, un système matériel quelconque abandonné à lui-même, et l’univers tout entier, si on l’assimile, comme c’est légitime, à une machine thermique, doit tendre vers un état final où tout mouvement visible et aussi toute différence de température auront disparu pour faire place à une chaleur uniforme et à une complète immobilité. ”

“ Suivant les milieux où se manifestent les perturbations d’équilibre, et suivant leur forme, ils prennent les noms de chaleur, électricité, lumière, etc.
Une force est donc toujours le résultat d’une dénivellation. Deux corps chauds à la même température représentent deux réservoirs au même niveau, ou deux poids égaux sur les plateaux d’une balance, et il n’en résulte aucune manifestation d’énergie. ”

“ Ce principe de l'équilibre des couches fluides trouve de nombreuses applications dans l'industrie : séchoirs, ventilateurs, aérage des puits de mines, calorifère, chauffage à l'eau, etc., etc. Presque toujours il s'agit d'établir l'équilibre par le mélange de couches d'air de densité ou plutôt de température différente. ”

“ Extension du principe de la conservation de l’énergie Dans l’hypothèse que nous examinons ici, la chaleur ne serait que la manifestation des mouvements moléculaires ; la température d’un corps (et il en serait de même en général de toutes les variables qui définissent son état thermique) serait une fonction dépendant seulement des positions de ses diverses molécules et de leurs vitesses. ”

“ Pour être complète, l'étude d'une machine thermique doit aujourd'hui s'appuyer sur les principes de la théorie mécanique de la chaleur, aussi nécessaire aux ingénieurs que l'est celle de la résistance des matériaux. ”

“ En fait, dans la pratique industrielle courante, on crée sur place l’énergie thermique nécessaire, au contact des parois externes de la chaudière, au moyen d’un foyer qui l’entoure, dans lequel on réalise la combinaison chimique d’un combustible avec l’oxygène de l’air : l’énergie potentielle chimique qui disparaît dans la réaction se transforme en fournissant l’énergie thermique désirée. ”

“ Dans le foyer, il y a des températures très diverses, toutes supérieures à celle de la paroi de la chaudière, et dont certaines sont extrêmement élevées, aux points mêmes où se produit la combustion et dans les flammes auxquelles elle donne naissance. Ces températures n’ont rien de commun avec celle de la source thermodynamique, à laquelle le fluide emprunte l’énergie thermique exigée pour son évolution. Nous avons d’ailleurs évité ce malentendu en définissant (§ 9) la source chaude comme constituée par les parois de la chaudière. ”

“ Ce qui nous amène à penser que l’énergie thermique présente dans une masse d’eau par exemple apparaîtrait à un grossissement suffisant comme une somme d’énergies potentielles et cinétiques en transformation réciproque incessante, et réparties, selon un régime permanent fixé à chaque température, entre un nombre immense de systèmes excessivement petits. ”

“ Mais, en réfléchissant aux phénomènes appelés chaleur, pesanteur, électricité, etc., on reconnaîtra qu'ils sont uniquement connus et mesurés comme perturbations d'équilibre et n'ont, en dehors de ces perturbations, aucune existence constatable par nos sens ou nos instruments. De la chaleur produit de l'énergie calorifique quand elle tombe d'une certaine hauteur, comme la tuile du toit d'une maison engendre de l'énergie cinétique par sa chute ; mais la chaleur, qui ne change pas de niveau, n'est pas plus de l'énergie que la tuile fixée sur un toit. ”

“ Faisons subir à ce système une série quelconque de transformations pendant lesquelles les corps ne peuvent ni céder ni emprunter de chaleur à l’extérieur du système, mais peuvent soit échanger entre eux de la chaleur, soit produire ou absorber du travail ; de plus, supposons qu’à la fin de cette série de transformations les corps reprennent leur état thermique, leurs positions et leurs vitesses primitives, à l’exception du calorimètre qui reprendra sa position et sa vitesse initiale, mais dont la température aura pu changer. ”

“ Alors le régime naturel d’aération que nous venons de décrire — régime que l’on peut appeler thermique comme étant engendré par les différences de température, et qui aurait pour effet d’engendrer et de maintenir une ventilation plus ou moins active de l’extrémité plus basse à celle plus élevée — peut être complètement troublé. ”

“ La tension du milieu qui résultera de l'action de cette force nouvelle pourra être combattue, comme la tension résultant de la mise en jeu de l'élasticité de l'enveloppe, par l'énergie thermique du milieu, et dans les mêmes conditions, c'est-à-dire par une modification de la charge électrique des molécules du gaz. ”

“ Ainsi, pour maintenir notre corps à une température constante sous des climats fort différents et par des températures qui peuvent varier de plus de 100°, il est nécessaire de faire varier l'activité des combustions internes en proportion de la chaleur à fournir pour faire équilibre aux pertes dues au rayonnement du corps, et au contact de l'air plus ou moins froid et plus ou moins agité. ”

“ Si la série des opérations de dilatation et de compression du milieu, auxquelles répondent les deux états extrêmes du gaz auxquels se rapporte l'égalité ci-dessus, ont commencé alors que les molécules se trouvaient au contact, ou, par le fait, au repos absolu ou sans énergie thermique de translation, la température t, dans le premier membre de l'égalité, n'est autre que la température absolue T, à
laquelle le milieu se trouve amené définitivement. ”

“ Si le gaz, tandis qu'il se dilate en surmontant une pression extérieure faisant à chaque instant équilibre à sa force élastique, ne reçoit ni ne perd de chaleur, la chaleur équivalente au travail mécanique développé doit être fournie par le gaz lui-même. Sa température doit donc s'abaisser à mesure que son volume augmente, et le produit de l'excès de sa température initiale sur sa température finale par la chaleur spécifique vraie, c'est-à-dire par la chaleur spécifique du gaz à volume constant, sera précisément l'équivalent calorifique du travail mécanique produit. ”

“ 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. ”

“ On peut donc avoir un système restant en équilibre bien que l'on fasse varier pression et température. Pour un degré déterminé de la concentration de la solution, la tension d'équilibre se trouve définie à chaque température. ”

“ Bien entendu, n’est pas forcément égal au travail extérieur , ni à l’action thermique extérieure . Mais la somme égale à mesure aussi bien la répercussion extérieure du changement. Bref :
Tout changement peut se payer par une variation de niveau d’un poids, et par un échauffement d’un thermostat.
32. Mesure thermodynamique d’un changement. — Ainsi nous pouvons regarder comme résolue la question que nous nous étions posée : chaque changement efficient peut être payé par un travail (moteur ou résistant) et un échauffement de thermostat. ”

“ De tels corps, capables d’une décomposition brusque, sont naturellement dans un équilibre moléculaire très instable, tandis que leur destruction violente donne naissance à des corps qui sont dans un équilibre moléculaire très stable. Or, d’après les principes de thermochimie, un tel changement d’équilibre s’accompagne d’un grand dégagement de chaleur qui, portant à une haute température les gaz produits, augmente énormément leur pression et, par suite, la puissance de l’explosif. ”

“ Ainsi échauffement, travail interne et travail externe, tels sont les trois effets que produit la force vive de la chaleur quand elle se communique à un corps. La partie de la chaleur qui a produit réchauffement est donc seule restée à l'état de mouvement ou de force vive ; le reste s'est transformé en travail : c'est ce qu'on appelle de la chaleur détruite. ”

“ 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. ”

“ Car, si nous pouvons transformer le mouvement, nous sommes aussi impuissants pour le créer et pour le détruire que pour créer et pour détruire la matière. C'est dans ce sens qu'il faut toujours comprendre le symbole de la nouvelle théorie : chaleur détruite, travail produit, et, réciproquement, travail détruit, chaleur produite. ”

“ Lorsque la pierre a touché le sol, l'énergie qu'elle possédait en tombant se transforme en chaleur; chaque kilogrammètre d'énergie ou de travail qui disparaît est remplacé par une certaine quantité de chaleur ; de même, comme nous le constatons chaque jour dans nos machines à vapeur, chaque kilogrammètre de travail produit remplace une certaine quantité de chaleur qui disparaît. La chaleur n'est qu'un mode de mouvement, comme la lumière, le magnétisme, l'électricité, l'affinité chimique. L'énergie industrielle répandue dans l'univers nous apparaît ainsi sous des formes diverses. ”

“ Dans tous ces moteurs thermiques à gaz, la gravité n’intervient pratiquement pas, par suite de la faible densité des gaz qui y sont utilisés et des faibles variations de cote verticale qu’ils y subissent. ”

“ L'application des principes de la théorie nouvelle de la chaleur aux gaz permanents ainsi considérés est d'une extrême simplicité. La totalité de la chaleur qu'ils reçoivent du dehors est employée à élever leur température ou est convertie en travail mécanique extérieur. ”