3. Théorie cinétique
Dans les années 1860-1865, Maxwell contribue notablement aux travaux sur la théorie cinétique des gaz. Son attention à cet égard avait été apparemment éveillée par l'œuvre de Rudolf Clausius. Les premières théories sur la structure moléculaire des gaz ne prenaient pas clairement en compte le mouvement des molécules, dont on mettait même l'existence en doute ; cependant, à la suite des travaux de George-Louis Lesage, John Herapath, James Prescott Joule et Henri Victor Regnault notamment, s'était fait jour une théorie sur ce mouvement et les vitesses caractéristiques des molécules de gaz. Les valeurs calculées pour celles-ci étaient toutefois bien supérieures à celles que l'on pouvait induire de l'observation des phénomènes de diffusion. D'où, en 1859, l'introduction par Clausius du concept de libre parcours moyen, qui pouvait justifier qu'une molécule se déplaçât avec sa vitesse théorique durant un bref laps de temps avant une collision.
La plupart des conceptions (excepté celles du méconnu John James Waterston) assignaient à toutes les molécules gazeuses se mouvant dans une enceinte la même vitesse, tributaire de la température. Maxwell, sous l'inspiration de sa lecture de Clausius, pose que toute investigation en ce domaine doit prendre en compte une distribution des vitesses moléculaires. La formulation qu'il propose marque virtuellement la fondation de l'analyse statistique, du moins dans ses applications physiques. Soumettant au calcul les vitesses, les libres parcours moyens et les fréquences de collision dans un gaz à une température donnée, Maxwell donne une justification de l'hypothèse d'Avogadro et d'Ampère.
En 1866, dans une étude sur la viscosité et le frottement interne de l'air et d'autres gaz (On the Viscosity of Internal Friction of Air and Other Gases), il montre, expérimentalement et théoriquement, que la viscosité d'un gaz est indépendante de sa densité et qu'elle varie en raison directe de sa température absolue ; proposition surprenante pour le sens commun, mais parfaitement en accord avec ses déductions mathématiques. Tandis que ses conceptions sont développées en Allemagne par Ludwig Boltzmann, Maxwell établit que la seconde loi de la thermodynamique (William Thomson) n'a qu'une validité statistique. Cette « loi » expose l'impossibilité d'obtenir du travail d'une quantité de matière ayant une température inférieure à celle du milieu ambiant ; elle ne serait pas fondée si les molécules étaient séparées individuellement par l'intervention d'un hypothétique agent conscient (démon de Maxwell).
[…]… pour nos abonnés, l'article se prolonge sur 3 pages…
