3. La thermodynamique
La contribution la plus durable de Thomson concerne, à coup sûr, la thermodynamique. Après la dissertation de S. Carnot sur la chaleur et les travaux expérimentaux de J. Joule, la première loi de la thermodynamique put être explicitée, et, en 1850, R. Clausius fut conduit à poser pour principe que la chaleur ne peut d'elle-même passer d'un corps froid à un corps chaud. Thomson systématisa toutes ces idées dans une théorie générale de la thermodynamique (1851), par rapport à laquelle s'organisèrent la plupart des investigations des physiciens de la fin du siècle. D'une particulière importance est le traitement par Thomson des échelles thermométriques. Celles qui sont rattachées à des corps concrets, tels le mercure et les gaz à pression constante ou à volume constant, sont disparates et tributaires du comportement « non idéal » de la matière. Thomson montra qu'en se fondant sur le système de Carnot il était possible de définir une échelle opératoire de température, indépendante des propriétés du système mis en œuvre (à l'instar de la machine thermique théorique de Carnot). Ainsi fut construite l'échelle thermométrique « absolue » ou graduation Kelvin. En apportant des corrections au comportement d'un gaz réel, pour tenir compte de l'énergie potentielle interne, il devint possible de référer tel thermomètre à gaz particulier à l'échelle absolue. C'est en vue de calculer ces corrections que Thomson collabora, de 1852 à 1862, avec Joule, à l'étude de la diffusion des gaz au travers de diaphragmes poreux. Aux températures ordinaires, ils purent détecter séparément un refroidissement causé par la diffusion sur différents gaz (effet Joule-Thomson). Enfin, on doit encore citer à l'actif des contributions de Thomson à la thermodynamique :
– la première interprétation des phénomènes thermoélectriques et notamment de l'effet Seebeck ;
– la loi exprimant la modification des tensions de vapeur à l'état d'équilibre, en fonction de la tension superficielle et du rayon des gouttelettes (brouillard, germination...) ;
– la conception de la pompe à chaleur et les méthodes d'économie d'énergie et de climatisation.
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