THERMODYNAMIQUEHistoire

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Parmi les multiples formes de l'énergie, la chaleur est celle à laquelle les savants ont mis le plus de temps à donner un statut scientifique. Or toute discipline qui a pour objet l'étude d'une catégorie déterminée de phénomènes ne devient effectivement une science qu'à partir du moment où la mesure y est introduite. La physique est en définitive parvenue à englober l'étude de la chaleur grâce à trois types de travaux : tout d'abord, la construction d'instruments de mesure, dont l'élaboration a été particulièrement tardive, ensuite la recherche expérimentale à l'aide de ces instruments, enfin l'expérimentation étayée par une théorie mathématique à la suite des réflexions provoquées par l'utilisation de la machine à vapeur.

Dans les principales étapes de cette étude, qui s'est prolongée du xviie au xixe siècle, l'intuition et le savoir-faire du technicien ont précédé, en le provoquant, le travail intellectuel du physicien qui devait conduire plus tard à la thermodynamique.

Le legs de l'Antiquité

La chaleur dans la science hellène

Les mots grecs qui signifient « chaud » ou « froid » désignaient dans l'Antiquité à la fois ces deux sensations et les phénomènes physiques qui étaient supposés en être la cause : tout corps chaud ou froid était censé contenir de la chaleur ou du froid. De tout temps on avait constaté, sans que les premiers savants hellènes l'expliquent, que l'air exhalé au cours de la respiration normale est tiède, mais qu'il est froid au contraire lorsqu'il est émis en un souffle puissant. Frappés par l'importance du rôle du chaud et du froid dans la nature, ils en firent deux principes différents. Pour Aristote, le chaud et le froid constituent, avec le sec et l'humide, les quatre qualités fondamentales sous l'influence desquelles la matière première du monde a formé les quatre éléments : l'air, le feu, la terre et l'eau. Théophraste, qui lui succéda à la direction de l'école péripatéticienne, fit ressortir le caractère spécifique du feu, considéré par lui comme une forme de mouvement, dont la manifestation implique un support matériel. Son successeur, Straton de Lampsaque, célèbre pour avoir introduit l'expérimentation dans le développement de la physique aristotélicienne, fit quelques expériences qui eurent pour objet l'air et le vide : sous l'influence des idées de Démocrite, il admettait l'existence du vide entre les plus petites particules de la matière, appelées les atomes (étymologiquement, les « insécables »), et il expliquait de cette façon les phénomènes de dilatation ou de contraction que la chaleur ou le froid produisent dans les corps.

Le thermoscope de Philon de Byzance

Parallèlement aux réflexions de ces savants, quelques ingénieurs hellènes se préoccupèrent de mettre en évidence la différence qualitative entre le chaud et le froid.

Le premier appareil construit à cette fin fut inventé, vers 250 avant notre ère, par un ingénieur alexandrin, Philon de Byzance. Il comprend un ballon de plomb, vide et muni d'un bouchon étanche ; une des branches d'un tube de verre, en forme d'U renversé, traverse le bouchon, tandis que son autre branche descend au fond d'un vase plein d'eau. Lorsque l'appareil est exposé au soleil, l'air qui se dilate dans le ballon de plomb provoque l'émission de bulles dans l'eau du vase. Puis, si l'on place l'appareil à l'ombre, l'air se refroidit dans le ballon, et l'eau du vase monte dans le tube de verre pour s'écouler ensuite dans le ballon. Lors d'un nouvel échauffement, l'air dilaté refoule cette eau dans le vase. Philon décrit cet appareil dans un ouvrage intitulé Πνευμ́ατικα ; il déduit de son fonctionnement que le feu est étroitement associé à l'air et que même il l'attire. La conclusion révèle la nature de l'explication des phénomènes thermiques propre aux physiciens hellènes.

Le thermoscope de Héron d'Alexandrie

Un autre appareil thermoscopique fut conçu, vers 100 avant notre ère, par l'ingénieur Héron d'Alexandrie. Une boîte parallélépipédique pleine d'eau, munie d'une ouverture la faisant communiquer avec l'atmosphère, est surmontée par un ballon partiellement rempli d'eau ; un tube vertical plongeant dans la boîte débouche au-dessus du niveau de l'eau. Une branche d'un autre tube, en forme d'U renversé, traverse le ballon par un joint étanche et descend jusqu'à la partie inférieure de celui-ci ; l'autre branche de ce tube surmonte un entonnoir placé sur l'ouverture de la boîte. Quand l'appareil est exposé au soleil, l'air contenu à la partie supérieure du ballon refoule dans le tube en U de l'eau qui alimente l'entonnoir et tombe dans la boîte. Lorsque l'ensemble est placé à l'ombre, l'eau de la boîte remonte dans le ballon sous l'effet de la pression atmosphérique.

L'appareil de Héron diffère essentiellement de celui de Philon par la constance de la quantité d'air emprisonné dans le ballon, mais cette particularité échappa à son inventeur. Interprétant à sa manière le fonctionnement de l'appareil, Héron attribuait en effet la diminution du volume de l'air refroidi aux fuites qui se seraient produites à travers les pores de la paroi du ballon.

Toujours dans le domaine de la chaleur, Héron prêta d'autre part attention à la pression de la vapeur d'eau ; il en tira parti pour faire tourner, dans l'éolipile de son invention, une petite boule métallique, alimentée en vapeur par une marmite et munie de deux tuyères d'échappement. Dans d'autres appareils, il utilisa l'air chaud comme source d'impulsion.

Éolipile

Photographie : Éolipile

Héron d'Alexandrie (vers le Ier siècle après J.-C.) faisant une démonstration, devant les savants de l'école d'Alexandrie, du fonctionnement de son éolipile. Dans cet objet, une petite boule métallique, reliée à une marmite par deux tubes courbés, se met à tourner lorsqu'elle est... 

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Mais, étant donné la structure sociale du monde hellénistique, les savants de l'époque ne furent pas incités à progresser dans la voie de la recherche expérimentale tracée par Straton, et les ingénieurs qui appliquèrent les inventions de Héron se bornèrent à équiper les temples en dispositifs permettant de faire croire aux miracles, ou même se contentèrent de construire pour la classe dirigeante ce qu'on appellera par la suite des jouets de salon. Durant des siècles, aucun auteur ne prit la peine d'observer les phénomènes thermiques ; quant aux techniciens de la métallurgie, s'ils accumulèrent sans doute de nombreuses observations concernant lesdits phénomènes, ils les transmirent oralement et ne les publièrent pas.

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  • : ingénieur civil des Mines, membre correspondant de l'Académie internationale d'histoire des sciences, professeur à l'université de Paris-I

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Pour citer l’article

Arthur BIREMBAUT, « THERMODYNAMIQUE - Histoire », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 02 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/thermodynamique-histoire/