THERMODYNAMIQUEVue d'ensemble
Carte mentale
Élargissez votre recherche dans Universalis
Elle repose sur deux propositions fondamentales. L'une, appelée premier principe de la thermodynamique, introduit le concept d'énergie et exprime une propriété de conservation impliquant que l'énergie, considérée sous toutes ses formes, doit rester constante au cours de la transformation d'un système isolé. L'autre, appelée second principe, introduit le concept plus subtil d'entropie et exprime une propriété d'évolution impliquant que, dans un système isolé, l'entropie ne peut que croître, ou demeurer constante à l'état d'équilibre.
La principale originalité du second principe repose précisément sur cette propriété d'évolution, nécessairement associée à la direction du temps. Les travaux de L. Boltzmann (1844-1906), en théorie des gaz, relatifs à ce même concept d'entropie, interprété du point de vue mécanique à l'échelle moléculaire, ont permis d'assimiler la notion d'accroissement d'entropie à l'évolution ordre → désordre qui caractérise tout système isolé. Mais, en dépit de ce résultat dont l'influence sur le développement ultérieur de la thermodynamique fut considérable, la conséquence la plus directe fut l'élaboration d'une discipline macroscopique autonome, applicable aux systèmes complexes, comportant le concept d'irréversibilité, ayant son génie propre, en accord avec celui de la mécanique mais toutefois distinct sous le rapport de ses principes fondamentaux.
Physicien et philosophe des sciences, Ludwig Boltzmann (1844-1906) a laissé de nombreux théorèmes, lois et équations qui portent son nom.
Crédits : ullstein bild/ Getty Images
D'un point de vue historique, les deux principes trouvent leur origine dans le non-possumus du moteur perpétuel (premier principe) et dans celui du mouvement perpétuel (second principe). La première présentation d'une théorie complète remonte à l'œuvre de R. J. E. Clausius (1822-1888), publiée en 1850 sous le nom de Abhandlungen über die mecanische Wärme Theorie. L'ampleur des vues de l'auteur est manifeste dans son interprétation du contenu des deux principes : L'énergie du monde est constante et L'entropie du monde tend vers un maximum. Cette généralisation imagée mais audacieuse d'un système isolé fut, par la suite, l'objet de plusieurs controverses. Après Clausius et ses contemporains W. Thomson (lord Kelvin, 1824-1907) et E. Clapeyron (1799-1864), il faut citer l'école des énergétistes et principalement : P. Duhem (1861-1916), H. von Helmholtz (1821-1894), W. Ostwald (1853-1932), W. J. M. Rankine (1820-1872). Mais, en dépit de toutes ces contributions à une doctrine de portée générale, le succès recueilli par une telle thermodynamique strictement phénoménologique devait bientôt être limité au seul domaine des états d'équilibre, faute d'informations plus complètes que la seule inégalité de Clausius propre aux processus irréversibles. La contribution la plus importante a été fournie, en 1876, par J. W. Gibbs (1839-1903) avec son Equilibrium of Heterogeneous Substances. Cette œuvre est regardée aujourd'hui comme la base de la physicochimie. Des compléments importants ont été apportés quelques années plus tard par Duhem.
Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz
L'Allemand Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz (1821-1894). Physicien, il s'est préoccupé de toutes les sciences de la nature connues à son époque.
Crédits : Hulton Getty
Le chimiste allemand Wilhelm Ostwald (1853 - 1932). Il obtint le prix Nobel en 1909 pour ses travaux sur la catalyse.
Crédits : Hulton Archive/ Getty Images
Le physicien et mathématicien américain Josiah Willard Gibbs (1839-1903), professeur de physique mathématique au Yale College, est considéré comme le fondateur de la mécanique statistique.
Crédits : Hulton Getty
Ce n'est qu'après 1920 que l'intérêt se porte à nouveau vers la thermodynamique des processus hors d'équilibre, spécialement avec l'introduction, en 1922, de la notion d'affinité chimique par T. De Donder (1872-1957) et, en 1931, des lois de réciprocité de L. Onsager sur les coefficients phénoménologiques intervenant dans les lois de cinétique linéaire. On envisage ici les lois unissant les courants irréversibles Ji (chaleur, diffusion...) aux forces généralisées Xi (gradients thermiques, de potentiels...) tels qu'ils apparaissent dans l'expression bilinéaire obtenue pour la production d'entropie (cf. thermodynamique - Lois fondamentales, équation 15).
À présent, la thermodynamique des phénomènes irréversibles comporte deux chapitres essentiels. L'un, relativement simple et presque entièrement développé, concerne les phénomènes gouvernés par les cinétiques linéaires et les relations d'O [...]
1
2
3
4
5
…
pour nos abonnés,
l’article se compose de 3 pages
Écrit par :
- Paul GLANSDORFF : professeur émérite de la faculté des sciences à l'université de Bruxelles, président d'honneur de l'Institut international du froid, membre de l'Académie royale
Classification
Autres références
« THERMODYNAMIQUE » est également traité dans :
THERMODYNAMIQUE - Histoire
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 […] Lire la suite
THERMODYNAMIQUE - Lois fondamentales
Le principe d'équivalence des unités de chaleur et de travail est généralement attribué au médecin allemand J. R. von Mayer, qui l'a formulé pour la première fois en 1842 dans ses Remarques sur les forces inanimées de la nature. Mais on doit aussi associer à la même découverte le nom de J. P. Joule avec, comme précurseurs, B. Thompson (co […] Lire la suite
THERMODYNAMIQUE - Thermodynamique chimique
On peut dire qu'au milieu du xixe siècle les bases fondamentales de la thermodynamique classique et de la théorie de l'énergie étaient établies grâce aux travaux de V. Hess, S. Carnot, J. R. von Mayer, J. P. Joule, R. J. E. Clausius, lord Kelvin. Les lois ainsi mises au jour contribuèrent puissamment au développement des machines thermiques, mais leur […] Lire la suite
THERMODYNAMIQUE - Thermodynamique technique
La thermodynamique technique applique les premier et second principes aux machines thermiques. La liquéfaction des gaz, l'industrie frigorifique, le fonctionnement des pompes à chaleur, la climatisation, les moteurs à combustion, etc., sont autant de domaines concernés par ces lois, et les diagrammes et cycles qu'on […] Lire la suite
THERMODYNAMIQUE - Processus irréversibles linéaires
Jusqu'à ce que la thermodynamique ait été en mesure d'en fournir une présentation unifiée, les phénomènes de transport qui intéressent les milieux matériels furent étudiés de manière séparée et en ordre plutôt dispersé, sans qu'au-delà d'analogies formelles plus ou moins évidentes aucun lien d'essence fondamentale n'ait été vraiment dégagé. L'apport de la thermodynamique contemporaine fut décisif […] Lire la suite
THERMODYNAMIQUE - Processus irréversibles non linéaires
Les progrès réalisés dans le domaine non linéaire sont beaucoup plus récents. On connaît cependant à leur sujet un critère d'évolution général régissant le comportement d'un système dissipatif, soumis à des contraintes stationnaires (Paul Glansdorff et Ilya Prigogine, 1954).Après décomposition de la production d'ent […] Lire la suite
THERMODYNAMIQUE (notions de base)
De nos jours, on peut définir la thermodynamique comme la science des propriétés et des processus qui mettent en jeu la température et la chaleur.Le nom de « thermodynamique » associe les deux mots grecs thermon (chaleur) et dynamis (puissance). Le but premier de la discipline, explicitement formulé d'emblée, était d'a […] Lire la suite
BOLTZMANN LUDWIG (1844-1906)
Dans le chapitre « L'interprétation probabiliste du deuxième principe de la thermodynamique » : […] À partir de ce deuxième principe, Loschmidt a présenté à Boltzmann une objection redoutable, souvent reprise depuis lors, et qui consiste à affirmer l'impossibilité de faire sortir des équations réversibles de la mécanique une interprétation des processus irréversibles de la thermodynamique. Boltzmann a parfaitement compris la valeur de l'objection et y a trouvé un levier puissant pour renouveler […] Lire la suite
CARNOT SADI (1796-1832)
Fils aîné de Lazare Carnot, « l'Organisateur de la Victoire », Nicolas Léonard Sadi Carnot est un des pionniers de la thermodynamique. Son unique publication, les Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance , ignorée de son temps, mais redécouverte trente ans plus tard par Clapeyron, permit à Thomson et à Clausius d'énoncer le second principe […] Lire la suite
CHALEUR
La notion de chaleur telle qu'elle résulte de la sensation de chaud et de froid remonte aux époques les plus reculées. Toutefois, elle n'appartint à la science qu'à partir du xviii e siècle, lorsque Lavoisier et Laplace reconnurent conjointement en elle « une grandeur susceptible d'accroissement et de diminution », et donc accessible à la mesure. La première tentative d'interprétation physique as […] Lire la suite
Pour citer l’article
Paul GLANSDORFF, « THERMODYNAMIQUE - Vue d'ensemble », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 11 août 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/thermodynamique-vue-d-ensemble/