Nicolas Léonard Sadi Carnot
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Nicolas Léonard Sadi Carnot (né le1er juin 1796 et mort le 24 août 1832), usuellement appelé Sadi Carnot, était un physicien français.
A l’instar de Copernic, il ne publia qu’un seul livre, les Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance (Paris, 1824), dans lequel il exprima, à l’âge de 27 ans, ce qui s’avèrera être le travail de sa vie. Dans cet ouvrage il posa les bases d’une discipline entièrement nouvelle, la thermodynamique. A l’époque d’ailleurs, le terme n’existait pas et c’est William Thomson qui l’inventera au milieu du XIXe siècle. Pourtant c’est bien Nicolas Léonard Sadi Carnot, malgré l’imprécision de certains de ses concepts, son acceptation de la théorie du calorique et de l'axiome de la conservation de la chaleur, qui a créé cette science aussi fondamentale du point de vue théorique que féconde en applications pratiques. Il formula l’exposé raisonné du moteur thermique et les principes de bases selon lesquels toute centrale énergétique, toute automobile, tout moteur à réaction est aujourd’hui conçu en s'appuyant dans sa démarche sur l’art de l’ingénieur. Plus remarquable, cette genèse se fit alors même qu’aucun prédécesseur n’avait encore défini la nature comme l’étendue du sujet.
[modifier] Nicolas Léonard Sadi Carnot, fils de Lazare Carnot
Sadi Carnot, du nom d’un poète persan très admiré de son père, est le fils aîné de Lazare Nicolas Marguerite Carnot dit le Grand Carnot, alors âgé de 43 ans et au sommet de sa carrière<ref name=Cardwell>D.S.L Cardwell in LA RECHERCHE en histoire des sciences p 217 à 240</ref>. Mathématicien et ingénieur brillant, élève de Gaspard Monge, auteur d’un Essai sur les machines en général (1754), Lazare Carnot a également été soldat, meneur d’hommes et patriote. Il fut élu à l’Assemblée Constituante puis à la convention, et votera la mort du roi Louis XVI. Pendant les guerres de la Révolution Française, au sein du Comité de Salut Public, il est l’Organisateur de la victoire. Membre du directoire, il sera ministre de la Guerre de Napoléon Bonaparte d’avril à octobre 1800 puis ministre de l’intérieur lors des cent Jours, en 1815. En octobre de la même année, après la défaite de Napoléon, il est exilé en Allemagne et ne rentrera jamais en France.
Nicolas Léonard Sadi Carnot est né à Paris au Palais du Petit-Luxembourg. Il aurait été compréhensible que n’importe quel fils fût dominé, voir écrasé par la personnalité d’un tel père pour se faire connaître par la seule vertu de son nom voir se réfugier dans la révolte. Avec Nicolas Léonard Sadi Carnot, il en fut tout autrement : bien que son père, après avoir connu le succès, soit politiquement tombé en disgrâce, Sadi Carnot surmonta non seulement les difficultés de cette situation, mais il parvint par son travail à acquérir une renommée durable<ref name=Cardwell/>.
Nicolas Léonard Sadi Carnot aura un frère cadet, Lazare Hippolyte Carnot (1801-1888), qui fera une carrière politique. Député de 1839 à 1848, ministre de l’Instruction en 1848 du Président Louis Napoléon Bonaparte, il refusa de soutenir le Second Empire, et fut député en 1871, sénateur en 1875, Académicien des Sciences Morales en 1887.
Enfin, Nicolas Léonard Sadi Carnot est l’oncle de Marie François Sadi Carnot, homme politique, ministre des Travaux Publics de 1879 à 1880 puis ministre des finances de 1885 à 1886. Il fut élu président de la République française en 1887 et fut assassiné en 1894 à Lyon par l’anarchiste Caserio.
[modifier] Une carrière militaire sans réelle gloire
[modifier] La formation de polytechnicien
Image:Sadi Carnot.jpeg En 1807, Lazare Carnot décide de s’occuper lui-même de l’éducation de ses deux fils ; il leur enseigne les mathématiques, les sciences, les langues et la musique. En 1811, Sadi Carnot entre au lycée Charlemagne pour préparer le concours de l’École Polytechnique et en 1812, à l’âge minimum d’entrée, il est reçu 24e au concours. Ses professeurs s’appelleront Poisson, Ampère, Arago…
En 1814, il combat avec le bataillon des polytechniciens et essuya le feu lors d’une escarmouche sans gravité, lors de la défense du Fort de Vincennes contre les alliés ; ce devait être là sa seule expérience de bataille<ref name=Cardwell/>. Peu après, il sort major de l’École Polytechnique (promotion X1812) et entre à l’École du Génie de Metz pour deux ans.
Avec l’avènement de la paix, en 1815, il se retrouve astreint à la routine monotone de la vie de garnison et les chances de promotion ou de gloire étaient maintenant bien minces. En tant que fils d’un chef républicain exilé, il était considéré comme peu sûr, aussi s’arrangera-t-on pour que son lieu d’affectation soit éloigné de Paris<ref name=Cardwell/>. Sadi Carnot est muté régulièrement, il inspecte des fortifications, trace des plans et rédige de nombreux rapports. Il semble qu’il ne soit pas bien traité et que ses recommandations soient ignorées ; sa carrière stagne <ref name=utc.fr>Image:Page white acrobat.png [ pdf</span>] www.utc.fr</ref>. .
[modifier] L’installation à Paris
En 1819, il est admis à l’état major de Paris, avec le grade de lieutenant. Logeant dans l’ancien appartement de son père, Sadi Carnot suit des cours à la Sorbonne et au Collège de France. Il s’intéresse aux problèmes industriels, étudie la théorie des gaz et les dernières théories d’économie politique. Il laisse des propositions détaillées sur les problèmes courants comme les taxes mais les mathématiques et les arts le passionnent.
Les membres du cercle qu’il fréquente sont de tendances radicale et républicaine, et ses amis les plus proches sont Nicholas Clément et Charles Desormes, hommes de science et chimistes industriels.
En 1821, il rend visite à son père exilé à Magdebourg qui vit avec son frère Hippolyte. C’est là qu’avec son père, il commence à s’intéresser aux machines à vapeur, puisque c’est à Madgebourg que trois ans plus tôt, sera construite la première machine. Dès son retour à Paris, il entame une réflexion sur ce qui deviendra la thermodynamique. Ses premiers travaux importants datent des années 1822-1823. A la mort de son père, en août 1823, son frère Hippolyte rentre à Paris et l’aide à rédiger ses écrits.
La routine tranquille de sa vie ne fut réellement troublée que par la publication des Réflexions en 1824<ref name=Cardwell/>.
Après une réorganisation de l’état-major en 1827, il est envoyé à Lyon puis à Auxonne qui est une ancienne place forte de Côte-d'Or.
En 1828, il décide de quitter l’armée avant le statut de demi-solde avec le grade de capitaine du génie pour rejoindre Paris et se consacrer à une vie d’études et de recherches personnelles.
En 1831, ses travaux abordent l’étude des gaz. Cette même année, il eut un accès de fièvre et tomba gravement malade, avec des crises de délire pendant un certain temps. Il se rétablit, mais l’année suivante il fut victime de la grande épidémie de choléra qui balaya l’Europe. La maladie l’ayant rendu fou, il vécut ses derniers jours hurlant d’angoisse, entravé dans une camisole de force<ref name=utc.fr/>. Il ne se sera jamais marié et n’aura pas de descendance.
Après sa mort ses effets personnels furent brûlés à titre de précaution pour prévenir la propagation de la maladie de sorte que ses archives personnelles furent largement détruites. Pourtant un manuscrit intitulé Recherche d’une formule propre à représenter la puissance motrice de la vapeur d’eau, écrit en 1823, fut conservé. Dans celle-ci il ébauchait la première loi de la thermodynamique, en tentant de préciser le lien entre travail et chaleur. Cette note sera finalement publiée en 1878<ref name=utc.fr/>.
[modifier] Le contexte technico-scientifique des Réflexions
Pour comprendre le livre de Sadi Carnot et apprécier l’originalité de l’œuvre, il est nécessaire de préciser la situation des sciences et techniques dans le domaine considéré au cours de la deuxième décennie du XIXe siècle. Pourtant, comme souvent en pareil cas, il sera difficile de suivre précisément les chemins logiques qui conduirent à la théorie. Pourquoi certains faits ont-ils été retenus alors que d’autres ont été négligés, comment l’imagination a-t-elle fait le bond nécessaire pour aboutir à la formulation complète de la théorie, quel est le poids de l’intuition ? Plus nous en savons sur l’homme et plus le mystère qui entoure cette étape décisive s’épaissit : telle est bien une des dimensions de l’œuvre de Sadi Carnot.
[modifier] La science de la chaleur, entre chimie et météorologie
Quand le jeune Sadi Carnot entra à l'École polytechnique, la seule science bien établie, fondée sur les mathématiques, était la mécanique. La chimie, l'électricité, le magnétisme, la chaleur faisaient des progrès rapides mais n'avaient pas atteint le stade de l'abstraction mathématique.
La science de la chaleur avait été rendue possible par l'invention du thermomètre au XVIIe siècle (notamment celui de Santorio) mais restait une préoccupation de chimistes et de médecins. Ils avaient émis l'axiome de conservation de la chaleur qu'ils concevaient alors comme une substance : le « calorique ».
Les travaux de Benjamin Thompson (Lord Rumford), Pierre-Simon Laplace, Jean-Baptiste Biot, Siméon Denis Poisson et Joseph Fourier permirent aux mathématiciens et phyciciens de s'intéresser à leur tour à la chaleur avec en particulier les études sur le transfert de chaleur.
Parallèlement, les météorologistes acquéraient une meilleure compréhension du rôle de la chaleur dans le système des vents ou des courants océaniques, chaleur qui était un peu considérée comme la grande force motrice du monde. Le réchauffement et le refroidissement adiabatique de l'air étaient notamment invoqués pour expliquer des observations de terrain.
[modifier] Le développement de la machine à vapeur au XVIIIe siècle
[modifier] Les machines monocylindres
Les premières machines à vapeur d'application pratique étaient apparues au début du XVIIIe siècle et fonctionnaient de la manière suivante : la vapeur était utilisée pour chasser l'air hors d’un cylindre, puis celui-ci était refroidi de sorte que la vapeur se condense et que la pression atmosphérique externe fasse redescendre le piston. On laissait ensuite la vapeur remplir de nouveau le cylindre et le cycle se répétait. Ces machines avaient un fonctionnement lent et irrégulier mais qui convenait bien au pompage de l’eau des mines. Dans ce contexte, l’eau était la substance agissante qui convenait le mieux, en particulier du fait qu’elle se dilate jusqu’à environ 1800 fois son volume d’origine, lorsqu’elle se transforme en vapeur.
[modifier] Condenseur et haute pression ou la recherche du rendement optimal
Environ 50 ans plus tard, et afin de supprimer le gaspillage de la chaleur lié au réchauffement et au refroidissement alternatif du cylindre, James Watt condensa la vapeur dans un cylindre froid séparé, ou condenseur, tandis que le cylindre principal était maintenu chaud en permanence. Par ailleurs, il utilisa de la vapeur chaude pour faire descendre le piston dans le cylindre, réduisant ainsi encore la perte de chaleur. Watt remarqua qu’une économie considérable pouvait être réalisée si on coupait l’arrivée de la vapeur avant que le piston ne se soit déplacé dans le cylindre : la vapeur enfermée continuerait à faire descendre le piston avec une pression légèrement décroissante. Lorsque la vapeur passerait dans le condenseur, il lui resterait un peu « d’élasticité » (de pression) : on parla alors d’action par expansion<ref name=Cardwell/>. Par ailleurs, James Watt ne crut jamais aux machines à haute pression qu’il considérait comme trop dangereuses pour une application au quotidien ; son influence était telle que ce type de machines ne se développa réellement qu’après sa disparition.
En 1805 un ingénieur de Cornouaille, Arthur Woolf breveta le moteur compound à haute pression utilisant deux cylindres successifs (double compound) pour réaliser l’expansion complète de la vapeur : ce principe a l’avantage de réduire l’amplitude du réchauffement et du refroidissement de chacun des cylindres et donc d’économiser du combustible pour gagner en performance. Jacob Perkin, ingénieur américain montra qu’il était possible de construire une machine à vapeur travaillant à des pressions proches de 35 atmosphères. Sadi Carnot apprécia ce travail mais fit remarquer que ce moteur avait le défaut de ne pas utiliser correctement le principe d’expansion de James Watt<ref name=Cardwell/>.
[modifier] Le monthly Engine Reporter ou les éphémérides de Sadi Carnot
De 1811 à 1840, l’art de pomper l’eau des mines de Cornouailles fut rapporté régulièrement dans le Monthly Engine reporter publié par Thomas et John Lean et repris par des publications telles que les Annales de chimie et de physique. Ces relevés établissaient de façon certaine la supériorité des machines à haute pression. Au demeurant, dès 1820, la plupart des ingénieurs semblaient convaincus qu’il existait une limite déterminée à la quantité de travail qui pouvait être obtenue avec une quantité de chaleur donnée.
Ces données, véritables éphémérides, avaient l’avantage de traduire l’action des différentes machines de pompage de façon simple et directement en unités de travail (poids d’eau et hauteur à laquelle il était élevé). Sadi Carnot s'en inspira dans sa réflexion sur les principes de base des machines thermiques<ref name=Cardwell/>.
[modifier] Vers un blocage technique de la machine à vapeur
Au début du XIXe siècle, la machine à vapeur a subit de tels perfectionnements que certains perçoivent déjà les limites de son amélioration. Un ingénieur du nom de A.R Bouvier, avait affirmé en 1816 que pour obtenir de nouvelles améliorations, il serait nécessaire de recourir aux mathématiques et à la physique et non pas seulement aux perfectionnements mécaniques.
A cette époque l’ingénieur écossais Ewart, avait soutenu qu’une quantité de chaleur donnée peut, dans l’idéal, produire seulement une quantité de travail donnée.
Boerhaave avait remarqué quant à lui, que le système formé par des corps portés à des températures différentes tend à atteindre un équilibre thermique et qu’on ne voit jamais un corps isolé se réchauffer spontanément.
Enfin, Joseph Fourier avait signalé en 1817 que la chaleur rayonnante devait obéïr à une loi sinusoïdale d’émission. La démonstration par celui-ci que le refus de cette loi conduirait à admettre la possibilité du mouvement perpétuel constituait probablement la première utilisation d’un raisonnement de ce genre hors de la mécanique galiléenne. Il faut remarquer que Sadi Carnot utilisera ce même raisonnement dans la seconde partie des Réflexions pour conclure au fait que la nature de la substance agissante est sans importance et que le rendement de la machine est déterminé uniquement par la différence de température<ref name=Cardwell/>.
[modifier] Les réflexions sur la puissance motrice du feu
L’ouvrage, qui comporte 118 pages et cinq figures, fut publié à ses frais chez Bachelier et tiré à 200 exemplaires ; il reçut un bon accueil, y compris à l’Académie des sciences auprès de laquelle Pierre Girard, directeur d’une revue scientifique, présenta les travaux de Carnot en juillet 1824. Sur le fond il est commode de distinguer quatre parties dans le livre de Sadi Carnot.
[modifier] Chaleur et puissance motrice
La première partie contient un exposé philosophique du domaine couvert par la science de la chaleur, envisagée d’un point de vue entièrement nouveau : la chaleur en tant qu’agent moteur. Dans son livre, Carnot ne s’occupe pas de la nature de la chaleur ; il n’est pas non plus intéressé par le réchauffement et le refroidissement de différents corps, ni par les conditions dans lesquelles la chaleur est transmise, comme l’étaient Joseph Fourier et ses disciples. Il ne se soucie pas non plus des effets chimiques et physiologiques de la chaleur.
La chaleur l’intéresse en tant que cause des grands mouvements naturels qui se produisent sur terre, le système des vents, les courants océaniques… ; sous ce rapport, il exagère d’ailleurs son importance. Néanmoins Sadi Carnot est conscient, et semble avoir été le premier à faire cette remarque, que le rendement des meilleures et des plus puissantes machines à vapeur est dérisoire comparé aux énormes effets mécaniques produits par la chaleur dans le monde naturel.
Sadi Carnot est capable d’adopter un point de vue philosophique, en recourant à la fois à sa connaissance du fonctionnement des machines à vapeur et à ses compétences en météorologie ou en géophysique. Aux vues des manuels de l’époque, il semble peu probable qu’un autre ingénieur aurait pu faire cette démarche, non plus qu’un physicien : le premier ne se serait pas intéressé à une généralisation aussi abstraite tandis que le second n’aurait pas été particulièrement intéressé par la puissance motrice. Seul, Lord Rumford, quelques années plus tôt, constatant un dégagement important de chaleur lors de l’alésage des canons, conclue que le travail peut être converti en chaleur et que ces deux notions procèdent de la même essence <ref>Il publiera ce résultat dans un ouvrage intitulé Recherches sur la source de la chaleur développée par le mouvement</ref>. Image:Carnot heat engine 1.svg Cette partie préliminaire des Réflexions contient l’idée fondamentale que partout où il y a une différence de température, il existe la possibilité d’engendrer de la puissance motrice, idée qui joue un rôle centrale dans la thermodynamique. Et son corollaire n’est pas moins important : il est impossible de produire de la puissance motrice à moins qu’on ne dispose à la fois d’un corps froid et d’un corps chaud. Cela peut-être considéré comme le premier énoncé de la deuxième loi de la thermodynamique, même s’il revêt encore une forme inexacte<ref name=Cardwell/>.
Il est probable qu’à cette époque, Sadi Carnot était guidé par l’idée que les machines hydrauliques les plus efficaces étaient celles qui faisaient usage de la plus grande hauteur de chute d’eau : il y voyait une analogie entre cette hauteur et la différence des températures pour les moteurs thermiques. En fait, si l’étude des données publiées dans le Monthly Engine Reporter sur les performances des moteurs à haute pression ne confirmait pas ce raisonnement, son intuition était juste.
[modifier] Le cycle idéal d’un moteur parfait
La seconde partie définit un moteur parfait et son cycle idéal de fonctionnement. Pour ce faire, il imagine une machine idéale, appelée courament machine de Carnot, et pouvant échanger facilement de la chaleur alternativement avec un corps chaud et un corps froid (Figure 6). Dans son étude, le moteur thermique est strictement réduit à ses éléments essentiels :
- Un cylindre fermé, empli d’une substance agissante qui peut être de la vapeur ou un gaz
- Un piston mobile se déplaçant sans frottement
- Un corps chaud qui représente l’équivalent du foyer d’un moteur à vapeur réel
- Un corps froid, équivalent du condenseur
Carnot confirme que c’est la différence de température entre le corps chaud et le corps froid, et non la différence de pression que subit la substance agissante, qui détermine le travail fourni par le moteur. Il semble qu’il soit redevable de cette idée importante à ses amis Clément et Desormes<ref name=Cardwell/>.
Le cycle idéal est soumis à cette condition : la substance qui agit dans le cylindre ne doit jamais être en contact avec un corps plus froid ou plus chaud qu’elle, afin qu’il n’y ait pas de flux de chaleur inutile. Il est intéressant de remarquer que cette condition correspond à celles que le père de Sadi Carnot avait énoncées pour déterminer le rendement maximal des machines hydrauliques.
Tous les changements de températures doivent être causés par l’expansion ou la compression de la substance agissante. Comprimée au départ à haute pression, la substance agissante se dilate librement : elle pousse le piston et extrait de la chaleur au corps chaud avec lequel le cylindre est en contact (Figure 1). On éloigne alors le cylindre du corps chaud, et la substance continue à se dilater adiabatiquement, de sorte que sa température décroît jusqu’à être égale à celle du corps froid (Figure 2). Cette partie du cycle correspond à l’opération « par expansion » de la machine de James Watt ; mais c’est maintenant la température du corps froid et non la pression du condenseur qui marque le terme de l’expansion. Le cylindre est alors mis en contact avec le corps froid, et la substance agissante est comprimée, la chaleur en étant « expulsée » <ref>Carnot conçoit encore à cette époque la chaleur comme une substance : le calorique </ref> (Figure 3). Le cylindre est enfin séparé du corps froid ; et la compression se continue de telle sorte que la substance agissante est réchauffée adiabatiquement (Figure 4). Le cycle s’achève quand la substance agissante est ramenée à sa pression, son volume et sa température d’origine (Figure 5).
Le résultat net n’a été qu’un transfert de chaleur du corps chaud au corps froid et la production d’un travail externe ; la substance agissante est revenue à son état d’origine et il n’y a eu aucun gaspillage de chaleur.
Figure 1 : Détente isotherme en contact avec la source chaude à la température T1 |
Figure 2 : Détente adiabatique et abaissement à la température T2 |
Figure 3 : Compression isotherme en contact avec la source froide à la température T2 |
Figure 4 : Compression adiabatique et élévation à la température T1 |
Figure 5 : Détente isotherme en contact avec la source chaude et retour à la position initiale de la figure 1 |
Figure 6 : Principe de la machine de Carnot |
[modifier] La réversibilité du cycle
Sadi Carnot fait remarquer que le cycle est exactement réversible : le moteur peut être actionné en sens inverse et le résultat net serait alors la consommation d’un travail égal à celui produit par le fonctionnement en sens direct et le transfert de la même quantité de chaleur, mais dans ce cas du corps froid au corps chaud.<ref>Ce principe n'est autre que celui qui est utilisé aujourd'hui dans toutes les machines frigorifiques</ref> La réversibilité du cycle est possible parce qu’il n’y a pas de flux de chaleur inutile en aucun point du cycle et si cela se produisait, le moteur ne serait pas réversible. Or le moteur réversible est celui qui donne le meilleur rendement possible et Carnot de conclure que la vapeur est au moins aussi satisfaisante que n’importe quelle autre substance agissante<ref name=Cardwell/>. Lorsqu’il affirma que cela était fondé en théorie, les ingénieurs de l’époque ne virent là qu’une confirmation abstraite de ce qu’ils avaient appris par la pratique.
[modifier] Applications à la physique de gaz
Dans la troisième partie, Sadi Carnot montre que le fait que tous les moteurs thermiques idéaux aient le même rendement, quel que soit le gaz ou la vapeur qu’on utilise, a des implications fondamentales pour la physique des gaz. Carnot démontre que tous les gaz qui se dilatent ou sont comprimés d’une pression et d’un volume à une pression et à un autre volume à température constante, ou bien absorbent ou bien dégagent la même quantité de chaleur<ref name=Cardwell/>. Il peut aussi déduire des rapports entre les chaleurs spécifiques des gaz, c'est-à-dire la chaleur spécifique à pression constante et la chaleur spécifique à volume constant. Dans une note en bas de page, qui sera négligée par les premiers commentateurs, il laisse entendre que le rendement d’un moteur thermique idéal pourrait servir de base à une échelle absolue des températures.
[modifier] L’intuition du moteur à air
Dans la dernière partie du livre, Sadi Carnot constate que la supériorité des moteurs à vapeur à haute pression est incontestable parce qu’ils font usage d’une plus grande chute de température que les moteurs à basse pression. Carnot reconnaît que le grand avantage de l’eau en tant que source de vapeur, le fait qu’elle se dilate énormément dans un intervalle de températures très peu étendu, a précisément rendu possible la réalisation du moteur à vapeur primitif. Pourtant il arrive à la conclusion remarquable que cet avantage fera que l’eau conviendra moins bien au moteur thermique du futur. En effet l’augmentation énorme de pression pour de très petites élévations de températures au-dessus de 100°C rend virtuellement impossible un fonctionnement sur la gamme entière des températures, depuis celle de la combustion du charbon jusqu’à celle de la condensation de l’eau froide.
En conséquence, Sadi Carnot prévoir que, lorsque divers problèmes techniques concernant la lubrification et la combustion auront été résolus, le moteur le plus performant sera probablement le moteur à air<ref name=Cardwell/>.
[modifier] En 1824, peu de lecteurs pouvaient apprécier l’œuvre de Carnot
A la parution des Réflexions, les ingénieurs avaient déjà appris par expérience que la vapeur était au moins aussi satisfaisante que n’importe quelle autre substance agissante. Lorsque Carnot affirma que cela était fondé en théorie, on ne vit là qu’une confirmation abstraite.
Par ailleurs les explications qu'il donna du rendement supérieur des moteurs à vapeur à haute pression étaient fondées sur les données publiées dans le Monthly Engine Reporter et sur les performances des moteurs Woolf, fonctionnant par expansion à haute pression, et qui furent contruits en France par Humphrey Edwards. Cependant ces performances étaient sans doute plus liées à une somme de perfectionnements de détail <ref>Amélioration des chaudières et foyers, nouveaux mécanismes de soupapes, meilleure isolation thermique</ref> qu'à un réel avantage thermodynamique. Ce n'est donc pas à juste titre que Sadi Carnot invoquait la supériorité des moteurs à vapeur à haute pression pour étayer ses théories fondamentales<ref name=Cardwell/>.
Les physiciens et autres scientifiques étaient, quant à eux, sans doute déroutés par des raisonnements fondamentaux basés sur les principes de la machine à vapeur.
Il faudra attendre 1834 pour qu’ Émile Clapeyron publie un article montrant comment les idées de Sadi Carnot pouvaient être exprimées mathématiquement tout en soulignant leur valeur explicative.
C’est par ce biais que William Thomson eut connaissance du travail de Carnot. C'est lui et Rudolf Clausius qui, dans une longue série d'articles, posèrent comme fondement de base de la thermodynamique le principe de la conservation de l'énergie (et non plus du calorique). Pour reconnaître l'apport de ce dernier, le principe de Carnot prit le nom de principe de Carnot-Clausius. Il permet de déterminer le rendement maximal d'une machine thermique en fonction des températures de sa source chaude et de sa source froide, rendement qui oscille entre 8 % et 30 % selon la conception des machines.
[modifier] Le doute ou les ingrédients d’une tragédie
Une question demeure : pourquoi Sadi Carnot ne fit-il rien paraître entre les huit années qui séparèrent la publication des réflexions de la date de sa mort ? Même si plusieurs explications peuvent être avancées, la raison la plus probable est qu’il n’avait plus confiance dans ses théories et qu'il se serait trouvé incapable de fonder une nouvelle théorie de la chaleur<ref name=Cardwell/>. Avec le calorique, Sadi Carnot se trouvait face à un obstacle épistémologique les plus difficiles à surmonter et cher à Gaston Bachelard : le substantialisme c'est-à-dire l’explication monotone des propriétés physiques par la substance.<ref> La formation de l'esprit scientifique p24. De la même façon, on définira longtemps l'électricité par un fluide infiniment subtil</ref>
Pourtant, parmi les quelques archives qui lui survécurent, certaines montrent qu’il avait encore avancé en renonçant à la théorie matérielle de la chaleur (le calorique) au sujet de laquelle il avait déjà émis des doutes dans les Réflexions<ref>Page 21 […]peut-on concevoir les phénomènes de la chaleur et de l’électricité comme dus à autre chose qu’à des mouvements quelconques de corps, et comme tels ne doivent-ils pas être soumis aux lois générales de la mécanique ? Page 37 […]Au reste, pour le dire en passant, les principaux fondements sur lesquels repose la théorie de la chaleur auraient besoin de l’examen le plus attentif. Plusieurs faits d’expérience paraissent à peu près inexplicables dans l’état actuel de cette théorie.</ref> ; il avait admis que la chaleur n'est rien de plus que de la puissance motrice (nous dirions aujourd'hui de l'énergie).
Pour valider ces avancées, il avait esquissé des expériences détaillées semblables à celles de Benjamin Thompson. Mais à la différence de celui-ci, il avait l'intention de mesurer le travail fourni et la chaleur produite, tout en faisant varier les matériaux utilisés. Dans ce sens, il espérait fermement trouver un équivalent mécanique constant de la chaleur et qui aurait eu la même valeur pour toutes les expériences<ref>Joule exprimera l'équivalent mécanique de la calorie de la façon suivante (traduit en système métrique) : 1 calorie équivaut au travail effectué par un poids de 1 Kg en tombant d’une hauteur de 424 mètres ce qui est très proche de la valeur définie aujourd'hui soit 1 calorie = 4,18 joules</ref> . Il envisageait aussi des mesures utilisant des gaz et des liquides pour calculer l'équivalent mécanique de la chaleur.
Il est difficile de savoir s'il aurait pu effectuer ces expériences de façon satisfaisante. L'histoire de la thermodynamique était encore longue pour parvenir à la théorie, de sorte qu'on ne peut guère sous-estimer les difficultés qu'il aurait dû surmonter.
Il aurait aussi fallu convaincre, en particulier le grand corps des chimistes et de ceux qui faisaient des recherches sur l'électricité : tous étaient profondément attachés à la théorie du calorique. Au final, il faudra attendre James Prescott Joule pour voir la théorie dynamique de la chaleur enfin formulée. Sept ans sépareront encore sa première publication (1843) et la publication de Rudolf Clausius qui mettait en accord la théorie dynamique de la chaleur (Joule) et les théories de Sadi Carnot<ref name=Cardwell/>.
Au final, il est regrettable mais malheureusement probable que Sadi Carnot soit mort en croyant qu'il avait échoué alors qu'il fonda tout simplement une branche de la science vaste et fondamentale, aux structures complexes, la thermodynamique, qui relie entre elles la physique, la chimie, la biologie et même la cosmologie.
[modifier] Place de Sadi Carnot dans l’histoire des sciences
Pour D.S.L Cardwell, le livre de Sadi Carnot, quoi que beaucoup moins connu que De revolutionibus orbitus coelestium de Copernic, a une importance comparable dans l’histoire de la science moderne car il a permis de poser les bases d’une discipline entièrement nouvelle : la thermodynamique.
Pourtant l’œuvre de Carnot possède une dimension originale. Copernic travaillait dans une discipline clairement définie et reconnue ; il pouvait s’appuyer sur un héritage fait de réflexions et d’observations accumulées pendant deux millénaires (les éphémérides). Sadi Carnot, quant à lui, a dû faire œuvre de synthèse entre différentes disciplines scientifiques et techniques. Pour cela il a fallu sélectionner les données à étudier, construire des théories à partir de concepts, lois et principes tirés des sciences de la chaleur et de la mécanique, qui étaient encore séparés, de technologies en plein développement comme la vapeur ou déjà plus établies comme l’hydraulique, mais qui étaient également encore sans liens entre elles. Par ailleurs, lui seul voyait en 1824 le besoin de cette science nouvelle, à la fois pour ses applications pratiques mais aussi pour des raisons fondamentales.
D’un point de vue plus général, ses travaux marquèrent le début de ce que certains appellent la Révolution carnotienne et qui nous fera basculer dans une société thermo-industrielle avec l’utilisation massive de l’énergie fossile (charbon puis pétrole) <ref>J.Grinevald, « La révolution carnotienne : thermodynamique, économie et idéologie », Revue européenne des sciences sociales, n°36, 1976 in Alain Gras – Fragilité de la puissance </ref >. Au final nous sommes probablement en présence d’un cas unique dans l’histoire de la science moderne et, en ce sens, Nicolas Léonard Sadi Carnot fut certainement l’un des penseurs les plus pénétrants et les plus originaux que notre civilisation ait produits.
Pour certains, il restera « un météore dans l'histoire des sciences », une figure singulière pour qui « avec une feuille de papier, une plume de crayon et un esprit, avoir créé la base d’une nouvelle science, relève d’un esprit tout à fait admirable »<ref> Bernard Dufour Président directeur général de la Snecma</ref>. « La mort des grands hommes laisse tout autant de regrets que d'espoirs inédits »<ref>Bertrand Gille, Les mécaniciens grecs</ref>.
[modifier] Voir aussi
[modifier] Notes
<references />
[modifier] Bibliographie
- Les débuts de la thermodynamique - D.S.L Cardwell in La Recherche en histoire des sciences, Le Seuil / La Recherche, 1983 (ISBN 2-02-006595-9) ;
- Carnot & la machine à vapeur, Jean-Pierre Maury - Collection Philosophies, Presses Universitaires de France (1986) 128 pp. (ISBN 2-13-039880-4). Histoire du développement des machines à vapeur depuis leur naissance au XVIIe siècle jusqu'aux travaux théoriques de Carnot
- Victor Brodiansky, Sadi Carnot 1796-1832 : Réflexions sur sa vie et la portée de son œuvre, Presses Universitaires de Perpignan (26 septembre 2006) (ISBN 2-914-51886-2)
- Collectif, Sadi Carnot et l'essor de la thermodynamique, CNRS Editions (1er Septembre 1998) (ISBN 2-222-01818-8)
- Gaston Bachelard, La formation de l'esprit scientifique, Bibliothèque des textes philosophiques, VRIN (ISBN 2-7116-1150-7)
- Alain Gras, Fragilité de la puissance - Se libérer de l'emprise technologique , fayard 2003 (ISBN 2-213-61535-7)
[modifier] Pour en savoir plus
- S.Carnot, Réflexions sur la puissance motrice du feu (1824), Blanchard, 1953
- E.Mendoza, « Introduction to S.Carnot », Rélections on the Motive Power of Fire, Dover Books, 1960
- J.Larmor, « On the nature of heat », Philosophical Transactions of the Royal Society, 1917-1918, p.326.
- J.Herivert et A.Gabbery, « Un manuscrit inédit de Sadi Carnot », Revue d'histoire des sciences, XIX, 1966, p.151.
- J.Payen, « Une source de la pensée de Sadi Carnot », Archives internationales d'histoire des sciences, 1968, p.15.
- R.Fox, « Watt's expansive principle and its place in the work of Sadi Carnot », Notes and Records of the Royal Society, XXIV, 1969
- D.S.L. Cardwell, From Watt to Clausius : the Rise of Thermodynamics in the Early Industrial Age, Heinemann, 1971
- R.Fox, The Caloric Theory of Gases from Lavoisier to Regnault, Oxford University Press, 1971.
[modifier] Liens externes
- L'oeuvre de Sadi Carnot à la Bibliothèque Nationale de France
- Du calorique à l'entropique
- Principales découvertes de Sadi Carnot ayant mené à la création de la thermodynamique Site de la Fondation Carnot
- (en) Bibliographie sur Sadi Carnot
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