Loi de la thermodynamique

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LA PREMIÈRE ET LA DEUXIÈME LOI DE LA THERMODYNAMIQUE

Marcel Lacroix Université de Sherbrooke

(juillet 1997)

Marcel Lacroix LA PREMIÈRE LOI

Lois de la thermodynamique

La première loi de la thermodynamique est la loi de la conservation de l’énergie. Elle stipule que l’énergie d’un système ne change pas peu importe les évolutions que subit ce système. Cette loi est un exemplefondamental de la logique et de la formidable capacité prédictive de la science.

Julius Robert Mayer (1814-1878), un physicien allemand, fut le premier chercheur à proposer l’équivalence de toutes les formes d’énergie, incluant la chaleur, et à formuler la conservation de l’énergie totale. James Prescott Joule (1818-1889) consolida cette idée à travers ses expériences au laboratoire.

Même si ladécouverte de la loi de la conservation de l’énergie mit de l’ordre dans la pensée scientifique au 19e siècle, elle contribua également à miner l’idée séculaire d’un monde éternel. En effet, la principale source d’énergie sur Terre est le soleil. Or, selon la première loi de la thermodynamique, le soleil ne peut irradier sa chaleur et sa lumière pour toujours. Autrement, il aurait besoin d’un apportinfini d’énergie et le soleil, comme tous les corps, n’en renferme qu’une quantité finie.

En 1862, le physicien écossais William Thompson (1824-1907), connu aussi sous le nom de Lord Kelvin, estima que le soleil n’avait pu illuminer la Terre pendant plus de 100 millions d’années. D’autres scientifiques, partisans d’un univers éternel, proposèrent diverses alternatives : le soleil compense sespertes d’énergie par des réactions chimiques, ou en s’alimentant d’impacts de météorites ou encore en libérant son énergie gravitationnelle. Thompson réfuta toutes ces théories. Selon lui, l’énergie chimique du soleil serait épuisée en mille ans. D’autre part, la quantité de matière pour alimenter le soleil serait telle que le flux de météorites s’abîmant dans le soleil perturberait de façonsignificative les orbites des planètes. Enfin, en libérant son énergie gravitationnelle, le soleil ne pourrait rayonner à son rythme actuel, que pendant 10 millions d’années. Thompson arguait que le soleil irradiait grâce à la chaleur contenue dans ses gaz. Inévitablement, le soleil se refroidissait et s’éteignait

lentement. Il ne pouvait avoir existé au-delà de 100 millions d’années. C’était l’âge dusoleil et, implicitement, celui aussi de la Terre.

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Marcel Lacroix

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Charles Lyell (1797-1875), célèbre géologue de son époque et fondateur de la Uniformitarian School of Geology, s’opposait à l’idée de la durée de vie du soleil et de la Terre. Lyell refusait obstinément de considérer que la Terre ait eu une origine. La Terre, disait-il, est aujourd’huicomme elle a toujours été et comme elle sera toujours. Elle est éternelle.

Cette idée de la durée de vie du soleil et de la Terre fut une étape cruciale dans l’évolution de la pensée humaine. Graduellement, l’homme devait accepter l’idée de mortalité de l’univers et des limites des ressources d’énergie. Pour nous, vivant au 20e siècle, cela semble évident. Mais, pour l’homme du 19e siècle, cetteidée était choquante.

Bien que Thompson ait défendu et calculé la durée de vie finie du soleil, il ne connaissait pas l’énergie nucléaire qui fut découverte au 20e siècle. Le soleil tire son énergie de la fusion de noyaux d’hydrogène et on estime que sa durée de vie n’est pas 100 millions d’années mais plutôt 10 milliards d’années. La première loi de la thermodynamique indique que le soleil n’apas toujours rayonné et, qu’un jour, il s’éteindra.

À la fin des années 1920, le principe immuable de la conservation de l’énergie fut toutefois remis en question. Dans un type de désintégration radioactive, la désintégration Bêta, le noyau atomique émet un électron. Or, quand un noyau atomique émet une particule, le principe de conservation d’énergie exige que l’énergie transportée par la...
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