Quel scientifique a formulé les principes de la thermodynamique ?

La thermodynamique n’a pas été fondée par un scientifique unique. Ses principes ont été élaborés progressivement au XIXe siècle par plusieurs chercheurs qui ont étudié les machines à vapeur, la chaleur et les transformations de l’énergie. Sadi Carnot, Rudolf Clausius et William Thomson, connu sous le nom de Lord Kelvin, comptent parmi ses figures majeures. Leurs travaux ont permis de préciser à la fois la conservation de l’énergie et les limites imposées à sa conversion en travail.

Sadi Carnot et le rendement des machines thermiques

En 1824, Sadi Carnot publie Réflexions sur la puissance motrice du feu, un mémoire consacré au fonctionnement des machines à vapeur. Il y étudie une machine thermique idéale fonctionnant entre une source chaude et une source froide, et montre que son rendement maximal dépend des températures de ces deux sources, plutôt que des détails particuliers de la machine. Le cycle idéal décrit dans ce cadre sera ensuite appelé cycle de Carnot. Carnot raisonne encore à partir de la théorie du calorique, qui considère la chaleur comme une substance, théorie abandonnée par la suite. Il ne formule donc pas à lui seul le premier principe, fondé sur la conservation de l’énergie, mais son analyse prépare directement la formulation du deuxième principe en mettant en évidence les limites du rendement des moteurs thermiques.

La conservation de l’énergie et le premier principe

Le premier principe de la thermodynamique affirme que l’énergie ne peut être ni créée ni détruite : elle peut seulement être transférée ou transformée. Dans un système, la chaleur reçue et le travail échangé modifient notamment l’énergie interne. Cette formulation s’est construite grâce aux travaux de plusieurs scientifiques, dont James Prescott Joule, Julius Robert von Mayer et Hermann von Helmholtz, au cours du XIXe siècle. Elle a remplacé l’idée d’une chaleur assimilée à un fluide par une conception énergétique des phénomènes thermiques. L’histoire du premier principe confirme ainsi que la thermodynamique est le résultat d’une élaboration collective, et non l’œuvre d’un seul savant.

Clausius et le deuxième principe

Rudolf Clausius joue un rôle essentiel dans la formulation mathématique et conceptuelle de la thermodynamique. En 1850, il précise qu’un transfert spontané de chaleur ne peut pas s’effectuer d’un corps froid vers un corps chaud sans autre modification du système. Cette idée exprime une direction privilégiée des transformations et explique pourquoi aucun moteur thermique ne peut convertir intégralement en travail la chaleur reçue d’une seule source. Clausius introduit ensuite, en 1865, la notion d’entropie. Pour un système isolé, l’entropie ne diminue pas au cours d’une transformation réelle ; elle reste constante dans le cas idéal d’une transformation réversible. Cette grandeur permet de décrire les irréversibilités et les limites des conversions d’énergie, sans se réduire simplement à une mesure du désordre.

Lord Kelvin et l’échelle absolue

William Thomson, anobli sous le nom de Lord Kelvin, contribue lui aussi à la mise en forme du deuxième principe. Il établit qu’un dispositif cyclique ne peut pas avoir pour seul effet de prélever de la chaleur à une source et de la transformer entièrement en travail. Cette formulation complète les analyses de Carnot et de Clausius. Thomson participe également à l’établissement d’une échelle absolue de température, dont l’origine théorique est le zéro absolu et dont l’unité est aujourd’hui le kelvin. Les contributions de Carnot, Clausius et Kelvin ont ainsi donné à la thermodynamique son cadre classique, toujours indispensable en physique, en chimie et en ingénierie pour étudier les moteurs, les réfrigérateurs, les réactions et les échanges d’énergie.