Il a fallu un temps incroyablement long aux savants pour établir une distinction entre les concepts de chaleur et de température. Et c’est seulement une fois cette distinction formulée que des progrès rapides dans la compréhension des échanges d’énergie purent voir le jour.

Ce distinguo apparaît aujourd’hui dans le langage courant bien que quelques confusions persistent. On dit « j’ai chaud » et « il fait telle température » plus souvent que « il fait chaud » et « je ressens telle température ». Cette nuance de langage témoigne des caractères plutôt subjectif de la chaleur et objectif de la température : la chaleur est un ressenti alors que la température est une caractéristique propre au milieu.

transpiration

Une petite expérience permet d’illustrer ceci. Prenez trois vases, le premier rempli d’eau froide, le second d’eau tiède et le troisième d’eau chaude. Plongez la main gauche dans l’eau froide et la main droite dans l’eau chaude pendant une ou deux minutes. Puis, plongez les deux mains en même temps dans l’eau tiède. Pour la main gauche qui était dans l’eau froide, cette eau paraîtra chaude tandis que pour la main droite qui était dans l’eau chaude, l’eau tiède paraîtra froide.

Les deux mains sont confrontées à un même milieu d’une température tiède bien définie et pourtant les sensations de chaleur reçue sont différentes. Une précision s’impose à ce stade, il ne s’agit pas d’une illusion : les sensations reçues correspondent à un phénomène physique bien réel lié au passage d’un milieu froid à un milieu plus chaud ou réciproquement.

Une deuxième constatation expérimentale permet de préciser le concept de chaleur : il est plus long de faire bouillir dix litres d’eau qu’un seul. Quelque chose de plus est nécessaire pour amener les dix litres à ébullition. Ce « quelque chose » est précisément ce que l’on nomme chaleur.

Boiling Water On Gas

Cette chaleur était autrefois appelée calorique et considérée comme une substance sans masse présente à l’intérieur des corps et pouvant s’écouler d’un corps à l’autre par contact. Le concept de calorique eut un certain succès mais finit par être rejeté à la suite des observations de Rumford.

Rumford était chargé de surveiller le forage des canons dans l’atelier de l’arsenal militaire de Munich. Les copeaux de métal produits par le forage dégageaient une chaleur très intense à cause des frottements mais, une fois refroidis, ne montraient aucune différence avec des lamelles de métal extraites à froid. Rumford en vint à la conclusion que la chaleur dégagée ne modifiait en rien la substance des corps. De plus, en répétant indéfiniment l’opération de frottement, on pouvait récupérer une quantité de chaleur aussi grande que l’on désirait.

canon

Si la chaleur était une substance extraite, elle devrait au contraire finir par s’épuiser. La théorie du calorique était donc rejetée mais certaines idées comme le transfert de la chaleur sous forme de flux furent conservées.

Plus tard, on confirma le caractère intrinsèque de la température en reliant sa valeur à la vitesse moyenne des atomes. Plus les atomes sont agités, plus la température est élevée, le zéro absolu correspondant à des atomes immobiles. Pour ce qui est de la chaleur, voyons comment la rattacher au concept d’énergie.

Imaginons un wagon parcourant des montagnes russes. Une fois lancé, le wagon se déplace avec des règles précises concernant sa hauteur et sa vitesse : plus le wagon est haut plus il est lent et inversement, plus le wagon est bas plus il est rapide. Une manière d’exprimer ce lien entre hauteur et vitesse avec plus de précision est d’utiliser le concept d’énergie.

montagnes russes

On attribue deux types d’énergie au wagon : l’énergie cinétique reliée à sa vitesse et l’énergie potentielle de pesanteur reliée à sa hauteur. Si le wagon est placé à grande altitude, il est capable de gagner en vitesse lors de la descente : il possède donc quelque chose qui pourra potentiellement être transformé en énergie cinétique d’où le nom d’énergie potentielle.

Cette transformation s’opère d’ailleurs dans les deux sens. Si le wagon possède une grande vitesse et donc une grande énergie cinétique, il sera capable de remonter à une grande hauteur. Cette fois-ci c’est l’énergie cinétique qui se transforme en énergie potentielle.

Le mouvement est ainsi caractérisé par une loi simple : la somme de l’énergie cinétique et de l’énergie potentielle reste constante tout le long du déplacement. Cette somme peut être vue comme l’énergie totale du wagon qui lui permet soit d’aller vite, soit d’être placé à une hauteur importante.

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En pratique toutefois, le wagon frotte sur les rails et ne peut jamais remonter jusqu’à sa hauteur initiale. La somme de l’énergie cinétique et de l’énergie potentielle diminue progressivement tandis que le rail et le wagon s’échauffent. C’est ici qu’intervient le concept de chaleur. Il n’y a aucune disparition d’énergie : la diminution d’énergie du wagon correspond exactement à l’augmentation d’énergie due à l’élévation de température du rail et du wagon et l’énergie thermique associée à cette élévation de température est précisément ce que l’on nomme la chaleur.

Il y a donc un échange permanent entre les trois types d’énergie : lors des descentes, l’énergie potentielle se transforme en énergie cinétique, lors des montées c’est l’inverse et tout au long du trajet, une partie de ces deux énergies est progressivement transformée en énergie thermique c’est-à-dire en chaleur. La somme de ces trois énergies reste constante du début à la fin.

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Nous sommes désormais capables d’expliquer l’expérience initiale en partant du principe que la chaleur est une énergie qui se transmet naturellement des objets chauds vers les objets froids. La main plongée dans l’eau chaude étant plus chaude que l’eau tiède, le transfert de chaleur s’effectue de la main chaude vers l’eau tiède. La perte d’énergie qui en résulte conduit à la sensation de froid. Inversement, la main qui provient du récipient d’eau froide reçoit de la chaleur de la part de l’eau tiède. Le gain d’énergie est alors traduit par une sensation de chaud.

Cette vision énergétique du monde est une des caractéristiques de la physique moderne : de très nombreux phénomènes sont décrits en termes d’échange d’énergie plutôt qu’en termes de processus mécanique ou d’échange de substance. Deux types de grandeurs sont alors utilisées : des grandeurs comme la température, attachées aux objets et décrivant leur état à un instant donné et des grandeurs comme la chaleur, caractérisant les interactions et les échanges.

Cet article est inspiré de l’ouvrage L’évolution des idées en physique écrit par Albert Einstein et Léopold Infeld.

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