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Sadi Carnot
Sadi Carnot (1796-1832), ingénieur et physicien français, a fondé la thermodynamique en 1824. Il a montré que le rendement d’un moteur thermique dépend seulement des températures de ses sources chaude et froide.
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Sadi Carnot n’a publié qu’un seul livre, de 118 pages, tiré à 600 exemplaires et presque ignoré à sa parution. Il y pose pourtant la question qui fonde une science nouvelle : quelle est la limite du travail que l’on peut tirer de la chaleur ? Sa réponse, le rendement de Carnot, s’applique encore à toutes les centrales et à tous les moteurs thermiques.
Repères chronologiques
| Date | Événement |
|---|---|
| 1er juin 1796 | naissance ; son père, Lazare Carnot, est membre du Directoire |
| 1812 | entre à l’École polytechnique à 16 ans |
| 1814 | participe avec les polytechniciens à la défense de Vincennes contre les coalisés |
| 1814-1819 | officier du génie, puis à l’état-major à Paris |
| 1819-1828 | en demi-solde puis en congé, se consacre à l’étude de l’industrie et de la physique |
| 1823 | mort en exil de son père à Magdebourg |
| 12 juin 1824 | Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance |
| 1828 | quitte définitivement l’armée |
| 1832 | atteint de scarlatine, puis du choléra |
| 24 août 1832 | mort du choléra à 36 ans ; ses affaires sont en partie brûlées par précaution |
| 1834 | Émile Clapeyron reformule ses idées avec des graphiques |
Son prénom vient du poète persan Saadi, que son père admirait. Son neveu, Sadi Carnot (1837-1894), fut président de la République.
La question des machines à vapeur
Au début du XIXe siècle, la révolution industrielle repose sur la machine à vapeur, perfectionnée par l’Anglais James Watt. Mais on ne sait pas expliquer son fonctionnement ni prévoir jusqu’où on peut l’améliorer. Carnot, convaincu que la puissance de l’Angleterre tient à ces machines, cherche une théorie générale, valable quel que soit l’agent utilisé (vapeur, air, alcool).
Le principe de Carnot
L’idée centrale : une machine thermique ne produit du travail que si la chaleur passe d’un corps chaud à un corps froid. Carnot compare la chaleur à l’eau d’une chute qui fait tourner un moulin : la puissance dépend de la hauteur de la chute, ici l’écart de température.
Il imagine une machine idéale, parfaitement réversible, fonctionnant selon un cycle de quatre étapes :
| Étape | Transformation |
|---|---|
| 1 | détente à température constante, au contact de la source chaude, absorption de chaleur |
| 2 | détente sans échange de chaleur (adiabatique) : le gaz refroidit |
| 3 | compression à température constante, au contact de la source froide, rejet de chaleur |
| 4 | compression adiabatique : le gaz revient à son état initial |
Il démontre qu'aucune machine ne peut avoir un meilleur rendement que cette machine réversible, et que ce rendement maximal ne dépend que des deux températures.
Exemple : entre 600 K (327 °C) et 300 K (27 °C), aucun moteur ne peut convertir plus de 50 % de la chaleur en travail. Voir le zéro absolu.
Une théorie fondée sur le calorique
Carnot raisonne dans le cadre de la théorie du calorique, selon laquelle la chaleur est un fluide qui se conserve. Cette hypothèse est fausse, mais son résultat principal ne dépend pas d’elle. Ses notes posthumes, publiées par son frère Hippolyte en 1878, montrent qu’il avait ensuite abandonné le calorique, admis que la chaleur est un mouvement et estimé l’équivalent mécanique de la chaleur, avant Joule.
La redécouverte
Le livre passe inaperçu. En 1834, l’ingénieur Émile Clapeyron le reformule et représente le cycle par un diagramme pression-volume. William Thomson (lord Kelvin) le lit en 1848 et en tire l’échelle absolue des températures. En 1850, Rudolf Clausius concilie Carnot et Joule : le principe de Carnot devient le second principe de la thermodynamique, et Clausius introduit en 1865 la notion d'entropie.
Héritage
| Notion | Lien avec Carnot |
|---|---|
| second principe de la thermodynamique | généralisation de son principe |
| cycle de Carnot | modèle de référence des machines thermiques |
| rendement de Carnot | limite des centrales, moteurs, pompes à chaleur et réfrigérateurs |
| échelle absolue des températures | déduite de son raisonnement par Kelvin |
Son père Lazare (1753-1823), mathématicien et ingénieur, est aussi l’auteur de travaux de mécanique sur le rendement des machines, qui ont inspiré la démarche de son fils.
Questions fréquentes
Qu’a découvert Sadi Carnot ?
Qu’une machine thermique produit du travail grâce au passage de la chaleur d’un corps chaud vers un corps froid, et que son rendement maximal ne dépend que des températures de ces deux sources. C’est l’origine du second principe de la thermodynamique.
Qu’est-ce que le cycle de Carnot ?
Le cycle idéal d’une machine thermique réversible, formé de deux transformations à température constante et de deux transformations sans échange de chaleur. Il donne le meilleur rendement possible entre deux températures.
Pourquoi un moteur ne peut-il pas avoir un rendement de 100 % ?
Parce qu’il doit rejeter une partie de la chaleur vers une source froide. Le rendement maximal, 1 − Tf / Tc, n’atteindrait 100 % qu’avec une source froide au zéro absolu, ce qui est impossible.