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´ Ecole Nationale Polytechnique D´ epartement du g´ enie chimique Expos´ e Sadi

´ Ecole Nationale Polytechnique D´ epartement du g´ enie chimique Expos´ e Sadi Carnot P` ere de la thermodynamique 2019 - 2020 ´ Elabor´ e par: • Houssem Eddine Kafi Les hommes sont membres les uns des autres, et cr´ e´ es tous de mˆ eme mati` ere, si un membre s’est aﬄig´ e les autres s’en ressentent : Celui qui n’est touch´ e du mal d’autrui ne m´ erite d’ˆ etre appel´ e homme. Ab¯ u-Muhammad Muslih al-D¯ ın ben Abdall¯ ah Sh¯ ır¯ az¯ ı, po` ete perse mieux connu sous le nom de Saadi Po` eme se trouvant ` a l’entr´ ee de l’immeuble de l’Organisation des Nations unies ` a New York 1 Introduction Sadi Carnot en uniforme de polytechnicien Il existe de ces scientiﬁques qui en partant tˆ ot, nous laissent perplexes quant ` a leurs accomplissements s’ils ´ etaient rest´ es plus longtemps parmi le commun des mortels. Evariste Galois1, Niels Henrik Abel2, Srinivasa Ramanujan3 mais aussi Sadi Carnot qui mourut du chol´ era ` a 36 ans font partie de ces lumi` eres parties trop tˆ ot. Nonobstant sa courte carri` ere, il r´ eussit quand mˆ eme ` a laisser sa trace sur la physique en posant les bases d’une discipline totalement nouvelle: la ther- modynamique.Toute centrale ´ energ´ etique,toute automobile, tout moteur ` a r´ eaction fonctionne selon les principes fomul´ es par Carnot. 2 Biographie 2.1 Contexte familial Sadi Carnot, du nom du po` ete persan Saadi de Shiraz en Iran naquit dans une famille ` a la fois scientiﬁque et tr` es impliqu´ ee politiquement. En eﬀet son p` ere Lazare Carnot fut un math´ ematicien et ing´ enieur brillant mais aussi soldat, meneur d’hommes et r´ evolutionnaire. Il ﬁt partie de la premi` ere assembl´ ee constituante de France et vota la mort de Louis 16. Il occupa plusieurs postes de ministre sous le r` egne de Napol´ eon Bonaparte mais fut exil´ e apr` es la d´ efaite de ce dernier. Son fr` ere entreprit aussi une carri` ere politique mais c’est surtout son neveu -il portait le mˆ eme pr´ enom- qui occupa le poste politique le plus imminent en ´ etant ´ elu en 1887 pr´ esident de la r´ epublique fran¸ caise. Portrait oﬃciel du pr´ esident Sadi Carnot Lazare Carnot, son p` ere 2.2 Jeunes ann´ ees Nicolas L´ eonard Sadi Carnot est n´ e le 1er juin 1796 ` a Paris au palais du Petit-Luxembourg -r´ esidence actuelle du pr´ esident du s´ enat fran¸ cais- o` u son p` ere avait ses appartements de fonc- tions.` A cause de ces derni` eres, son p` ere dut s’expatrier jusqu’en 1800, Sadi v´ ecut donc avec sa m` ere Sophie Dupont qui est issue d’une famille ais´ ee durant cette p´ eriode.` A son retour,son p` ere d´ ecida de s’occuper lui-mˆ eme de l’´ education de ses deux ﬁls ; il leur enseigna les math´ ematiques, les sciences, les langues et la musique.Cette formation marqua grandement Carnot et certaines conceptions de son p` ere inﬂuenc` erent le contenu de ses travaux plus tard. Il int´ egra par la suite 1mort ` a 20 ans dans un duel 2mort ` a 26 ans de tuberculose 3mort ` a 32 ans d’h´ epatite 1 le lyc´ ee Charlemagne en classe pr´ eparatoire au concours d’acc` es ` a l’´ ecole polytechnique qu’il int´ egra ` a 16 ans se classant 24 ` eme sur 179 admis. 2.2.1 Vie active Puisque les ´ el` eves de Polytechnique en plus d’´ etudier font partie de l’arm´ ee fran¸ caise, le cursus de Carnot fut quelque peu perturb´ e par les guerres napol´ eoniennes.En eﬀet les cours furent interrompus maintes fois et Carnot prit mˆ eme part ` a un accrochage qui fut heureusement sans gravit´ e. Malgr´ e tout cela,Carnot arriva au bout de sa formation ` a l’´ ecole polytechnique en se classant 5 ` eme dans sa promotion.Il int´ egra pour sa derni` ere ann´ ee l’´ ecole d’application de l’artillerie et du g´ enie de Metz. S’en suit une carri` ere militaire sans grand ´ eclat, son travail consistait essentiellement ` a un travail de topographie, d’inspection de fortiﬁcation et de tra¸ cage de plan, rien de tr` es enthousiasment,sa carri` ere ´ etait en stagnation et la monotonie de celle ci le poussa ` a d´ eposer sa d´ emission en 1828.L’h´ eritage laiss´ e par son grand p` ere maternel et parrain lui permit de mener une vie de rentier modeste et de se consacrer pleinement ` a ses recherches personnelles. 3 Travaux 3.1 Contextualisation Magdeburg, ville qui connut la premi` ere machine ` a vapeur Le 23 juin 1821 alors qu’il est toujours de service dans l’arm´ ee, il prend un cong´ e sans solde pour rendre visite ` a son p` ere exil´ e ` a Magdebourg en Alle- magne. C’est l` a qu’avec son p` ere, il commence ` a s’int´ eresser aux machines ` a vapeur, puisque c’est ` a Magdebourg trois ans plus tˆ ot qu’avait ´ et´ e construite la premi` ere machine. D` es son retour ` a Paris, il entame une r´ eﬂexion sur ce qui devint la thermodynamique. Ses premiers travaux importants datent des ann´ ees 1822-1823. Mais il faut noter qu’` a l’´ epoque de Carnot, et c’est ce qui fait son g´ enie, la seule science bien ´ etablie, fond´ ee sur les math´ ematiques, ´ etait la m´ ecanique. Toute les autres sciences, chimie et ´ etudes de la chaleur y compris fai- saient des progr` es rapides mais n’´ etaient pas encore arriv´ ees au stade de l’abstraction math´ ematique.L’´ etude de la chaleur par exemple, rendue pos- sible par l’invention du thermom` etre reposait toujours sur des bases fragiles ` a savoir la th´ eorie impr´ ecise du calorique4 et l’axiome de la conservation de la chaleur; son accepta- tion de ces deux principes lui causera comme nous le verrons plus tard, bien des probl` emes. 3.2 La machine ` a chaleur Machine de Newcomen ` A l’´ epoque de Carnot, les machines ` a vapeur ´ etaient d´ ej` a bien ancr´ ees dans le paysage, on les utilisait notamment dans les mines ` a Charbon partic- uli` erement en Angleterre, berceau de la r´ evolution industrielle. La machine ` a vapeur la plus utilis´ ee ´ etait celle de Newcomen, elle comportait un seul compartiment -machine mono cylindre- dans lequel de la vapeur ´ etait in- troduite pour y chasser l’air hors, puis celui-ci ´ etait refroidi de sorte que la vapeur se condense et que la pression atmosph´ erique externe fasse redescen- dre le piston. On laissait ensuite la vapeur remplir de nouveau le cylindre et le cycle se r´ ep´ etait. 4D’apr` es cette doctrine, la chaleur est un ﬂuide, le calorique, s’´ ecoulant des corps chauds vers les corps froids. 2 Les machines ` a vapeur apr` es l’am´ elioration apport´ ee par Watt Dans les ann´ ees 1760, James Watt introduit les machines ` a 2 cylindres: dans le premier aurait lieu la condensation tandis que le deuxi` eme ´ etait maintenu chaud en permanence. Cela aﬁn de supprimer le gaspillage de la chaleur li´ e au r´ echauﬀement et au refroidissement alternatif du cylindre dans la machine de Newcomen. Sadi Carnot appr´ ecia ce travail mais ﬁt remarquer que ce moteur avait le d´ efaut de ne pas utiliser correctement le principe d’expansion en partie car c’est la pression du condensateur qui marquait la ﬁn de l’expansion de la vapeur d’eau -la vapeur pourrait se dilater encore plus si cette pression le permettait fournissant ` a terme encore plus de travail- mais aussi car Watt refusait cat´ egoriquement d’utiliser des machines ` a hautes pressions les jugeant trop dangereuses privant ainsi les machines d’un gain en puissance et une ´ economie en combustible. 3.3 Son livre Durant sa courte carri` ere, Sadi Carnot ne publia qu’un seul livre intitul´ e: R´ eﬂexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres ` a d´ evelopper cette puissance. Son livre est consid´ er´ e comme la gen` ese de tout ces travaux et s’av` ere comme un livre important dans l’histoire de la physique. Il est divis´ e en 4 partie chacune traitant d’un aspect de ses recherches. 3.3.1 ´ Ebauche de la deuxi` eme loi de la thermodynamique Dans la premi` ere partie de son livre, Carnot se contente d’un expos´ e philosophique sur la place que poss` ede la chaleur dans les grands ph´ enom` enes de la nature -le syst` eme des vents, les courants oc´ eaniques. . . -. Dans son livre, Carnot ne s’occupe pas de la nature de la chaleur ni aux conditions dans lesquelles la chaleur est transmise. Cependant il fait dans cette partie de son livre allusion ` a une id´ ee de la plus grande importance qui ni plus ni uploads/Industriel/ carnot.pdf