Physique XIX. Au XXe siècle (et III)

1999/03/01 Bandres Unanue, Luis Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Biologia

Thermodynamique dynamique

En 1824, le français Sadi Carnot a affirmé que toutes les machines thermiques ont besoin d'un corps chaud ou d'une source de chaleur et d'un autre corps froid ou condensateur, et qu'en travaillant la machine la chaleur passait continuellement du corps chaud au corps froid. Carnot a écrit l'idée de conservation de l'énergie. Cependant, au fil des ans son travail n'a pas été bien compris parce qu'ils l'ont mis sur le terrain calorique. Selon cela, il était admis que la chaleur passait par la machine sans varier le nombre et que le travail était obtenu par la diminution de la température, comme lorsque l'eau passe par une turbine.

Carnot a observé que pour étudier les lois des machines thermiques il fallait partir du cas le plus simple, c'est-à-dire qu'il fallait enquêter sur un cycle de machines sans aucune friction et sans perte de chaleur, et que la substance utilisée (vapeur, air comprimé ou autre), après avoir traversé différentes situations, devait passer à son état initial. Une partie du travail effectué différemment pouvait provenir de l'énergie interne de la substance, de sorte que le travail effectué ne serait pas totalement due à la cause de la chaleur passée par la machine.

Clausius et Thomson ont donné à la théorie des cycles de Carnot l'aspect que nous connaissons aujourd'hui. Par ailleurs, les travaux réalisés par Joule ont permis de connaître l'équivalence entre chaleur et travail. Et que l'on peut devenir une autre ou vice-versa. Cependant, ils ont vite réalisé que même si un nombre fixe de tâches peut devenir une chaleur totale, le processus inverse n'atteint pas 100%. Ils ont vu que seule une partie de la chaleur utilisée dans les machines à vapeur et autres thermiques était transformée en travail, sans que l'autre partie soit nécessairement convertie en chaleur.

Sur la base de cette idée et de travail, Thomson, qui serait alors le lord Kelvin, a inventé l'échelle de température naturelle ou absolue qui porte son nom aujourd'hui, celle de degrés Kelvin. Avant, par un essai effectué par Meyer, Joule a converti le travail en chaleur en utilisant la compression d'air. Mais Joule, en passant, a également conclu que l'air, en le laissant dilater sans travailler, ne souffrait pas de changements de température.

Toutes ces étapes dans la thermodynamique ont eu quelques conséquences, d'une part, elles ont fourni des bases solides pour le développement de machines thermiques et, d'autre part, elles ont fortement encouragé et canalisé l'avancement de la physique et de la chimie dans différentes directions. Faraday a transformé le chlore en liquide par un instrument très fin, tout comme d'autres chercheurs ont réussi à rendre tous les gaz liquéfiés. Ainsi, il a été démontré que toutes les matières peuvent apparaître dans trois situations. En 1898 Dewar a réussi à liquéfier l'hydrogène. Le thermo que nous utilisons actuellement pour maintenir les boissons chaudes provient de récipients en verre avec chambre à vide conçue par Dewar pour ses essais.

Pour travailler efficacement par la chaleur, un saut de température est nécessaire. Que la différence de température soit éliminée, ou que la chaleur soit transmise par la conduction, la convection ou le rayonnement dans la nature, de sorte que lorsque des changements dans le système isolé se produisent dans un seul sens, sa capacité est inférieure, de sorte que la fonction mathématique que Clausius défini comme «entropie» est de plus en plus. Lorsque la capacité de travail de l'énergie calorifique atteint sa limite minimale, l'entropie atteint son maximum, ce qui permet d'obtenir des conditions d'équilibre du système. Dans la construction de la théorie de l'équilibre physique et chimique ce siècle, avec Clausius et Thomson, nous avons Holmholtz, Gibbs et Nernst.

La première loi de la thermodynamique revendique la conservation de l'énergie. Le second nous dit que la tendance énergétique est de plus en plus dégradée. Avec ces deux idées et les étendant dans tout l'univers, on prétendait déduire que l'énergie du cosmos se transforme constamment en chaleur, qui, à mesure que les sauts de température étaient plus petits, devenait de plus en plus difficile. C'est pourquoi XIX. Les physiciens du XXe siècle ont annoncé qu'à l'avenir, après avoir transformé toute l'énergie de l'univers en chaleur et l'avoir uniformément étendue, aucune autre modification ne pourrait être apportée. Cependant, cela signifie, entre autres, que les normes observées dans un domaine limité sont applicables à un autre plus complexe. Mais tout cela nous conduit dans un autre domaine de la connaissance.

Théorie de la lumière

XIX. Une autre théorie ancienne qui est ressuscité au début du XXe siècle a été la théorie ondulatoire de la lumière. XVII. Au XVIIIe siècle Hooke et d'autres l'ont défendu en quelque sorte et Huygens l'a proposé plus précisément, mais son opposition à Newton et son opinion sur le sujet a été très lourde, de sorte que la proposition de Huygens n'a pas été considérée. Newton avait deux raisons de mettre de côté la théorie des ondes de la lumière: d'une part, elle ne représentait pas bien le phénomène des ombres, puisque si la lumière était une onde comme celle qui fait n'importe quelle onde (par exemple le son), elle envelopperait les corps opaques et, d'autre part, les ondes qui vibrent dans sa direction de propagation dans le phénomène de la double réfraction observée dans l'épine d'Islande ne se représentaient pas. Ces difficultés ont été résolues par Young (1773-1829) et Fresnel (1788-1827) donnant à la théorie ondulatoire son aspect actuel.

Young a fait passer la lumière blanche à travers deux trous réalisés avec une aiguille sur un écran et a regardé ce qui a été exposé sur un autre écran derrière. Sur les points où coïncidaient les rayons des deux orifices du deuxième écran, on a observé périodiquement un grand nombre de bandes sombres et de couleur vive, provoquées par les interférences des ondes analogues des deux faisceaux de lumière. Quand une onde arrivait à l'écran, elle avait un décalage moyen de la longueur d'onde par rapport à l'autre, apparaissant l'obscurité qui unissait la pointe de l'une avec le fond de l'autre, tandis que lorsque les sommets des deux coïncidaient, l'intensité de la lumière était doublée et des couleurs brillantes apparaissaient. En remplaçant la lumière blanche composée d'une lumière unicolore (fréquence), au lieu des bandes colorées apparaissent alternativement la luminosité et l'obscurité de cette couleur.

Les dimensions de l'appareil et la largeur des bandes ont montré que des longueurs d'onde différentes peuvent être trouvées. On estime que les longueurs d'onde étaient très courtes, de deux millièmes par millimètre, et que les mesures des obstacles que la lumière trouve sur son chemin étaient très élevées par rapport à sa longueur d'onde. C'est pourquoi la lumière se propage en ligne droite et le phénomène qui apparaît en entourant un obstacle, aujourd'hui connu sous le nom de diffraction, est très petit.

La deuxième difficulté de Newton a été résolue par Fresnel. Hooke a soulevé l'hypothèse que les vibrations qui, dans son jour, forment la lumière se propagent dans la direction des rayons. Fresnel a assumé cette hypothèse et a pu exprimer clairement le phénomène de la double réfraction qui se présentait dans le spathe islandais.

Fresnel a mathématiquement développé la théorie des ondes lumineuses avec une plus grande précision. En réalité, et après avoir reconnu que certains problèmes étaient encore en suspens, on peut affirmer que, en général, sa théorie était conforme aux phénomènes observés. Fresnel lui-même et ses disciples XIX. Au XVIIIe siècle, la théorie des ondes classique de la lumière a été complétée et arrondie.

Mais si la lumière est l'onde, c'est-à-dire s'il s'agit d'un mouvement ondulatoire mécanique, un moyen matériel est nécessaire pour sa propagation, mais tant qu'il n'était pas connu, il a été proposé et accepté l'aide de l'"éther" pour prendre sa place. En raison des particularités des ondes lumineuses, les caractéristiques requises par ce moyen ne se présentent pas dans des liquides ou des gaz, mais dans des solides, donc on ne voyait pas que cet éther devait être rigide. Parallèlement, une vaste théorie de la solidité élastique de l'éther a commencé. D'autre part, la lumière provenait du Soleil à travers l'éther et dans cet éther rigide les planètes se déplaçaient sans aucun obstacle: comment pouvait-on? XIX. Dans la première moitié du XXe siècle était un grand défi pour les physiciens. Pour mettre tout cela en commun on a proposé aussi l'existence d'éthers gyrostatiques, mais la déclaration procède d'une autre manière: que l'éther n'est pas nécessaire.

Pour cela, Faraday a dû démontrer que dans l'espace, dans le vide, des phénomènes électromagnétiques se produisaient. Ensuite, Clerk Maxwell (1831-1879) constata que la lumière n'était qu'un type d'ondes électromagnétiques, ce qui mit fin à la résistance de cet éther. Le premier chapitre de ce qu'on appelle aujourd'hui "physique de champ" est la théorie ondulatoire de la lumière; le second, Faraday et Maxwell ont écrit la théorie combinant la lumière avec l'électromagnétisme; le troisième, la théorie de la gravitation pour représenter géométriquement la gravitation d'Einstein, mais celle-ci est totalement étrangère au cadre temporel de ces lignes.

Ondes électriques

Dans la prospérité du résultat obtenu par Faraday, nous pouvons voir son incroyable intuition. Quand un courant électrique dévie l'aiguille magnétique dans l'espace ou fait apparaître la force électromotrice dans un autre circuit, nous devons penser qu'il y a "action à distance" sans expression ou "quelque chose" qui agit comme moyen de transport dans l'espace intermédiaire. Faraday a suivi la deuxième voie et a inventé le concept des lignes de force, qui sortaient de quelques points et allaient à d'autres points et a ainsi pu dessiner cette influence.

Maxwell a mis les idées de Faraday dans une tenue mathématique sachant que le courant électrique produisait un champ magnétique dans lequel la force magnétique était perpendiculaire au courant et, étant donné que les changements dans le champ magnétique produisaient une force électromotrice, il est devenu clair que les forces électriques et magnétiques étaient complètement unies. Ainsi, lorsque la modification de la polarisation diélectrique est propagée dans un milieu isolant, elle se propage comme une onde électromagnétique. Dans cette expansion, les forces magnétiques et électriques sont perpendiculaires les unes aux autres sur le plan du front d'onde de l'expansion. Maxwell a découvert les équations différentielles qui conduisent ces ondes. Selon eux, la vitesse des ondes dépendait des caractéristiques magnétiques et électriques du milieu.

Maxwell lui-même et d'autres physiciens ont calculé la vitesse de ces ondes. Il a été découvert à environ 30.000 kilomètres par seconde, comme la vitesse de la lumière. Maxwell a conclu que la lumière n'était qu'un phénomène électromagnétique et qu'elle serait un éther, même si ses longueurs d'onde étaient différentes, puisque ces deux phénomènes étaient en réalité égaux.

À cette époque, le problème de la nature des ondes électromagnétiques s'est révélé : les ondes électromagnétiques étaient considérées comme une onde mécanique qui vibre dans un solide semi-rigide (l'éther), ou, même si elles ne connaissaient pas en profondeur sa signification finale, la nature de la lumière pouvait s'exprimer par l'électricité et le magnétisme. Maxwell s'est montré partisan de son éther lumineux, qui, selon lui, en plus de porter la lumière, nécessiterait d'autres exigences électriques.

En Angleterre, ils acceptèrent les conséquences de Maxwell, mais en Europe ils passèrent presque inaperçus jusqu'en 1887. Cette année-là, Heinrich Hertz, au moyen des étincelles d'un courant oscillant de bobine inductrice, créa dans l'espace ces ondes électromagnétiques, encore purement théoriques. Et démontrer expérimentalement que beaucoup des particularités des ondes électromagnétiques citées ci-dessus étaient remplies. Par conséquent, l'éther, s'il existait, serait plein d'ondes électromagnétiques, mais ces ondes se propageaient également dans l'espace vide, de sorte que l'existence de cet éther est partie du déni de son existence.

La théorie de Maxwell, y compris ses équations, donnait une vision circulaire des ondes électromagnétiques et, à côté de celles-ci, de l'électricité et du magnétisme, mais elle n'exprimait pas bien la cause des différentes charges électriques utilisées à l'époque pour exprimer les expériences électrolytiques réalisées par Faraday. Le concept de charge électrique (c'est-à-dire de charge atomique) après la mort de Maxwell aurait une grande importance. Toute la théorie a été arrondie.

Analyse spectrale

Pendant l'Antiquité et le Moyen Age, la distinction entre les corps terrestres et célestes était claire, mais Galilée et Newton ont abandonné cette distinction. Deux scientifiques ont découvert expérimentalement et ont démontré mathématiquement les lois mécaniques qui régissent les mouvements des corps du système solaire, les chutes libres sur la terre et le reste des mouvements. Pour rendre visible l'égalité entre les corps terrestres et célestes, en plus de prouver que leur structure et leur composition étaient égaux, à savoir les éléments qui forment les corps terrestres et ceux qui interviennent dans la composition du Soleil, la planète et les étoiles. XIX. Au milieu du XXe siècle, ce problème a été mis en évidence.

Newton a montré en son temps que les rayons du soleil passant par un prisme de verre se décomposaient en quelques couleurs. En 1802, Wollaston découvrit l'existence de plusieurs lignes obscures dans ce spectre de la lumière solaire, puis, en 1814, après que Joseph Fraunhofer eut réutilisé ces lignes, avec plus d'un prisme, il agrandit la dispersion et réexamina et étudia en détail les lignes exposées.

Par ailleurs, dans son jour, le XVIII. Au milieu du XXe siècle, Melvil découvrit pour la première fois que dans la lumière de la flamme d'un feu contaminé par des métaux ou des sels apparaissaient au fond sombre des lignes spéciales de couleur brillante et en 1823 Herchel proposa la voie inverse, c'est-à-dire que ces lignes indiquaient la présence de métaux. Cela a provoqué beaucoup d'observations dans lesquelles l'objectif était de visualiser et d'identifier les lignes spectrales des différents éléments.

En 1855, David Alter a découvert les spectres de l'hydrogène et d'autres gaz. Entre 1855 et 1863, von Bunsen entreprit plusieurs expériences pour voir l'influence chimique de la lumière et en 1859, avec Kirchhoff, il inventa les premières méthodes précises pour l'analyse du spectre. Grâce à eux, on pouvait vérifier l'existence ou non d'éléments chimiques. Deux nouveaux éléments ont ainsi été découverts: la cession et le rubidium.

Von Bunsen et Krichhoff ont continué et ont fait passer la lumière provenant du sable rouge, qui avait un spectre continu, par une flamme d'alcool avec du sel commun et ont vu les lignes découvertes par Fraunhofer à la lumière du soleil. Ils ont refait l'expérience, mais au lieu d'utiliser le sel, ils ont utilisé le lithium et ont vu apparaître une ligne sombre qui n'apparaissait pas dans le spectre solaire. Par conséquent, il a été démontré que le lithium n'est pas présent malgré la présence de sodium dans l'atmosphère du soleil. D'où l'astronomie spectroscopique, qui a suivi le développement de cette nouvelle branche de la physique.

En 1878, Lockyer découvrit dans la partie verte du spectre du soleil une ligne obscure qui ne correspondait pas aux lignes d'aucun élément connu et qui, par conséquent, dans le soleil générait un élément inconnu. Cet élément supposé a été appelé "hélium". En 1895, Ramsay a découvert cet élément dans un minéral appelé “pecholenda”.

Pendant ce temps, il a été prouvé physiquement que la lumière et la chaleur du rayonnement sont identiques. En 1800 Herschel a découvert que le thermomètre situé au-dessous de la limite inférieure du rouge du spectre solaire recevait des effets calorifiques. Un peu plus tard, Ritter découvrit un peu plus loin que la limite supérieure du violet invisible. On a constaté que la chaleur du rayonnement qui n'est pas observée entre 1830-40, comme la lumière, contient réflexion, réfraction, polarisation et interférence. Certains physiciens ont accepté l'équivalence entre les émissions et les capacités de l'ingestion: comme un corps noir ingère tout le rayonnement, car une fois réchauffé il émet des radiations de toutes les longueurs d'onde.

Maxwell avait théoriquement prouvé que le rayonnement doit être pressé en se heurtant à une surface, puis il a été démontré expérimentalement que cette pression, bien que très faible, existe. En 1875 Bartoli dit que par cette pression, nous pouvons considérer l'espace plein de rayonnement comme le cylindre d'une machine thermodynamique théorique. En 1884 Ludwig Boltzmann a montré théoriquement que le rayonnement total d'un corps noir dépend de la quatrième puissance de la température absolue, puis Stefan a vérifié expérimentalement que cette loi était correcte. Cette conclusion permet d'affirmer que les températures du Soleil et des étoiles peuvent aussi être mesurées par l'énergie calorifique qu'elles rayonnent.