Comprendre l'espace > Lois physiques basiques
La gravité
Vient du latin « Gravitas », appelé aussi pesanteur.
Force de gravitation exercée par un astre sur un corps quelconque.
Force en vertu de laquelle tous les corps s’attirent réciproquement en raison directe de leur masse et en raison inverse du carré de leur distance : Newton formula le premier la loi de la gravitation universelle.
Newton remarqua que, d’après les lois de Képler, la force agissant sur chaque planète est dirigée vers le soleil, et varie proportionnellement à la masse et en raison inverse du carré de la distance de la planète au soleil. On peut donc considérer cette force comme une attraction provenant du soleil. Plus généralement, l’attraction doit se faire sentir entre deux molécules quelconques appartenant toutes les deux au soleil, ou à une planète, ou à un satellite, ou bien l’une à l’un de ces corps et l’autre à un autre. Newton s’éleva ainsi, par une suite d’inductions naturelles, à cette conclusion que deux molécules quelconques de notre système planétaire, ayant pour masse m et m’ et séparées par une distance d, exercent l’une sur l’autre une attraction dirigée suivant la droite qui les joint et dont l’intensité est :
où f désigne une constante. Tel est l’énoncé de la loi de Newton, que l’on appelle aussi loi de l’attraction universelle. La première des magnifiques applications qu’en fit Newton fut de reconnaître la nature parabolique des trajectoires des comètes, et les principales conséquences en sont données dans le célèbre ouvrage de Newton : les Principes de la philosophie naturelle, paru en 1687, dont Lagrange a pu dire que c’était la plus haute production de l’esprit humain.
La thermodynamique
La thermodynamique repose sur deux principes dits de l’équivalence et de Carnot, établis par l’expérience et indépendants de toute idée préconçue. On doit la distinguer de la théorie mécanique de la chaleur, qui comporte des hypothèses particulières sur la constitution moléculaire et sur la nature même de la chaleur. Elle constitue « le lien le plus général entre les diverses sciences expérimentales ». Elle permet de prévoir ou d’expliquer de nombreux phénomènes physiques ou chimiques ; l’astronomie, aussi bien que la biologie, lui sont redevables d’applications originales et fécondes.
Rumford et Davy montrèrent les premiers que le travail mécanique peut se transformer en chaleur, mais sans indiquer suivant quelle loi cette transformation s’effectue. Puis la notion de l’équivalence du travail et de la chaleur se précisa, grâce aux recherche de R. Mayer (1842), Joule, Helmholtz et Colding, qui y parvinrent indépendamment les uns des autres, à quelques années d’intervalle. De son coté, Sadi Carnot avait découvert auparavant le second principe (1824) que Clapeyron et Clausius, entre autres, développèrent de façon utile. Actuellement, le principe de l’équivalence s’énonce ainsi : quel que soit le système employé pour transformer le travail en chaleur ou la chaleur en travail, il existe un rapport constant E entre la quantité du travail T et la quantité de chaleur Q, qui intervient dans une série quelconque de transformation, si l’état final du système est identique à l’état initial, et :
Le principe de Carnot relie les températures et le travail. On le formule maintenant de la manière suivante : Une machine thermique ne peut fonctionner sans qu’il passe de la chaleur d’une source chaude sur une source froide. Autrement dit, il ne saurait y avoir transformation de chaleur en travail sans chute de température. Clausius a traduit analytiquement le principe de Carnot : Soit dQ, la quantité de chaleur mise en jeu dans une partie infinitésimale d’un cycle réversible, il démontra que S(intégrale) (dQ)/T=0 pour un cycle fermé, ou, ce qui revient au même, que DQ/T égale une différence exacte.
L’application des principes de la thermodynamique exige que la série des transformations forme un cycle fermé et réversible. Quand ces conditions sont remplies, on résout le problème posé : 1° en formant l’expression dT-EdQ et en écrivant que c’est une différentielle exacte.
Fonction caractéristique C’est la fonction H=TS-U où S est l’entropie S(intégrale) dQ/T et U l’énergie du système. On démontre facilement que toutes les fonctions utiles à considérer dans les transformations thermiques des corps s’expriment au moyen de H et ses dérivés. On étudia de la sorte nombreux phénomènes (vaporisation, fusion, solidification, allotropie, thermoélectricité, piles, etc.), et d’intéressantes conclusions sur le fonctionnement des machines à vapeur. Pour simplifier toutes ces équations, nous avons deux phrases qui résument les grands principes de la thermodynamique :
Rien ne se perd, tout se transforme. Dans toutes les transformations d’état, les mouvements, etc. l’énergie utilisée se transforme en chaleur ou en travail.
L’Univers tend naturellement vers le désordre et l’équilibre. Il faut faire des efforts pour ordonner les choses et les sortir de leur état d’équilibre.
