Calorique
Munich, 1798. Le comte Rumford regarde forer des fûts de canon à l’arsenal et se pose une question de calcul. Si la chaleur est une substance répandue dans le métal, sa réserve est finie, et le forage cessera un jour de chauffer. Il prend un foret émoussé, met le fût dans une caisse d’eau et obtient de l’eau bouillante en deux heures et demie. Il change l’eau — de nouveau elle bout.
Le calorique était une matière impondérable que Lavoisier inscrivit dans sa table des substances simples. On pensait qu’il coulait du chaud vers le froid en se conservant. On en mesurait la quantité en calories : une calorie échauffe un gramme d’eau d’un degré. La théorie donna des tables justes de capacités thermiques et même la théorie des machines thermiques de Carnot. Mais l’expérience de Rumford montra qu’on peut produire de la chaleur sans fin, tant qu’on fournit du travail.
| Notation | caloric · calorique · mesure cal |
| Comment on mesurait | par la masse de glace fondue et l’échauffement de l’eau · Q = c·m·ΔT |
| Ce qu’on supposait | conservation : ce qui quittait un corps arrivait dans un autre |
| Introduction et abandon | calorique — Lavoisier, 1789 · expérience de Rumford — 1798 · équivalent mécanique — Joule, 1843—1850 |
| Notation actuelle | la chaleur est une forme d’énergie, en joules · 1 cal = 4,184 J · ISO 80000-5 |
| Valeurs typiques | 79,7 cal — fondre un gramme de glace · 540 cal — vaporiser un gramme d’eau · 2000 kcal — ration journalière |
01 · Définition
Le fluide impondérable de la chaleur
Dans le système de la fin du XVIIIᵉ siècle, le calorique est contenu dans les corps et coule des chauds vers les froids. Ses particules se repoussent — c’est pourquoi la chaleur se répand et les corps se dilatent quand on les chauffe. Les substances retiennent le calorique différemment : le fer en demande dix fois moins que l’eau pour s’échauffer d’un degré.
La chaleur latente de Black trouvait aussi son explication : la glace qui fond absorbe du calorique sans se réchauffer, il y entre donc sous forme liée. Tout le calcul du système reposait sur une hypothèse — que le calorique se conserve. C’est elle qu’il fallut abandonner. Les formules de capacité thermique restèrent valables ; seulement, la chaleur compte désormais comme énergie.
La chaleur sur la balance, sans thermomètre
Au centre, un échantillon chaud dans une chambre de glace ; sa couleur dépend de sa température. En turquoise, la glace et l’eau de fonte, qui coule dans la coupelle en bas — sa masse donne la chaleur. L’enveloppe extérieure est aussi en glace ; elle protège l’expérience de la chaleur de la pièce. Les points ambrés sont le calorique tel qu’on se le figurait : il passe de l’échantillon à la glace jusqu’à ce que l’échantillon refroidisse à zéro.
Comment le calorique expliquait tout — jusqu’à ce qu’on se mette à forer
Ici le calorique est dessiné tel qu’on se le figurait : 260 particules ambrées d’un fluide impondérable. Dans les trois premières expériences leur nombre ne change pas ; elles ne font que passer d’un corps à l’autre, dilater le corps ou se cacher dans la glace qui fond. Les cercles creux sont du calorique lié, la couche turquoise est de la glace. Dans la quatrième, le foret fait naître de nouvelles particules, blanches, à partir de rien — et le compte cesse de tomber juste. Le curseur conduit l’expérience ; les nombres sous la scène sont comptés en calories, comme à l’époque.
Le fût qui ne refroidissait pas
Au centre, la foreuse de l’arsenal. Des chevaux tournent en rond ; leur manège fait tourner un fût de bronze par une grande roue et un pignon. Le fût est dans une caisse d’eau, un foret émoussé appuie dans son âme. En lilas, le travail mécanique : engrenage, arbre, puissance des chevaux. En ambre, la chaleur qui naît au point de frottement : des particules montent du foret à travers l’eau. En turquoise, l’eau et sa température. À droite, un écran enregistre l’échauffement de l’eau, avec en dessous le compte du calorique. Selon la théorie, la réserve de calorique du fût est finie. La barre montre combien de cette réserve aurait déjà dû partir. Le temps va 120 fois plus vite : une seconde vaut deux minutes. Si l’on ne touche à rien pendant 20 s, les expériences démarrent seules.
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02 · Conversion
| {n} | {v} | {note} |
Il existe plusieurs calories. La thermochimique vaut exactement 4,184 J, l’internationale 4,1868 J, celle à 15 degrés 4,1855 J. L’écart est de quelques dixièmes de pour cent. Dans un travail précis, on indique le type de calorie — ou mieux, on écrit directement des joules.
Les grammes de glace et d’eau bouillante étaient les mesures de l’époque : c’est ainsi qu’on voyait la chaleur. Fondre un gramme de glace demande 79,7 cal, vaporiser un gramme d’eau à 100 °C environ 540 cal. La vapeur brûle plus que l’eau bouillante justement à cause de ces 540.
03 · Ordres de grandeur
04 · Instruments de mesure
05 · Règles d’écriture
06 · Unités voisines
Le calorique a disparu, mais il a laissé un héritage. Carnot dériva la limite des machines thermiques en tenant le calorique pour conservé — et la formule est encore juste. Travail et chaleur se révélèrent une seule grandeur, et l’entropie naquit du rapport de la chaleur à la température.
07 · Section historique
La théorie du calorique n’a gâché aucune mesure : le calorimètre mesurait la chaleur transmise, pas une substance. C’est pourquoi les tables de capacités thermiques de Lavoisier et Laplace ont survécu à la théorie. On n’abandonna que l’hypothèse de conservation ; la mesure — la calorie — fut gardée.
La calorie était définie par l’eau et connut plusieurs versions : à 15 °C, moyenne de 0 à 100 °C, internationale. En 1948, la Conférence générale des poids et mesures recommanda d’exprimer la chaleur en joules. La calorie resta sur les emballages alimentaires et dans les vieux manuels.
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