Au cœur de la société thermo-industrielle, l’énergie est toujours enseignée dans les pas de Sadi Carnot (1796-1832). Comment plutôt s’en inspirer pour explorer, avec les étudiants, un autre avenir ? Cette interrogation guide l’auteur dans sa réflexion sur l’enseignement de la physique, notamment de la thermodynamique, à l’entrée de l’Université.
Le premier principe de la thermodynamique, science de la chaleur, source de mouvement, c’est la conservation de l’énergie (Lire : Thermodynamique, les lois et Thermodynamique, énergie et entropie). Elle est intemporelle et s’impose à tous. Alors d’où viennent interrogation et doute, lorsqu’elle est enseignée aux acteurs du monde de demain qui déjà vivront l’impact terrible des transitions irréversibles annoncées, changement climatique et effondrement de la biodiversité en tête ?
1. « Les Réflexions sur la puissance motrice du feu » de Sadi Carnot
En 1824, le jeune Sadi Carnot publie ses Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance. Il a 27 ans, 8 ans avant de mourir du choléra, et à l’aube de la Révolution industrielle[1]. En une centaine de pages, il fonde ce qui deviendra la thermodynamique baptisée ainsi, 20 ans après sa mort, par William Thomson, et vient par là de donner des bases théoriques à la machine à vapeur. Vingt ans plus tard aussi, Rudolf Clausius introduira l’entropie qui complétera le tableau (Lire : Energy consumption and entropy release in the biosphere).
Au passage, Sadi Carnot rationalise et fonde en théorie les pratiques des ingénieurs, et prend la mesure des effets de l’ensemble sur les changements déjà en cours à son époque, sur leurs développements à venir et sur la transformation du monde qui en résultera. A posteriori on ne peut qu’admirer !
« Si quelque jour les perfectionnements de la machine à feu s’étendent assez loin pour la rendre peu coûteuse en établissement et en combustible, elle réunira toutes les qualités désirables, et fera prendre aux arts industriels un essor dont il serait difficile de prévoir toute l’étendue. ». « Elles (les machines à feu) paraissent destinées à produire une grande révolution dans le monde civilisé. »
Deux siècles plus tard, on peut mesurer toute l’étendue de cette grande révolution. La puissance motrice du feu, c’est-à-dire la maîtrise de la chaleur produite par la combustion des combustibles fossiles, charbon, pétrole et gaz, a radicalement changé le monde (Lire :Une brève histoire de l’énergie).
« La navigation due aux machines à feu rapproche en quelque sorte les unes des autres les nations les plus lointaines. Elle tend à réunir entre eux les peuples de la terre comme s’ils habitaient tous une même contrée. Diminuer en effet le temps, les fatigues, les incertitudes et les dangers des voyages, n’est-ce pas abréger beaucoup les distances ? »
Carnot avait anticipé l’explosion des voyages, voire la mondialisation des échanges qui s’en suivirent en des termes toujours d’actualité. Déjà le village planétaire est là.
2. Carnot et la civilisation thermo-industrielle
L’approche scientifique de Carnot est d’une puissance incroyable. Elle part notamment des machines développées autour des mines de charbon. Avec cette analyse advient un saut conceptuel inouï :
« Partout où il existe une différence de température, il peut y avoir production de puissance motrice. »
Il faut disposer de deux températures : une chaude et une froide pour construire une machine thermique comme un moteur de voiture ou une centrale thermique. Plus le point chaud est chaud, mieux c’est. Plus le point froid est froid, mieux c’est. C’est toujours vrai, y compris pour le nucléaire.
Ce concept est au cœur de ce que l’on appelle de plus en plus aujourd’hui la civilisation thermo-industrielle[2] . Une civilisation déjà décrite en 1824 par Sadi Carnot en introduction de son texte scientifique fondamental.
3. L’humanité brûle toujours plus
Ça aussi Sadi Carnot l’a écrit :
« C’est dans cet immense réservoir que nous pouvons puiser la force mouvante nécessaire à nos besoins ; la nature, en nous offrant de toutes parts le combustible, nous a donné la faculté de faire naître en tous temps et en tous lieux la chaleur et la puissance motrice qui en est la suite. »
Pour ce faire, on a brûlé d’abord des arbres, puis rapidement du charbon, enfin du gaz et du pétrole alors qu’à l’époque de Sadi Carnot, la consommation de combustibles fossiles était encore insignifiante, mise à part celle de charbon en Grande Bretagne (Lire : La consommation mondiale d’énergie, 1800-2000). Massivement. Pour faire fonctionner plus d’un milliard de véhicules à moteurs essence ou diesel, et pour produire encore aujourd’hui l’essentiel de l’électricité qu’utilise près de 90 % de l’humanité (figure 1).
Fig. 1. Consommation annuelle mondiale d’énergie primaire. Source : www.ourworldindata.org/energy
Cette explosion de la consommation mondiale d’énergie est en grande partie, liée à la diffusion des moteurs à essence et diesel, est indissociable du rendement de Carnot et ses deux températures[3]. Il s’agit d’un morceau de physique d’une puissance, d’une subtilité et d’une élégance toujours fascinantes.
4. Civilisation thermo-industrielle : fin de partie en vue
Mais aujourd’hui, nous avons affaire à un problème méchant :
« Les transports sont responsables de près de 30 % des émissions totales de CO2 de l’Union européenne. Parmi ces émissions, 72 % proviennent du transport routier. »
En son temps, Sadi Carnot a décrit clairement le potentiel de progrès pour l’humanité dans la maîtrise de la chaleur pour produire du mouvement. Deux siècles plus tard, la partie s’est jouée comme il l’a anticipée. Mais, en 2020, on sait qu’elle ne peut pas continuer ainsi. La brutalité des effets du réchauffement climatique dû au dioxyde de carbone (CO2) relâché dans l’atmosphère est là, comme un sous-produit inévitable de cet immense feu planétaire. Le programme de Sadi Carnot établi il y a 200 ans n’est plus un avenir possible pour l’humanité.
5. L’énergie conditionne tout
Les lignes écrites par Sadi Carnot se fondaient sur une vision scientifique et rationnelle du futur de son temps. En 2020, on pourrait l’imaginer cherchant avec nous une autre voie. Sa vision serait certainement construite sur les remarques suivantes :
- les connaissances scientifiques fondamentales fondées expérimentalement ne se négocient pas,
- leur utilisation rationnelle est nécessaire comme l’ont montré la variété des réponses et leur différence d’efficacité dans la crise sanitaire en cours,
- il y a en conséquence des observations et des prévisions comme celles associées au réchauffement climatique qui sont aussi objectives et robustes que désagréables.
Il ne s’arrêterait probablement pas là. Il a été l’un des chercheurs qui ont fait émerger un nouveau paradigme pour le futur de l’humanité. On peut penser qu’il se situerait à nouveau à cette hauteur dans la réflexion :
« C’est à la chaleur que doivent être attribués les grands mouvements qui frappent nos regards sur la terre ; c’est à elle que sont dues les agitations de l’atmosphère, l’ascension des nuages, la chute des pluies et des autres météores, les courants d’eau qui sillonnent la surface du globe et dont l’homme est parvenu à employer pour son usage une faible partie. »
Cette première phrase de son livre semble aujourd’hui évidente (Lire : La transition énergétique, enjeu majeur pour la planète). L’était-elle aussi de son temps ? Nul ne le sait vraiment. Il souligne d’une part l’importance des mouvements naturels dus à la chaleur, induits par le rayonnement solaire qui frappe la Terre et d’autre part que nous n’accédons qu’à une faible partie de ces énergies, dites aujourd’hui renouvelables. Ça, ça reste vrai[4].
A lire aussi dans The Conversation :
- Penser l’après : Les limites physiques de la planète
- Pourquoi les universités doivent déclarer l’état d’urgence écologique et climatique
Cet article est une adaptation, avec l’accord de son auteur, de celui publié par The Conversation sous licence Creative Commons. Lire l’article original.
Notes et références
[1] L’image en haut de la page d’accueil représente Sadi Carnot en 1813, âgé de 17 ans, en uniforme de l’École Polytechnique. Gravure d’après le tableau de Léopold Boilly, parue en 1878 dans la réédition de Réflexions sur la puissance motrice du feu, Gauthier-Villars
[2] Voir les interventions de Gaël Giraud sur ce sujet.
[3] Voir ce qu’écrit à ce sujet L’Encyclopédie Universalis.
[4] Ces conclusions s’inscrivent dans la transformation de l’université à laquelle nous appelle le climatologue Jean Jouzel.
