Archives mensuelles : septembre 2009

Sadi Carnot


Sadi Carnot est considéré comme le père de la thermodynamique moderne en introduisant plus ou moins le deuxième principe de la thermodynamique.

J’ai déjà consacré 2 billets à la thermodynamique sur ce blog : Thermodynamique : Les bases et Thermodynamique : Principes et Applications.  J’ai donc déjà parlé de Sadi Carnot mais je voulais vous informer que je viens de publier sur le site de la bibliothèque numérique Bibnum une analyse au sujet du fameux texte de Sadi Carnot intitulé « Réflexions sur la
puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance
 » dans lequel il explique son fameux cycle de Carnot. Je vous invite donc à consulter cette analyse qui permet de mettre en lumière la clairvoyance de Sadi Carnot pour son époque (le texte date de 1824). D’autant que Sadi Carnot est mort relativement jeune, à 36 ans à cause d’une épidémie de choléra, pratiquement dans l’oubli général, alors qu’il a tout simplement révolutioné la thermodynamique et le développement des machines thermiques, des moteurs de voiture aux moteurs des avions à réaction.

On peut s’étonner tout de même que le texte de Sadi Carnot n’est pas fait plus de bruit de l’époque, surtout qu’il était issu d’une très grande famille française. En effet, son père, Lazare Carnot, était membre de la Convention nationale et un physicien de renom (son nom est d’ailleurs inscrit sur la Tour Eiffel), son frère Hyppolyte Carnot fut ministre de l’instruction publique et son neveu qui s’appelait également Sadi Carnot (eh oui il ne faut pas les confondre) fût président du conseil de 1887 à 1894. 

De plus, Sadi Carnot était polytechnicien comme on peut le voir sur sa peinture réalisée par Boilly en 1824 qui était alors un peintre de renom. Sadi Carnot jouissait donc, surtout à cette époque, d’une bonne visibilité scientifique. Sûrement que ses écrits ne furent pas pleinement compris par ses contemporains. Il faudra attendre Clapeyron puis Clausius plus de 25 ans plus tard pour reprendre les travaux  de Carnot  pour formaliser cette deuxième loi de la thermodynamique ainsi que ses implications sur les machines thermiques. De même, c’est ce texte de Canot qui guidera Thomson (Lord Kelvin) vers la création d’une échelle de température absolue (le kelvin)  en 1848  et qui donnera naissance à la notion d’entropie en 1854.

Bref, je voulais juste saluer cet homme qui a beaucoup fait pour la Science et qui est mort dans l’indifférence comme beaucoup d’autres.

Le Bestiaire des particules

La physique des particules est une science étrange et fascinante. Elle a pour mission de réaliser le bestiaire des particules qui nous entourent et d’expliquer les différents mécanismes entre particules qu’on appelle interactions. On trouve également la dénomination physique des hautes énergies pour parler de la physique des particules car la plupart de ces petites choses se désintègrent très vite et n’existent que pendant quelques pouillèmes de seconde lors de collisions à hautes énergies avant de se désintégrer. Ci-dessous : une particule en pleine action :



Il n’est pas chose aisée que d’établir une liste des particules de manière claire, même s’il existe des grandes familles. Pour les néophytes, voici quelques règles simples à retenir avant tout :


  1. Les particules élémentaires sont les constituants élémentaires de la matière qui nous entoure. A ce titre, elles sont insécables : on ne peut pas les diviser en de plus petites entités. Exemple : un électron.
  2. A chaque particule élémentaire est associée une antiparticule élémentaire de même masse et ayant presque les mêmes propriétés mais avec une charge électrique opposée. Exemple : un antiélectron (aussi appelé positron)
  3. Les particules élémentaires peuvent se regrouper pour former de nouvelles particules compositesExemple :  un proton est composé de quarks.
  4. Les atomes sont constitués de particules. Exemple : un atome d’hydrogène est composé d’un proton et d’un électron.
  5. Les molécules sont constituées d’atomes.  Exemple : une molécule d’eau (H2O) est composée d’un atome d’oxygène et de deux atomes d’hydrogène.
  6. Certaines particules sont stables, d’autres sont instables car elles se désintègrent très vite après leur création. Exemple :  l’électron est stable, le muon est instable.
  7. Il existe 4 forces d’interaction : la gravité, l’électromagnétisme, la force faible et la force forte. Pour plus de détails sur les interactions, voir le billet Vous avez dit force ?

Les particules élémentaires

La physique des particules possède un modèle théorique pour décrire les particules élémentaires qui porte le simple nom de modèle standard. A ce jour, toutes les particules du modèle standard ont été observées dans les accélérateurs de particules à l’exception d’une particule : le boson
de Higgs
, qui devrait être détectée dans l’avenir avec le nouvel accélérateur de particule du CERN, le LHC.

 Le modèle standard regroupe 25 particules élémentaires représentées dans le tableau ci-dessous (ainsi que leurs 25 antiparticules associées que je ne citerai pas pour raison de lisibilité). Il existe 2 grandes familles de particules élémentaires :

  • La famille des particules de matière : ce sont les fermions.
  • La famille des particules de champ qui sont des médiateurs et permettent de véhiculer une force d’interaction : les bosons de gauge.



Le modèle standard parle ensuite de 3 générations qui sont dues à la différence de masse entre les particules. La première génération rassemble les particules les plus légères qui sont stables et constituent la matière qui nous entoure alors que les générations 2 et 3 sont constituées de particules plus lourdes créées artificiellement sur Terre dans les accélérateurs de particules et qui se désintègrent rapidement.

 Il existe 12 fermions qui sont classés en 2 sous-familles :

6 leptons qui ne sont pas sensibles à l’interaction forte :

  • Première génération : l’électron et le neutrino électronique.
  • Deuxième génération : le muon et le neutrino muonique.
  • Troisième génération : le tauon et le neutrino tauonique.

6 quarks qui sont sensibles à toutes les interactions :

  • Première génération : quarks up et down.
  • Deuxième génération : quarks strange et charmed.
  • Troisième génération : quarks bottom (aussi appelé beauty) et top.

 

Il existe 13 bosons de gauge pour véhiculer 3 forces d’interaction ainsi que la masse aux différentes particules :

  • Le photon qui est le médiateur de la force électromagnétique.
  • Les bosons W+, W et Z0 qui véhiculent la force faible.
  • Les 8 gluons qui sont responsables de la force forte.
  • Le boson de Higgs qui conférerait leur masse aux particules (hypothétique).

 Il y a aussi une particule hypothétique appelée graviton qui serait le médiateur de la force gravitationnelle. Je le mentionne ici car cette particule me semble importante mais elle ne fait pas partie du modèle standard qui ne décrit pas les phénomènes gravitationnels. Il existe de nombreuses autres particules élémentaires hypothétiques dans les différentes théories des physiciens (parfois un peu tarabiscotées) mais aucune d’entre elles n’a jamais été détectée, je n’en
parlerai donc pas dans ce billet.

 Voila, vous connaissez à présent toutes les particules élémentaires du modèle standard qui permettraient d’expliquer toute la physique!!

 Les particules composites

 Des particules élémentaires peuvent se regrouper sous l’influence des différentes interactions pour former de nouvelles particules. Le meilleur exemple est le regroupement des quarks sous l’effet de la force forte, formant ainsi une nouvelle classe de particules composites appelées hadrons. Les hadrons se décomposent en 2 familles :

– Les mésons qui sont composés par un nombre pair de quarks et d’antiquarks. Il en existe à ce jour plus d’une dizaine dont, entre autres, les kaons et les pions.

– Les baryons qui sont composés de 3 quarks. On en dénombre plus d’une vingtaine mais les plus connus sont les protons (2 quarks up + 1 quark down) et les neutrons (2 quarks down + 1 quark up).

 La force forte agit comme un ressort sur les quarks : plus les quarks tentent de s’éloigner, plus la force forte augmente. Il est ainsi très difficile de séparer des quarks liés, et c’est pour cela que l’on a longtemps pensé que les protons et les neutrons étaient des particules élémentaires. Encore une fois, les différentes théories de la physique décrivent d’autres classes de hadrons, dit exotiques, dont je ne parlerai pas.

Les quasi-particules

 Par commodité, la physique peut faire appel au concept de particule pour décrire des phénomènes sans qu’une particule n’existe vraiment, on parle alors de quasi-particule. Une quasi-particule peut par exemple décrire un « manque de particule réelle », ce que l’on appelle un « trou » pour parler de l’absence d’un électron en électricité ou bien encore la propagation d’ondes dans des structures cristallines (phonon).

Illustrations : Noémie Thiéblemont et Alexandre Moraux, que je tiens tout particulièrement à remercier pour les différents dessins de particules présentés dans ce billet et qui permettront, je l’espère, à mieux se familiariser avec toutes ces petites particules ! C’est donc eux qu’il faut féliciter