Pépite | Évolutions de quelques concepts de thermodynamique classique dans l’enseignement secondaire et supérieur en France au cours du 20ème siecle

Texte intégral

(1)Thèse de Maxime Nagels, Lille 1, 2017. Ecole Doctorale Science de la Matière, du Rayonnement et de l’Environnement Clersé – UMR 8019. THESE Pour l’obtention du grade de docteur de l’Université de Lille - Sciences et Technologies Discipline : Science de l'Éducation, Didactiques des sciences, Épistémologie, Histoire des sciences et des techniques.. EVOLUTIONS DE QUELQUES CONCEPTS DE THERMODYNAMIQUE CLASSIQUE DANS L’ENSEIGNEMENT SECONDAIRE ET SUPERIEUR EN. FRANCE AU COURS DU 20EME SIECLE. Présentée et soutenue publiquement le Jeudi 04 Mai 2017 par Maxime NAGELS Composition du jury : Abdelkader ANAKKAR (Directeur de thèse) Maitre de conférences, HDR, à l’Université de Lille - Sciences et Technologies Elena GHIBAUDI (Rapporteur) Chercheur, Université de Torino, Italie Mohammed Lhassane LAHLAOUTI (Rapporteur) Professeur, Université Abdelmalek Essaadi Faculté des Sciences, Maroc Mohamed SOUDANI (Examinateur) Maitre de conférences, Université Claude Bernard, Lyon 1 Raffaele PISANO (Examinateur) Professeur des Universités, Université de Lille - Sciences Humaines et Sociales Maurice MONNERVILLE (Examinateur) Professeur des Universités, Université de Lille - Sciences et Technologies Jean-François PAUWELS (Membre invité) Professeur des Universités, Université de Lille - Sciences et Technologies © 2017 Tous droits réservés.. lilliad.univ-lille.fr.

(2) Thèse de Maxime Nagels, Lille 1, 2017 Remerciements. -2© 2017 Tous droits réservés.. lilliad.univ-lille.fr.

(3) Thèse de Maxime Nagels, Lille 1, 2017 Remerciements. A ma première fille Lucile, A ma seconde fille qui viendra bientôt rencontrer son Papa, A ma femme Adline,. -3© 2017 Tous droits réservés.. lilliad.univ-lille.fr.


(5) Thèse de Maxime Nagels, Lille 1, 2017 Remerciements. REMERCIEMENTS. Je tiens à remercier en tout premier lieu Abdelkader Anakkar, qui a su me faire partager sa passion insatiable pour la thermodynamique et qui a accepté de diriger ma thèse. Je lui suis reconnaissant pour son soutien scientifique, sa très grande disponibilité et sa bienveillance tout au long de mes recherches et de la rédaction de ce mémoire. Sans lui, cette formidable aventure humaine et scientifique n’aurait très certainement jamais abouti. J’adresse mes remerciements également à Nicole Hulin qui m’a éclairé au début de mes travaux. Je remercie également celles et ceux qui m’ont apporté une aide précieuse dans la recherche des nombreux documents consultés : Vincent Parbellen, président de l’UDPPC, Marie-Blanche Mauhourat, IGEN ainsi que mes collègues enseignants : Jean Pierre Pruvot, Delphine Pouzin, Gaudeline Wagner et Xavier Cointault. En outre, je remercie Sébastien Fleuriel, directeur du Clersé pour sa disponibilité afin de résoudre les problèmes administratifs. Enfin, je tiens à remercier ma famille et notamment mes parents qui m’ont toujours encouragé et accompagné dans mes études. Une pensée toute particulière pour ma femme Adline qui a fait preuve d’une grande patience pendant la rédaction et la relecture de ce mémoire et qui a été d’une grande aide lors de la préparation de la soutenance. Un clin d’œil encore, à l’équipe de la 6ème conférence de l’European Society For The History of Science à Lisbonne dont faisaient partie Rémy Franckowiak et Evangelos Anzoulatos. Pour terminer, je remercie les membres du jury Elena Ghibaudi, Mohammed Lhassane Lahlaouti, Mohamed Soudani, Raffaele Pisano, Maurice Monnerville et Jean-François Pauwels d’avoir accepté de participer à l’évaluation de ce travail.. -5© 2017 Tous droits réservés.. lilliad.univ-lille.fr.


(7) Thèse de Maxime Nagels, Lille 1, 2017 Remerciements. EVOLUTIONS DE QUELQUES CONCEPTS DE THERMODYNAMIQUE CLASSIQUE DANS L’ENSEIGNEMENT SECONDAIRE ET SUPERIEUR EN. FRANCE AU COURS DU 20EME SIECLE. -7© 2017 Tous droits réservés.. lilliad.univ-lille.fr.

(8) Thèse de Maxime Nagels, Lille 1, 2017 Résumé. RESUME. La thermodynamique est née au 19ème siècle grâce aux travaux de Carnot basés sur l’hypothèse du calorique. Par la suite, Clausius et Thomson proposent, en s’appuyant sur les travaux de Joule, une formalisation de la thermodynamique telle qu’on la connait aujourd’hui. Ils introduisent ainsi les principes et les concepts qui lui sont liés comme l’énergie interne ou l’entropie. Ces travaux ont également permis de donner une interprétation mécanique du transfert thermique ou « chaleur » et d’aborder les prémices de la physique statistique. Mais à l’aube du 20ème siècle, les théories énergétiste et atomiste s’affrontent et la thermodynamique est un des théâtres de ces confrontations. Le début du 20ème siècle coïncide également avec une grande réforme de l’éducation qui restera une référence jusqu’aux années 60, visant à mettre en place une structure nouvelle pour répondre à la question : l'enseignement convient-il toujours à la formation des couches dirigeantes alors que sciences et techniques sont en plein essor ? Comme nous allons le voir, l’enseignement de la physique va bénéficier de cette réforme. En effet, ce travail étudie l’évolution de l’enseignement de la thermodynamique de 1902 à 2010 pour les classes du lycée et de l’enseignement supérieur. Il porte sur l’évolution et l’analyse didactique des concepts d’énergie, de transfert thermique ou « chaleur », de température, d’entropie et de système thermodynamique. Quatre grandes périodes concernant les programmes, manuels et épreuves officielles sont proposées. En résumé, il s’agit de mettre en lumière le pourquoi de telles réformes, les modifications qu’elles apportent et d’en tirer un bilan pour l’enseignement de la thermodynamique.. Mots-clés : Thermodynamique, Chaleur, Energie, Température, Transfert thermique, Système, Entropie, Principes, Histoire, Enseignement.. -8© 2017 Tous droits réservés.. lilliad.univ-lille.fr.

(9) Thèse de Maxime Nagels, Lille 1, 2017 Résumé. EVOLUTIONS OF SEVERAL CLASSICAL THERMODYNAMICS CONCEPTS IN THE SECONDARY AND HIGHER EDUCATION IN. FRANCE DURING THE 20TH CENTURY. -9© 2017 Tous droits réservés.. lilliad.univ-lille.fr.

(10) Thèse de Maxime Nagels, Lille 1, 2017 Abstract. ABSTRACT. Thermodynamics was born in the 19th century through the work of Carnot based on the assumption of caloric. Later on, based on the work of Joule, Clausius and Thomson proposed the formalization we know today, introducing related principles and concepts such as internal energy or entropy. Their work also gives a mechanical interpretation of thermal transfer or “heat” and addresses the beginnings of statistical physics. But at the dawn of the 20th century, the theories of atomism and energetism compete and thermodynamics is one of the theaters of these confrontations. The early 20th century also coincides with a major education reform which will remain a reference until the 60s, to establish a new structure in order to answer the following question: is the method of teaching still adapted to the formation of the leading strata while science and technology are booming? Physics will benefit from this reform. Indeed, this work studies the evolution of the teaching of thermodynamics from 1902 to 2010, for high school and higher education. This study focuses on the evolution of the concepts of energy, thermal transfer or “heat”, temperature, entropy and thermodynamical system. An analysis over four major periods, programs, textbooks and official events is proposed. This is to highlight the reason for such reforms, the changes they bring and draw conclusions for the teaching of thermodynamics.. Keywords: Thermodynamic, Heat, Energy, Temperature, Thermal transfer, System, Entropy, Principe, History, Education.. -10© 2017 Tous droits réservés.. lilliad.univ-lille.fr.

(11) Thèse de Maxime Nagels, Lille 1, 2017 Table des matières. TABLE DES MATIERES. Remerciements ........................................................................................................5 Résumé ....................................................................................................................8 Abstract ................................................................................................................ 10 Table des matières ................................................................................................. 11 Introduction .......................................................................................................... 21 Partie I .................................................................................................................. 27 La thermodynamique : de son émergence à son enseignement en France au début du 20ème siècle ........................................................................................................... 27 Chapitre 1 ............................................................................................................. 29 Une brève histoire de la thermodynamique : naissance des concepts de température, chaleur, énergie et entropie ................................................................................... 29 I.. Les premières théories de la chaleur ................................................................................. 29 Du chaud et du froid à la chaleur.................................................................................. 30 Les sensations de chaud et de froid dans l’Antiquité .............................................30 La contribution des techniques ...........................................................................34 Les expériences sur l’air au 17ème siècle ...............................................................35 Les théories de la chaleur au 17ème siècle .............................................................37 Les apports du 18ème siècle à la théorie de la chaleur ..................................................... 39 Le perfectionnement des thermomètres ................................................................39 Premières mesures de « chaleur » ......................................................................40 L’hypothèse du phlogistique ................................................................................41 L’émergence du calorique et l’apport majeur de Black ..........................................42 Les contributions de Lavoisier et Laplace ............................................................44 La remise en cause du calorique .........................................................................48 La naissance de la « thermodynamique » ...................................................................... 51 Le développement des machines ..........................................................................51 L’apport de Carnot............................................................................................54 L’apport de Clapeyron .......................................................................................57 La naissance du concept d’énergie ................................................................................. 58 L’influence de la Naturphilosophie ......................................................................58 Les travaux de Mayer et de Joule .......................................................................59 Le principe de conservation de la force d’Helmholtz .............................................61. II.. Principes de la thermodynamique et concepts de chaleur et de température .................... 62 Interprétations du travail de Carnot et de Clapeyron ................................................... 62. -11© 2017 Tous droits réservés.. lilliad.univ-lille.fr.

(12) Thèse de Maxime Nagels, Lille 1, 2017 Table des matières. Formalisation des principes de la thermodynamique .....................................................64 Energie et entropie ........................................................................................... 64 La disgrégation de Clausius ............................................................................... 67 La formalisation de la thermodynamique selon Massieu ........................................ 68 La formalisation de la thermodynamique selon Gibbs ........................................... 69 Une nouvelle hypothèse sur la chaleur et la température ...............................................71 Une définition atomiste de la température ........................................................... 72 Les travaux de Rankine ..................................................................................... 73 III.. Epilogue de la thermodynamique classique .......................................................................74 Une réponse statistique aux principes de la thermodynamique ......................................74 L’introduction des probabilités dans la description des corps ................................. 74 Interprétation statistique du deuxième principe .................................................... 76 La thermodynamique science de l’énergie ......................................................................77 Les contributions Duhem et de Oswald ............................................................... 77 Le bouleversement du début du 20ème siècle .......................................................... 79. Chapitre 2..............................................................................................................81 La thermodynamique dans la réforme de l’enseignement de 1902 ..........................81 I.. L’enseignement avant la réforme de 1902 .........................................................................81 Science savante et science enseignée ..............................................................................82 L’enseignement de la thermodynamique avant 1902 ......................................................83 L’introduction de l’équivalent mécanique de la chaleur dans les programmes .......... 83 L’introduction de l’énergie dans les programmes.................................................. 87. II.. Le contexte de la réforme de 1902 ....................................................................................88 La commission d’enquête Ribot .....................................................................................88 Ordre primaire et ordre secondaire .................................................................... 88 Un enseignement secondaire en crise.................................................................. 89 Organisation de l’enseignement secondaire à l’issue de la réforme de 1902 ....................90 L’enseignement de la physique dans la réforme de 1902 ................................................92. III.. La thermodynamique dans la réforme de 1902 dans le second cycle .................................95 Les programmes officiels du 7 juin 1902 ........................................................................95 Le programme en classe de seconde.................................................................... 95 Le programme en classe de terminale ................................................................. 96 L’importance des travaux pratiques .................................................................... 97 Interprétation des programmes à travers quelques manuels ...........................................99 Le choix des auteurs ......................................................................................... 99 Les concepts de température et de chaleur ........................................................ 101 Introduction de la conservation de l’énergie et de l’équivalence chaleur travail ..... 102 Transformation de la chaleur en travail : Les machines thermiques ..................... 104. IV. L’enseignement de la thermodynamique dans le supérieur .............................................. 107 La thermodynamique dans les classes préparatoires aux grandes écoles ....................... 107 Les classes préparatoires au début du siècle ...................................................... 107 Le programme de thermodynamique ................................................................. 108 L’enseignement de la thermodynamique dans la formation des enseignants................. 110. -12© 2017 Tous droits réservés.. lilliad.univ-lille.fr.

(13) Thèse de Maxime Nagels, Lille 1, 2017 Table des matières. L’agrégation des sciences physiques .................................................................. 110 La thermodynamique à l’agrégation des sciences physiques .................................. 111 La thermodynamique dans les ouvrages destinés aux études supérieures ..................... 114 Les ouvrages destinés aux classes préparatoires .................................................. 114 Les ouvrages de l’enseignement supérieur .......................................................... 116 V.. Bilan de la réforme de 1902 ............................................................................................ 119 Un bilan pour les filières scientifiques.......................................................................... 119 Un bilan sur l’enseignement de la thermodynamique .................................................. 120. Partie II............................................................................................................... 123 La thermodynamique : Evolutions de son enseignement en France de 1912 à la fin des années 60 ....................................................................................................... 123 Chapitre 3 ........................................................................................................... 125 L’enseignement de la thermodynamique de 1912 à 1947 ...................................... 125 I.. L’enseignement de la thermodynamique dans les années consécutives à la réforme de 1902 ....................................................................................................................................... 125 Les éléments contextuels des réformes de 1912 à 1941 ................................................ 125 L’organisation de l’enseignement ...................................................................... 125 La réforme des sciences physiques dans le secondaire ......................................... 126 La thermodynamique dans le second cycle .................................................................. 128 Le choix des auteurs ........................................................................................ 128 La notion de température et de chaleur dans les manuels de seconde ................... 129 Le concept de chaleur en classe de terminale ..................................................... 132 Le concept d’énergie : conservation .................................................................. 135 Transformation de chaleur en travail : les machines thermiques .......................... 137 Le concept d’énergie : dégradation .................................................................... 138 La place de la thermodynamique dans le supérieur ..................................................... 141 Les programmes des classes préparatoires ......................................................... 141 La thermodynamique dans la formation des enseignants ..................................... 143 L’évolution de l’enseignement de la thermodynamique à travers quelques manuels de. l’enseignement supérieur ............................................................................................................... 146 Le choix des auteurs ........................................................................................ 146 Le concept de température ............................................................................... 146 Le concept de chaleur ...................................................................................... 148 Du principe de conservation de l’énergie au premier principe .............................. 150 Illustration des machines thermiques ................................................................. 151 Le deuxième principe de la thermodynamique et dégradation de l’énergie ............. 153 II.. Les Réformes des années 1942-1947 ................................................................................ 155 Le contexte politique des réformes .............................................................................. 155 Le contenu des réformes .............................................................................................. 155. III.. Un bilan de 1914 à la fin de la première moitié du 20ème siècle ....................................... 157 L’avancée de la science ................................................................................................ 157 Un bilan des réformes de l’enseignement ..................................................................... 159. -13© 2017 Tous droits réservés.. lilliad.univ-lille.fr.

(14) Thèse de Maxime Nagels, Lille 1, 2017 Table des matières. Les évolutions sur l’enseignement de la thermodynamique .......................................... 160. Chapitre 4............................................................................................................ 163 L’enseignement de la thermodynamique de L’après-guerre aux années 1970 ....... 163 I.. Le contexte des reformes des années 50-60 ..................................................................... 163 Refonder les valeurs de l’éducation de l’après-guerre ................................................... 163 La mutation de l’enseignement des sciences................................................................. 165. II.. L’enseignement de la thermodynamique dans le second cycle ......................................... 167 Contenu des réformes pour l’enseignement de la thermodynamique ............................ 167 La ‘‘thermodynamique’’ dans le second cycle............................................................... 169 Le choix des auteurs ....................................................................................... 169 Le concept de température en classe de seconde ................................................ 170 La notion de chaleur en classe de seconde......................................................... 173 Le concept d’énergie en classe de terminale ...................................................... 176 Le concept de chaleur en classe de terminale ..................................................... 178 L’introduction du concept de système en thermodynamique ................................ 179. III.. La thermodynamique dans le supérieur .......................................................................... 180 La Réforme des études supérieures .............................................................................. 180 Une volonté de renforcer les filières scientifiques ............................................... 180 La formation des maitres ................................................................................ 183 Le programme de thermodynamique en classes préparatoires .............................. 184 Etude de l’enseignement de la thermodynamique à travers quelques manuels ............. 185 Le choix des auteurs ....................................................................................... 185 Le langage de la thermodynamique ................................................................... 186 Le concept de chaleur ..................................................................................... 188 Le concept d’énergie interne ............................................................................ 191 Les sources de chaleur .................................................................................... 192 Chaleur et deuxième principe ........................................................................... 193 Deuxième principe et entropie produite ............................................................. 196. IV. Un bilan sur la période de l’après-guerre ........................................................................ 198 Un bilan sur les réformes de l’enseignement ................................................................ 198 Un bilan pour la thermodynamique ............................................................................. 200 Un bilan dans le secondaire ............................................................................. 200 Un bilan dans le supérieur ............................................................................... 201. Partie III ............................................................................................................. 205 La rénovation de l’enseignement de la thermodynamique à compter des années 70 ......................................................................................................................... 205 Chapitre 5............................................................................................................ 207 L’enseignement de la thermodynamique de la commission Lagarrigue au début des années 90 ............................................................................................................. 207 I.. La réforme Lagarrigue .................................................................................................... 207. -14© 2017 Tous droits réservés.. lilliad.univ-lille.fr.

(15) Thèse de Maxime Nagels, Lille 1, 2017 Table des matières. Une commission pour réformer l’enseignement des sciences physiques ........................ 207 Une « dégradation » de l’enseignement des sciences physiques ............................ 207 La constitution de la commission Lagarrigue ..................................................... 210 Les réponses données par la commission...................................................................... 212 II.. La thermodynamique dans la réforme du secondaire ...................................................... 215 Le contenu des programmes du secondaire .................................................................. 215 L’analyse du programme à travers quelques manuels .................................................. 218 Le choix des auteurs ........................................................................................ 218 Le concept de température ............................................................................... 219 La chaleur : énergie ou grandeur d’échange ? .................................................... 221 Interprétation des concepts de chaleur et d’énergie ............................................. 224 Le concept d’énergie interne ............................................................................ 226 Le concept de système ..................................................................................... 227. III.. La réforme de l’enseignement supérieur .......................................................................... 230 La rénovation des programmes en classes préparatoires .............................................. 230 Les classes préparatoires scientifiques ............................................................... 230 La thermodynamique en classes préparatoires .................................................... 233 Les documents à destination des études supérieures .................................................... 236 Le choix des manuels et des documents d’étude .................................................. 236 Le concept d’énergie ........................................................................................ 238 Le concept de chaleur ...................................................................................... 241 Sources de chaleur et pompe à chaleur .............................................................. 243 Le concept de système thermodynamique ........................................................... 244 Bilan entropique et transformations quasistatiques ............................................. 246. IV. Un bilan des réformes des années 1970-1990................................................................... 250 L’enseignement après la commission Lagarrigue .......................................................... 250 Un bilan pour l’enseignement de la thermodynamique ................................................ 252 L’énergie au cœur de l’enseignement des sciences .............................................. 252 Un bilan pour l’enseignement secondaire ........................................................... 254 Un bilan pour l’enseignement supérieur ............................................................. 255. Chapitre 6 ........................................................................................................... 259 L’enseignement de la thermodynamique à compter de 1993 ................................ 259 I.. Le contexte des reformes des années 90 .......................................................................... 259 Une refonte de l’enseignement ..................................................................................... 259 La seconde explosion scolaire ........................................................................... 259 Le baccalauréat scientifique.............................................................................. 261 La rénovation pédagogique .......................................................................................... 261 Commissions de réflexions sur les programmes .................................................. 261 Les grands thèmes conducteurs ......................................................................... 264 La réforme de la fin des années 1990 ........................................................................... 266. II.. La thermodynamique dans la réforme du secondaire ...................................................... 269 Le contenu de la réforme dans le secondaire ................................................................ 269 La réforme 1993 - 1995 ................................................................................... 269. -15© 2017 Tous droits réservés.. lilliad.univ-lille.fr.

(16) Thèse de Maxime Nagels, Lille 1, 2017 Table des matières. La réforme de la fin des années 90 ................................................................... 272 L’analyse des programmes de thermodynamique du secondaire ................................... 275 La méthode de recherche et d’analyse ............................................................... 275 Le concept de température : une description microscopique ................................ 276 Formes et sources d’énergie............................................................................. 278 Transfert d’énergie et « chaines énergétiques » ................................................. 280 Les machines thermiques et la dégradation de l’énergie ...................................... 282 L’ambiguïté du langage sur la chaleur ............................................................... 284 III.. La réforme en classes préparatoires ................................................................................ 292 Une organisation par filière renforcée .......................................................................... 292 Le contenu des programmes ........................................................................................ 293 Les nouveaux programmes de 1995 ................................................................... 293 Le concept de chaleur en classes préparatoires .................................................. 296. IV. Un bilan sur les années 90 .............................................................................................. 297 Un bilan sur l’enseignement dans le secondaire ........................................................... 297 Echec des réformes : quels sont les responsables ? ............................................. 298 La place des mathématiques dans l’enseignement secondaire ............................... 300 Un bilan sur l’enseignement supérieur ......................................................................... 301 Un bilan sur les recherches à mener............................................................................. 302. Partie IV ............................................................................................................. 305 Etude de l’enseignement des concepts de système, de chaleur et d’entropie après les réformes des années 90 ........................................................................................ 305 Chapitre 7............................................................................................................ 307 Le concept de système en thermodynamique à compter des années 1990 ............ 307 I.. La notion de système thermodynamique dans les programmes ....................................... 307 Nécessité du concept de système en thermodynamique ................................................ 307 Le système en classes préparatoires aux grandes écoles................................................ 311 Le système dans le secondaire ...................................................................................... 312 Le système dans les programmes du secondaire ................................................. 312 Le système dans les manuels et articles destinés au secondaire ........................... 315. II.. Les définitions de la notion de système ........................................................................... 317 Méthodologie d’analyse ................................................................................................ 317 La diversité des définitions .......................................................................................... 320 Définir ou non ce qu’il y a dans un système ...................................................... 321 Définir le système par son volume de contrôle ................................................... 323 Système simple ou système composite ............................................................... 324 Quelles propositions de définition pour le système thermodynamique ? ....................... 326. III.. Le choix du système en thermodynamique ..................................................................... 329 Choisir le système dans la résolution des problèmes de thermodynamique : illustration. sur un sujet de concours................................................................................................................ 329 La résolution d’un problème selon le système .............................................................. 332 Analyse des deux corrections suivant le système choisi ....................................... 332. -16© 2017 Tous droits réservés.. lilliad.univ-lille.fr.

(17) Thèse de Maxime Nagels, Lille 1, 2017 Table des matières. Analyse des copies d’étudiants de CPGE et de Master enseignement.................... 337 Analyse du rapport de jury............................................................................... 340 Comment résoudre le problème du compresseur ? ....................................................... 341 Le compresseur un problème de mécanique ........................................................ 342 Un autre choix de système pour résoudre le problème du compresseur .................. 344 Le compresseur un problème de thermodynamique.............................................. 346 Bilan sur le problème du compresseur ............................................................... 347 IV. Conclusion...................................................................................................................... 348. Chapitre 8 ........................................................................................................... 351 Le concept de chaleur à compter des années 1990 ............................................... 351 I.. Un premier constat : confusion chaleur, température et énergie ..................................... 351 Un constat dans des documents d’accompagnement .................................................... 352 Un constat dans les dictionnaires ..................................................................... 352 Un constat à travers certains supports à destination de l’enseignement de la. thermodynamique ............................................................................................................ 353 Un problème du langage quotidien .............................................................................. 357 II.. Les définitions du concept de chaleur ............................................................................. 359 Méthodes de recherche ................................................................................................ 359 Classements et analyses des définitions ....................................................................... 361 Les définitions de la chaleur ............................................................................. 361 Les dénominations de la « chaleur » ................................................................. 365 Un premier bilan ......................................................................................................... 368. III.. L’utilisation du mot chaleur dans le supérieur ............................................................... 369 Etude des sujets de concours ....................................................................................... 369 Les concours d’entrée en école d’ingénieurs ....................................................... 369 Le concours de l’agrégation .............................................................................. 372 Un bilan sur l’introduction de l’expression « transfert thermique » ............................ 374 Le mot chaleur dans les concepts de thermodynamique ....................................... 374 L’introduction du « transfert thermique » dans le secondaire ............................ 375 L’introduction du « transfert thermique » dans le supérieur ................................ 377. Chapitre 9 ........................................................................................................... 385 L’enseignement du deuxième principe de la thermodynamique à compter des années 1990 ..................................................................................................................... 385 I.. Sens de l’entropie et du deuxième principe ..................................................................... 385 Le contenu de la réforme des CPGE de 1995 .............................................................. 385 La place du deuxième principe en thermodynamique .................................................. 386 Nécessité du deuxième principe ........................................................................ 386 Un constat sur le deuxième principe ................................................................. 390 Les notions de réversibilité et d’irréversibilité ............................................................. 392 Transformations par voies réversibles et par voies irréversibles ........................... 392 Transformations par voie quasistatique et réversibilité ........................................ 394. -17© 2017 Tous droits réservés.. lilliad.univ-lille.fr.

(18) Thèse de Maxime Nagels, Lille 1, 2017 Table des matières. Les significations de l’entropie ..................................................................................... 396 La flèche du temps .......................................................................................... 396 La signification statistique ............................................................................... 397 La notion d’ordre et de désordre ...................................................................... 398 La perte de l’information................................................................................. 401 L’homogénéité ................................................................................................ 403 Quelles places pour les énoncés historiques du deuxième principe ? ............................. 405 II.. Les diagrammes thermodynamiques possédant une transformation « infinitherme » ...... 409 Les diagrammes thermodynamiques ............................................................................ 409 Importance des représentations graphiques ........................................................ 409 Intérêt pédagogique des diagrammes thermodynamiques possédant une transformation. « infinitherme » ............................................................................................................. 410 Les différents cycles possédant une transformation « infinitherme » .................... 411 Premier cas : étude du diagramme triangulaire moteur ............................................... 412 Première approche du problème ....................................................................... 413 Deuxième approche du problème ...................................................................... 416 Calcul du rendement ....................................................................................... 420 Application au cas particulier où q=2 et. ............................................. 423. Deuxième cas : étude du diagramme possédant une transformation « infinitherme » et adiabatique réversible ................................................................................................................... 428 Conditions sur k et q pour la réalisation du cycle .............................................. 428 Calcul du rendement sur le cycle dans une première approche ............................ 429 Calcul du rendement sur le cycle dans une seconde approche .............................. 429 Application au cas où III.. pour un gaz parfait monoatomique ......................... 431. Conclusion ...................................................................................................................... 432. Conclusion Générale ............................................................................................ 435 Annexes ............................................................................................................... 441 I.. Annexe n°1 : Les définitions de « système » en thermodynamique ................................. 441 Ouvrages de Physique ................................................................................................. 441 Ouvrages de Chimie .................................................................................................... 454 Ouvrages de Biologie ................................................................................................... 457. II.. Annexe n°2 : Sujet et corrigés du concours CCP 2005 .................................................... 460 Sujet du concours ........................................................................................................ 460 Correction n°1 ............................................................................................................. 462 Correction n°2 ............................................................................................................. 464. III.. Annexe n°3 : Définition de la notion de « Chaleur » ...................................................... 468 L’introduction via le gradient de température ............................................................. 468 L’introduction via le travail macroscopique ................................................................. 469 La référence au premier principe ................................................................................. 471 La référence au microscopique ..................................................................................... 473 Ordre et désordre ........................................................................................... 473 Travail microscopique ..................................................................................... 475. -18© 2017 Tous droits réservés.. lilliad.univ-lille.fr.

(19) Thèse de Maxime Nagels, Lille 1, 2017 Table des matières. IV. Annexe n°4 : Questionnaire sur les concepts de température, de chaleur et de transfert thermique ....................................................................................................................................... 477. Bibliographie ....................................................................................................... 479 I.. Sources primaires ........................................................................................................... 479. II.. Sources secondaires ........................................................................................................ 502. Table des illustrations ......................................................................................... 503 I.. Figures ........................................................................................................................... 503. II.. Tableaux ........................................................................................................................ 507. Index ................................................................................................................... 509. -19© 2017 Tous droits réservés.. lilliad.univ-lille.fr.

(20) Thèse de Maxime Nagels, Lille 1, 2017 Table des matières. -20© 2017 Tous droits réservés.. lilliad.univ-lille.fr.

(21) Thèse de Maxime Nagels, Lille 1, 2017 Introduction. INTRODUCTION La thermodynamique est l’un des thèmes des sciences physiques les plus ardus à apprendre et à enseigner. Il est possible pour moi de me placer sous ces deux angles de réflexion puisque j’ai été étudiant en classes préparatoires aux grandes écoles scientifiques au début des années 2000 et je suis aujourd’hui, enseignant de physique dans ces mêmes classes. Le questionnement sur la thermodynamique est incessant. Lorsque l’on croit maitriser une notion, il arrive fréquemment d’être confronté à une difficulté qui n’avait pas été anticipée. Or, ce problème ne semble pas récent. Dans son Cours de Thermodynamique paru en 1913, Henri Bouasse (1866-1953) précise en guise d’introduction : « Les étudiants de nos Facultés ont horreur de la Thermodynamique, ils disent rien n’y comprendre. »1 Aussi, l’étude qui suit propose d’analyser l’évolution dans l’enseignement français de quelques concepts de la thermodynamique. Pour se faire, il a tout d’abord fallu fixer la période sur laquelle nous nous proposons de travailler. Si la thermodynamique voit le jour avec les travaux fondateurs de Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832), William Thomson (1824-1907, futur Lord Kelvin) et Rudolf Clausius (1822-1888), c’est notamment au cours du 20ème siècle que « l’industrie fille de la science du 19ème siècle règne [..] en maitre»2, comme le souligne, en 1908, Carlo Bourlet (1866-1913), mathématicien français et membre de la Commission internationale de l’enseignement mathématique. C’est également au début des années 1900 que les questions de l’enseignement scientifique se posent un peu partout en Europe et notamment en France. En effet, surtout à cette époque, la science et les évolutions technologiques sont omniprésentes dans le quotidien. Aussi, il parait nécessaire de donner aux sciences une place importante dans l’enseignement. Notre étude va donc débuter dans les années 1900. Au cours de ces années, les réformateurs proposeront notamment des réflexions sur l’organisation, les objectifs, les contenus et les pratiques d’enseignement. Les sciences devront jouer un rôle important dans la formation de l’Homme aux mêmes titres que les humanités classiques. Car, aux travers de leur caractère expérimental, elles introduisent « plus de vie et de sens du réel »3, comme le souligne le mathématicien Emile Borel (1871-1956) en 1904.. (Bouasse, 1913a) Introduction p.vii Dans une conférence intitulée « La pénétration réciproque des mathématiques pures et des mathématiques appliquées dans l’enseignement secondaire ». Citation extraite de (Belhoste, et al., 1996) p.1 3 Dans les « exercices pratiques en mathématiques dans l’enseignement secondaire », Conférence du Musée pédagogique. Citation extraite de (Belhoste, et al., 1996) p.2 1 2. -21© 2017 Tous droits réservés.. lilliad.univ-lille.fr.

(22) Thèse de Maxime Nagels, Lille 1, 2017 Introduction. Il faut également replacer cette étude dans le contexte scientifique de l’époque. Aussi, nous proposons de revenir dans une première partie sur l’émergence des concepts de la thermodynamique et notamment ceux de température, de chaleur, d’énergie et d’entropie. La thermodynamique et son enseignement semblent, plus que toute autre science, fortement marqués par l’histoire des notions qu’ils utilisent. En effet, comme le soulignent par exemple Médard et Tachoire dans leur Histoire de la thermochimie en 1994, « quand un concept nouveau apparaît en sciences […], les mots qui servent à le désigner sont initialement mal fixés. On retrouve des termes différents, non seulement chez des auteurs différents, mais parfois également chez un même auteur » 4. Ils ajoutent alors un exemple propre à la thermodynamique pour illustrer leur propos : « on ne peut douter que, dans la pensée de Lavoisier5 et dans celle de Laplace6, chaleur et température n’aient été des notions différentes bien distinctes, mais il leur arrive d’employer le premier de ces mots à la place du second : à propos du thermomètre, Lavoisier et Laplace parlent, par exemple, des ‘‘points fixes de chaleur’’.»7 Médard et Tachoire indiquent également les problèmes sémantiques qui sont présents dans les écrits des auteurs scientifiques : « Quand on lit les auteurs scientifiques anciens, on a de la peine à bien comprendre le sens qu’ils donnaient aux termes et aux expressions employés ; ils n’en indiquaient pas toujours les définitions et, quand ils le faisaient, ils s’exprimaient parfois peu clairement […] En outre, d’un auteur à un autre, il pouvait y avoir des différences importantes de conception ; par exemple, l’expression « chaleur spécifique », que l’on rencontre pour la première fois sous la plume de Magellan8 (1781), n’avait pas, pour ce dernier, la même signification que lui donneront, trois ans plus tard, Lavoisier et Laplace dans le Mémoire sur la chaleur ; ceux-ci ont clairement indiqué le sens qu’ils donnaient à cette expression, sens qu’elle a conservé jusqu’à nos jours. »9 Dans notre travail, nous nous efforcerons de mettre en évidence ces problèmes de définitions ainsi que leurs évolutions au cours des périodes étudiées. Nous insisterons notamment sur la multiplication des différentes terminologies pour désigner une même notion et tâcherons de montrer que cette richesse de vocabulaire est parfois source de grandes difficultés de compréhension. En outre, nous limiterons notre étude à la thermodynamique classique liée à la physique, sans faire référence aux notions spécifiques rencontrées dans les cours de chimie notamment. Alors. (Médard, et al., 1994) p.33 Antoine Laurent de Lavoisier (1743 - 1794) 6 Pierre-Simon Laplace (1749-1827) 7 (Médard, et al., 1994) p.33 8 Jean Hyacinthe de Magellan (1723-1790) est un philosophe et scientifique portugais résidant à Londres. Il contribua notamment à faire connaître en France les avancées et découvertes britanniques. Il commenta, notamment les travaux sur les chaleurs spécifiques du Docteur Aidair Crawford (1748-1794) qui défend ce que nous verrons plus tard comme la théorie substantialiste de la chaleur. Aussi, pour Magellan, la chaleur spécifique est la quantité de chaleur dite absolue (ou feu) qui appartient à chaque élément ou partie d’un corps quelconque dans un état donné. (Marivetz, et al., 1786) 9 (Médard, et al., 1994) p.33 4 5. -22© 2017 Tous droits réservés.. lilliad.univ-lille.fr.

(23) Thèse de Maxime Nagels, Lille 1, 2017 Introduction. qu’au début du 20ème siècle la thermodynamique statistique voit le jour, notamment sous la plume de Josiah Willard Gibbs (1839-1903) qui publie en 1902 ses Elementary Principles of Statistical Mechanics (Principes élémentaires de la mécanique statistique), la thermodynamique classique reste une partie importante de la physique par les concepts qui lui sont liés et notamment ceux d’énergie et d’entropie. Aussi, cette science du 19ème siècle, au-delà de son intérêt industriel évident, apparait comme un pilier fondamental de la physique, dans laquelle l’énergie est une notion globalisante et fédératrice. A travers notre étude, nous nous intéresserons à la thermodynamique classique dispensée dans l’enseignement secondaire et dans l’enseignement supérieur. Nous avons volontairement écarté l’étude du premier cycle, car comme le rappelle le bulletin officiel de 1999, « une règle guide l’élaboration des programmes scientifiques (sauf en mathématiques) : L’enseignement [secondaire] du lycée doit être construit comme un tout, donc indépendant de l’enseignement [du premier cycle] fait au collège qui ne se place pas sur le même registre de modélisation et de formalisation.» 10 En outre, nous constaterons à travers l’étude des manuels et des programmes, que les notions relatives à la thermodynamique sont abordées dès la classe de seconde, comme si aucun enseignement de science n’avait été dispensé auparavant. Notre analyse s’appuiera sur l’étude des documents officiels comme les programmes, les instructions, les référentiels d’accompagnement etc. Il s’agira notamment d’analyser le contenu proposé et leurs évolutions sur une période allant de 1902, suite à la réforme Leygues, jusqu’à la première décennie des années 2000. Pour étayer cette étude, nous proposerons de parcourir un certain nombre d’ouvrages et de manuels d’enseignement. Ceux-ci ont été choisis suivant divers critères que nous tenterons de justifier au cours de notre exposé. Il s’agit notamment d’auteurs célèbres et/ou qui ont pris part aux différentes réformes ou encore de collection d’ouvrages de référence. Enfin, nous compléterons notre réflexion en introduisant les témoignages des acteurs de l’époque que sont les enseignants, à travers des extraits de conférences ou d’articles parus notamment dans l’Union des Physiciens. Cette association créée en 1907 à la suite de la réforme de 1902 à l’initiative des professeurs de sciences physiques, publie chaque mois, un bulletin. Celuici deviendra un outil de communication efficace et incontournable permettant les échanges scientifiques et pédagogiques entre enseignants de toute la France. Par ailleurs, l’étude que nous proposons de faire s’étale sur plus d’un siècle. Cette longue période va nous permettre d’analyser l’évolution progressive des concepts de la thermodynamique dans l’enseignement secondaire et supérieur français, à travers notamment le concours de l’agrégation et les classes préparatoires aux grandes écoles. Ceci en fait un travail original, dans la mesure où seules des études partielles ont été proposées sur la thermodynamique : étude de l’enseignement dans le premier cycle, étude du concept d’énergie et de sa conservation, étude des. 10. (BO, 12 aout 1999) p.5. -23© 2017 Tous droits réservés.. lilliad.univ-lille.fr.

(24) Thèse de Maxime Nagels, Lille 1, 2017 Introduction. significations de l’entropie... Nous proposons d’aller au-delà, en analysant de façon simultanée les concepts de température, chaleur, énergie et entropie, qui par leurs définitions parfois ambiguës peuvent engendrer de lourdes confusions pour les étudiants mais également pour les enseignants. On peut néanmoins citer des travaux de références sur l’enseignement de la thermodynamique, comme ceux de Nicole Hulin, Jacqueline Agabra, Martine Méheut, Chantal Duprez etc. Les analyses et conclusions de leurs articles serviront de base à notre réflexion. Aussi, cette étude se veut être une réflexion sur les réformes d’hier, notamment en thermodynamique, pour mieux appréhender les questions d’aujourd’hui sur l’enseignement de cette science qui reste autant appréciée que redoutée. Nous débuterons notre travail par une première partie portant sur l’émergence de la thermodynamique. En partant des considérations d’Aristote sur le chaud et le froid et le développement des premiers thermoscopes, nous mettrons en évidence l’apparition progressive des concepts de température et de « chaleur ». Les travaux notamment de Joseph Black (17281799), Lavoisier et Laplace poseront les bases de la calorimétrie sur l’hypothèse du calorique. Enfin, nous verrons comment la thermodynamique des principes a vu le jour au travers des développements de Carnot, Thomson et Clausius. Mais la fin du 19ème siècle sera également marquée par une importante confrontation entre atomiste et énergétiste. Elle marquera profondément la thermodynamique et jettera les prémices de la thermodynamique statistique. Aussi, avant de présenter la réforme de l’enseignement de 1902 qui sera l’objet du deuxième chapitre, il nous a paru nécessaire de comprendre comment les développements de la thermodynamique classique se sont diffusés dans l’enseignement français. Nous présenterons notamment les raisons qui ont poussées les hommes politiques à réformer le système éducatif français en ce début du 20ème siècle. Il s’agira d’exposer en quoi les sciences et notamment les sciences physiques deviennent des disciplines incontournables dans la formation de l’Homme. En ce qui concerne la thermodynamique, nous montrerons la place qu’ont les notions de température et de « chaleur » ainsi que le concept d’énergie, sa conservation et sa dégradation dans l’enseignement secondaire et supérieur. La deuxième partie de notre étude portera sur l’enseignement de la thermodynamique classique dans le secondaire et le supérieur des années 1912 à la fin des années 1960. Cette longue période que nous découperons en deux chapitres, se justifie par la lente évolution de l’enseignement de la thermodynamique classique. En effet, comme le souligne en 1959 dans un article du Bulletin de l’Union des Physiciens (BUP), Jean Mercier (1891-1962), ancien recteur de l’académie de Caen puis professeur à la faculté des sciences de Bordeaux, la thermodynamique n’a pas ou peu changé dans sa présentation depuis l’énoncé des principes : « La Thermodynamique, telle qu'on l'enseigne, telle qu'elle est exposée dans les livres, apparaît comme une Science arrivée à son terme […] Il suffit pour s'en convaincre d'ouvrir et de comparer les traités de la fin du XIX° siècle et ceux de maintenant. La présentation en semble figée. » Mercier rajoute également, et de manière imagée un sentiment que nombre de ses collègues ressentent à propos de cette science : «La Thermodynamique classique m'est toujours apparue comme une -24© 2017 Tous droits réservés.. lilliad.univ-lille.fr.

(25) Thèse de Maxime Nagels, Lille 1, 2017 Introduction. vieille dame respectable et dont la simple vue vous donnait « des complexes », toute compassée dans ses atouts de 1900, avec un bonnet à rubans, son flot de jupons superposés tombant jusqu'aux chevilles, avec de longues robes à traîne pour qu'on n'en puisse voir les dessous et avec son face à main pour vous voir venir et vous dire « Mon cher ami, pas droit de regard, les principes ne se démontrent pas ! » »11 Il apparait donc nécessaire de montrer les étapes de cette volonté de renouveau qui aboutira vers une refonte de l’enseignement de la thermodynamique. Nous présenterons dans un premier temps, la période allant des années 1912 à 1947. Elle sera notamment marquée par une prise de conscience de la difficulté sémantique pour aborder les notions de thermodynamique. Par la suite, dans un quatrième chapitre, sur une période allant des années 1950 à la fin des années 60, nous présenterons les volontés de réforme dans l’enseignement des sciences. En ce qui concerne la thermodynamique, il s’agira des premières innovations dans la présentation des principes, comme le suggère Mercier, toujours de façon très imagée :« Mon ambition serait de vous présenter son arrière-petite-fille, une jeune fille moderne, toute guillerette, à allure sportive, avec des jupes courtes, au besoin en short et avec une queue de cheval. »12 C’est également au cours de cette période qu’émergera le concept de système thermodynamique qui prendra une place de plus en plus fondamentale dans l’enseignement de la thermodynamique. Dans une troisième partie, allant des années 1970 au début des années 2000, nous étudierons les différentes réformes qui ont engendrées une réelle innovation dans l’enseignement de la thermodynamique. Dans le chapitre 5, il s’agira de présenter les avancées proposées par la commission Lagarrigue et leurs impacts dans les années qui suivent. Durant cette période, l’approche microscopique sera privilégiée et le concept d’énergie jouera un rôle fondamental dans l’enseignement de la thermodynamique, fortement imprégné du contexte de l’époque. Nous verrons, au chapitre 6, qu’au cours des années 90, dans la continuité des années précédentes, une réorganisation de l’enseignement de la thermodynamique sera proposée. Dans le secondaire tout d’abord où la température sera définie indépendamment du concept de chaleur. Puis, la thermodynamique dans le supérieur, sera plus que jamais une science des principes, basée sur les bilans. L’énergie et l’entropie deviennent les concepts de base pour la description du système thermodynamique. Nous montrerons en outre, que cette refonte est aussi marquée par un choix sémantique, puisque la chaleur devra officiellement porter le nom de transfert thermique. Aussi, pour analyser cette période nous proposerons, dans une quatrième partie, une étude particulière sur trois chapitres, consacrée tout d’abord au système thermodynamique (chapitre 7), au transfert thermique ou « chaleur » (chapitre 8) et à l’entropie (chapitre 9) . Ces trois notions sont, comme nous allons le montrer, intimement liées. Tout d’abord, la notion de système thermodynamique apparaitra comme incontournable pour comprendre la distinction. 11 12. (Mercier, 1959) p.452 (Mercier, 1959) p.453. -25© 2017 Tous droits réservés.. lilliad.univ-lille.fr.

(26) Thèse de Maxime Nagels, Lille 1, 2017 Introduction. entre grandeurs caractéristiques d’un système donné et grandeurs de transfert. Nous nous intéresserons tout particulièrement au transfert thermique, encore appelé chaleur, qui est un concept difficile à présenter dans l’enseignement secondaire et supérieur. En outre, le transfert thermique étant présent à la fois dans le premier principe et dans le deuxième principe, il sera important de s’intéresser à la représentation d’une grandeur particulière à la thermodynamique : l’entropie. Nous aborderons notamment la possibilité de son introduction à travers les énoncés historiques, en s’intéressant tout particulièrement aux cycles thermodynamiques possédant une portion de droite, dans le diagramme de Clapeyron. Il s’agira de montrer l’intérêt de ces représentations dans l’approche des différents concepts de la thermodynamique que nous venons de mentionner. De plus, dans ce travail, nous proposons de mettre en évidence la multiplicité des définitions de ces notions, en analysant un grand nombre d’ouvrages dédiés à la thermodynamique. Si, dans un premier temps, cette diversité peut apparaitre comme une richesse, nous tâcherons de montrer qu’elle peut être la source de graves confusions. En outre, il s’agira de présenter à travers l’étude d’extraits de concours ou d’exercices, les incohérences ou les ambiguïtés dans les énoncés, dues généralement, à des problèmes de langage. Enfin, pour mettre en évidence les difficultés auxquelles peuvent être confrontés les étudiants, nous leur avons proposé de résoudre des problèmes particuliers de thermodynamique ou de répondre à des questionnaires ciblés que nous avons élaborés. Il s’agira de présenter l’impact de l’enseignement et/ou du vocabulaire quotidien sur la représentation de certaines notions de thermodynamique. Notre analyse se terminera par des pistes possibles de réflexions pour une meilleure appropriation de ces concepts.. -26© 2017 Tous droits réservés.. lilliad.univ-lille.fr.

(27) Thèse de Maxime Nagels, Lille 1, 2017 Partie I. PARTIE I LA THERMODYNAMIQUE : DE SON EMERGENCE A SON ENSEIGNEMENT EN. FRANCE. AU DEBUT DU. 20EME SIECLE. -27© 2017 Tous droits réservés.. lilliad.univ-lille.fr.

(28) Thèse de Maxime Nagels, Lille 1, 2017 La thermodynamique : de son émergence à son enseignement en France au début du 20ème siècle. -28© 2017 Tous droits réservés.. lilliad.univ-lille.fr.

(29) Thèse de Maxime Nagels, Lille 1, 2017 Chapitre 1. CHAPITRE 1 UNE. BREVE HISTOIRE DE LA. THERMODYNAMIQUE. : NAISSANCE. DES. CONCEPTS DE TEMPERATURE, CHALEUR, ENERGIE ET ENTROPIE. Si l’on veut retracer l'histoire de l'introduction d’une idée de physique dans l'enseignement, il est nécessaire de connaitre comment s’est construit et s’est diffusé le concept dans la communauté scientifique. Dans le travail que nous proposons, il s’agit de mettre en avant la naissance des concepts de chaleur, température et d’entropie jusqu’à la fin du 19ème siècle afin de comprendre dans quel contexte scientifique la réforme de l’enseignement de 1902 a pu voir le jour.. I.. LES PREMIERES THEORIES DE LA CHALEUR Les peuples de la préhistoire disposaient sans aucun doute d’un nombre considérable de. connaissances auxquelles on pourrait accorder un caractère scientifique. En effet, savoir reconnaître des roches, choisir celles qui conviennent à la fabrication d’outils, d’armes et savoir les tailler, les polir etc. relève de ce qu’on appelle la géologie. Savoir reconnaître les plantes utiles à l’alimentation et parfois aux soins médicaux relève de la botanique et de la pharmacologie. La fabrication des armes, d’arcs, du tour de potier et l’utilisation du mouvement circulaire relève de connaissances qu’on pourrait qualifier de connaissances en physique. Reconnaître le matériau -29© 2017 Tous droits réservés.. lilliad.univ-lille.fr.