Discussions autour de la maquette de l'usine
Aujourd’hui le 28 juin 2020, j’ai invité quelques amis pour l’inauguration d’une maquette d’usine. En les entendant discuter autour de l’usine, je songe à cette idée qui m’est venu et à tout le travail entrepris depuis le 1er avril 2020 ; date de réception du colis d’une vieille machine à vapeur Wilesco datant des années 60.
Un long travail de chaque jour a été fait où il m’a fallu assembler plus de 2500 briques moulées moi-même en plâtre teinté dans la masse. Je repense aux 14 kilos de plâtre utilisés avec amour pour que cet édifice prenne forme.
Je me revois, respirant cette maudite poussière de brique. Elle, qui s’est installée partout dans la maison, à mesure que la cheminée prenait forme à grand renfort de ponceuse à bande….
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Les boites de plâtres vides
Assemblage du soufflet de la forge
Confection des lampadaires à partir de tube de laiton et d'une feuille d'aluminium
Assemblage des murs, brique par brique
Traçage des fenêtres de toits
Détail des moules utilisés pour fabriquer les briques
Un soin particulier a été porter à la réalisation de la cheminée véritable symbole des usines du 19ème Siècle Le gabarit en papier et sa
réalisation en briques Pose de la première rangée de briques,
toujours un grand moment
Autour de la maquette, sont réunis entre autres : Baptiste, un petit garçon de sept ans, très espiègle, sa maman Stella, un véritable puits de science, son papa
Pasquale un peu utopiste, Natacha, mon épouse toujours les pieds sur terre et moi Thierry.
Méticuleusement, j’allume les petits cubes de combustible et je remplis la chaudière d’eau.
― Quand est-ce que ça va marcher ? demande Baptiste impatient …
― Il va falloir être patient, car l’eau doit chauffer à plus de 100 degrés1 pour se transformer en vapeur. Tu vois la petite aiguille sur le
manomètre ? Et bien, il faut qu’elle arrive au trait rouge et alors on pourra lancer la machine lui dis-je.
― C’est quoi un manomètre ? demande Baptiste
Stella lui répond que c’est un instrument servant à mesurer une pression.
― Ah oui, j’entends l’eau qui fait du bruit dit Baptiste les yeux rivés sur le cadran et après une attente interminable pour lui.
Ça y est, l’eau bout et j’appuie donc sur la petite barre juste ici.
Sans demander son reste, Baptiste actionne le sifflet. Il est surpris, fait un pas en arrière en riant et recommence très vite.
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― Attention Baptiste, je vais démarrer la machine… Regarde bien : je tourne le robinet qui actionne la vanne de vapeur, et je lance la grande roue …
L’ensemble de la machinerie se met en branle et tout le monde est fasciné par le spectacle.
6 Baptiste intéressé est insatiable :
― Mais comment de la vapeur peut-elle faire tourner une roue ?
― Et bien la vapeur produite par l’eau passe par le tuyau jusqu’un piston. Pour réguler la quantité de vapeur, il y a un système de soupape qui s’ouvre ou se ferme en fonction de la vitesse qui, par la force centrifuge agit sur les deux petits poids. Cela permet de garder une vitesse constante, mais il faut savoir que c’est très difficile à cause des turbulences de la vapeur.
On l’appelle le régulateur de WATT du nom de son inventeur James Watt, c’est un truc génial…
Dans mon enthousiasme je ne me rends pas compte que Baptiste a complétement décroché, hypnotisé par les mouvements du soufflet miniature.
Stella, trouvant sûrement que je faisais un peu trop le malin avec son fils, un peu trop jeune pour comprendre me pose la question qui tue….
― Au fait Thierry, comme tu sais tout, explique-nous pourquoi il y a deux tiges qui sortent du moteur ?
― Et bien, la grosse barre est reliée au piston et euh… la petite sert à faire entrer et sortir la vapeur ?
― Pas tout à fait, ironise Stella, la petite tige est une soupape de distribution de la vapeur ; elle permet de faire fonctionner le piston à l’aller comme au retour. On l’appelle « soupape à coulisse ».
Le régulateur à boule a été inventé en 1788
Donne-moi un papier et un crayon, je vais vous faire un schéma…
Lorsque la soupape à coulisse est sortie au maximum, la vapeur (en bleu) ne peut accéder qu’au côté gauche du cylindre. En même temps, la vapeur d’échappement est expulsée par une autre ouverture sur le côté droit (en vert). Ainsi, la vapeur pousse le piston vers la droite.
La soupape arrive ensuite au centre et l’alimentation en vapeur est brièvement interrompue, car toutes les ouvertures sont fermées. Cette position s’appelle le point mort.
Grâce à l’inertie du volant, le système poursuit sa course
Lorsque la soupape à coulisse est poussée au maximum, le piston est alors poussé vers la gauche par la vapeur, car la soupape à coulisse a ouvert l’alimentation de vapeur du côté droit. La vapeur d’échappement (en vert) se trouvant sur le côté gauche dans le cylindre est expulsée.
Stella termine de me dégouter en ajoutant : le cylindre double action a été mis au point par Watt en 1781….
Arbre moteur
Distribution de la vapeur
Le piston coulisse dans le cylindre
La soupape coulisse dans la boite à vapeur
8 Sur cette photo du moteur en révision, on voit nettement les deux chambres. L’entrée de la vapeur est à gauche et la sortie se fait par le tuyau de droite.
Il est nécessaire que la vapeur en sortant refroidisse pour que le système fonctionne. Ici le refroidissement est permis par l’air ambiant.
L’eau de condensation est récupérée dans un petit récipient. Dans certains modèles, on réinjecte cette eau dans la chaudière pour l’économiser.
Dans d’autres modèles la vapeur fait un nouveau cycle dans un deuxième cylindre au diamètre plus important pour compenser la perte de pression.
Ci-contre, un modèle réduit d’un moteur marin Sulzer construit autour de 1900.
On remarque trois cylindres de plus en plus gros pour compenser la baisse de pression.
La vapeur de sortie était condensée avec un échangeur thermique à l’eau de mer. L’eau de condensation est ensuite renvoyée vers la chaudière à l’aide d’une pompe mécanique actionnée par la machine.
Très loin des discussions abscondes des adultes, Baptiste s’est attardé sur les toits, et il profite d’un moment de répit pour dire :
― Pourquoi ils sont tout bizarres ces toits ?
― Bonne question Baptiste ! ces toits en crans étaient extrêmement efficaces pour laisser passer le maximum de lumière sans éblouir les ouvriers. À cette époque, l’éclairage électrique était encore rare et très couteux à produire….
Carte postale ancienne d’une usine Luxembourgeoise construite en 1875 d’une superficie de 750 m².
C’était une usine de fabrique de draps, abritant la filature, la machine à vapeur et la chaudière, les cuves de la teinturerie, les lavoirs de laines. La cheminée avait une hauteur de 27 m - Sinner-Even, Larochette (LIL: 3.11.1875)2
Natacha n’est pas satisfaite et repose la question :
― Mais pourquoi fabriquait-on- des toits comme ça autrefois ? Thierry reprend :
― Parce qu’au 19ème siècle, l’éclairage électrique était encore rare et il fallait pouvoir éclairer de grande surface d’atelier alors les architectes ont développé l’idée de toitures avec des crans.
10 Et Stella ajoute :
― Ces crans comme tu dis s’appellent des toitures à redans ou bien toitures sheds.
Les vitrages étaient orientés vers le nord, car la lumière du nord est constante, ce qui permet d'éviter la surchauffe due au soleil direct ainsi que l'éblouissement des
travailleurs
Natacha terre à terre et qui n’avait que faire de ces explications compliquées ajoute d’un ton quelque peu espiègle :
― Oui mais alors, mon chéri, pourquoi n’en construit-on plus aujourd’hui ?
― Parce que c’est plus cher à construire qu’un toit normal. Cependant, avec
l’augmentation du prix de l’électricité3 et bien cela revient au goût du jour. Après 150 ans de progrès techniques, on reconstruit à nouveau ces merveilleux toits
Ces derniers mots firent bondir Pasquale, il se met à gesticuler comme un pantin désarticulé :
3 http://www.archimedia.ma/a-la-une/actualites-btp/3281-lefficience-energetique-rend-leur-place-aux- toitures-en-sheds
― Mais, vous allez arrêter de raconter n’importe quoi à ce pauvre enfant, le progrès technique n’apporte rien de bon !!!
Sais-tu Baptiste qu’à l’époque de la machine à vapeur, les gens travaillaient jusqu’à 15 heures par jour ? Que les enfants de ton âge travaillaient déjà dans des
conditions effroyables ?
La vapeur en guise de progrès a aussi déraciné une population vivant heureuse dans les campagnes.
― Je ne peux pas te laisser dire des choses comme ça, Pasquale, lui rétorquais-je.
Grâce aux progrès techniques, nous vivons dans l’abondance, la durée de vie augmente et nous travaillons moins. Notre qualité de vie s’améliore !
― Ouais, la seule chose que je vois c’est que nous sommes en train de nous auto détruire. Ton progrès technique nous a fait perdre tout contact avec la nature, nous assistons à la sixième extinction de masse, le climat se dérègle et nous n’aurons bientôt plus d’énergie pour faire tourner ces satanées machines … au moins ce sera une bonne chose.
Baptiste fasciné par le petit soufflet n’écoutait plus les bêtises des adultes.
Stella un poil agacée prit la parole :
― Pasquale, tu ne peux pas dire que nous n’aurons bientôt plus d’énergie !
― Ah bon et pourquoi ça ? répondit-il surpris.
― Et bien simplement parce que l’énergie est une valeur constante, elle peut se transformer mais jamais diminuer ou augmenter.4 C’est un des principes
fondamentaux de la physique, l’énergie est conservée.
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Tiens, prends l’exemple de l’usine : on est parti de l’allume feu contenant de l’énergie chimique. En brûlant, il a dégagé de la chaleur et une partie de celle-ci a produit un travail en faisant tourner les machines.
En fait, la quantité d’énergie dégagée par l’allume feu est conservée en se transformant en chaleur et en mouvement.
C’est le premier principe de la thermodynamique.
En fait là où je te rejoins, c’est qu’il y a une Energie « utile » destinée à faire tourner le moteur et une Energie « inutile » transformée en chaleur.
Natacha, toujours là pour nous remettre les pieds sur terre dit :
― Vous êtes sûrs de vous ? vous vous rendez compte des implications ? Pasquale, un instant surpris, se reprend :
― Attendez-là ! N’allez pas trop vite ! Si je comprends bien, depuis le big bang l’univers contiendrait la même quantité d’énergie ? C’est ça que tu veux me faire avaler ? Demande Pasquale
― Oui c’est vertigineux, répond Stella, Natacha, attends un peu de connaître la suite et tu verras que nos pieds sont bien sur terre même si nos têtes sont parfois dans les étoiles. Car, cela ne change rien au fait que nous vivons une crise énergétique.
― On devrait plutôt dire une crise entropique ! lance Thierry
― Une crise entro quoi ? répondent en chœur Natacha et Pasquale. Et Baptiste de reprendre en chantant et en courant « pique, pique, pique… » et de demander à son tour : c’est quoi la tropique ?
Tout le monde se met à rire et Thierry répond en souriant :
― Et bien l’entropie mesure la dégradation de la qualité de l’énergie.
Une fois que l’allume feu a fini de brûler et que le moteur a fini de tourner, il a toujours autant d’énergie, mais la qualité de l’énergie n’est plus la même : l’entropie a augmenté !
Règle n°1 : l’énergie totale est conservée
Règle n°2 : l’entropie ne peut qu’augmenter (la qualité de l’énergie ne peut que se dégrader)
― Donc si je comprends bien, répond Pasquale, l’énergie est conservée, mais au fur et à mesure qu’elle est « consommée », la qualité de cette énergie diminue et
l’entropie augmente. Je ne peux donc qu’être d’accord, notre crise énergétique est donc bien une crise entropique !
Oui mais seulement, il y a un truc que je ne comprends pas. Ta machine à vapeur peut très bien récupérer la chaleur issue de ton entropie et recréer du mouvement ou de l’énergie utile pour reprendre ton expression…
― Euuh et bien, c’est-à-dire que …bafouille Thierry
Là encore Stella vient à mon secours, car jusqu’ici elle a suivi les échanges avec un petit sourire.
― En fait, dit-elle, je ne suis pas sûre que vous ayez compris le fonctionnement d’un moteur à vapeur.
Pour qu’un moteur puisse fonctionner, il est absolument nécessaire d’avoir une source chaude et une source froide sinon le moteur s’arrête, donc l’augmentation de chaleur ne suffit pas.
― Comment ça ? demandent en chœur les trois intéressés.
― Pour comprendre, il faut raisonner avec un système fermé. Prenons la maquette de l’usine, et imaginons que nous la mettons sous une grosse cloche de verre parfaitement isolée, que se passera-t-il ?
Sans nous laisser le temps de répondre Stella enchaine….
― Et bien la température de l’ensemble va s’équilibrer.
Si la température de l’ensemble est inférieure au seuil de production de vapeur le moteur ne peut pas fonctionner.
Si la température d’équilibre provoque de la vapeur disons 150 degrés et bien cette vapeur sera présente partout donc la pression dans le moteur sera identique partout et le piston sera bloqué.
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Au début du XIXème siècle, le Français Sadi Carnot s’est posé ce genre de questions.
Ce faisant, il a fondé une nouvelle science, la thermodynamique.
Celle - ci repose sur deux lois principales appelées autrefois « principes ».
La première loi énonce que la chaleur est une forme d’énergie.
La deuxième loi édicte que la conversion de la chaleur en énergie mécanique ne peut se faire sans différence de température.
En effet, la vapeur ou l'air chaud pousse un piston, il est donc nécessaire d'exercer une force inverse pour ramener le piston à son état initial.
Cette force est d'autant plus faible que la vapeur a été condensée ou refroidie par l'air contenu dans le cylindre.
Une machine à vapeur effectue donc des cycles de transformation au bout desquels elle revient chaque fois à son état initial. Au cours de chacun de ces cycles, elle extrait de la chaleur de la chaudière où l'eau se vaporise pour en rendre une partie au condensateur où l’eau de condense.
La fraction maximale de chaleur convertible en travail mécanique est appelée
« rendement de Carnot »5
Le physicien Rudolf Clausius en 1854 développa la notion d’entropie en reprenant les travaux de Carnot. Il montra que le cycle d’un moteur à vapeur était irréversible et non infini. L’allume feu ne va pas reconstituer spontanément.
L’entropie est en fait la flèche du temps qui anime notre Univers
― La flèche du temps ! Rien que ça ! interrompt Pasquale, Stella, je ne sais pas ce que tu prends mais, c’est de la bonne… et ce n’est gentil de la garder pour toi ! Relayé par Natacha qui rit et dit : à part ça, vous avez les pieds sur terre, on est en plein délire, là….
― Très drôle les terriens ! Étant donné votre ignorance en la matière, je vais tenter d’être claire soupire Stella… Prenons un exemple simple : une bouteille isolante dite
« Thermos » dans laquelle on mélange de l'eau chaude et de l'eau froide en
proportion voisine. Au bout d'un certain temps, on obtient de l'eau tiède. Jusque-là ça va les terriens, on suit ?
― Oui répond Baptise de la balançoire d’où il fait éclater de rire tout le monde…
― Au moins un qui suit dit Stella …Bon je poursuis. La transformation est
irréversible. L'entropie du mélange est plus grande que celle de ses composants.
Remarquons qu'avec de l'eau chaude et de l'eau froide, on peut faire marcher un moteur thermique et obtenir un travail mécanique. Mais, ce n'est plus possible une fois que la totalité de l'eau est à la même température. Lorsque l'entropie augmente, la possibilité d’obtenir du travail mécanique diminue, il y a donc perte d’énergie libre autrement dit l’énergie a été dissipée.
C’est à ce moment-là que je décide de prendre la parole :
5 https://fr.wikipedia.org/wiki/Cycle_de_Carnot
― Il y a un truc que je ne comprends pas. Si on applique les lois de la
thermodynamique à l’univers tout entier, il devrait tendre vers un équilibre de
température comme la bouteille thermos, or il me semble que depuis son origine il y a 13,7 milliards d’années ce dernier se refroidit…
― Oui répond Stella, mais on sait depuis 1998 que l’expansion de l’univers
s’accélère. Les galaxies s’éloignent à une vitesse d’autant plus grande qu’elles sont plus éloignées, cela voudrait donc dire qu’à partir d’une certaine distance, cette vitesse excède nécessairement celle de la lumière, elles sont donc invisibles.
Cela implique que notre univers est un système ouvert et non fermé comme la bouteille de thermos, il peut s’auto organiser et la vie peut apparaitre. Notre existence même est donc possiblement liée à ce qui se passe aux confins de l’Univers.
Un peu abasourdi par ce développement abyssal, je me surpris à demander.
― Comment ça l’univers s’auto organise ?
C’est alors qu’une petite voix intervient et demande à Natacha : « Quand est-ce que c’est le goûter ???J’ai faim moi ! »
― Allez viens mon bonhomme, laissons-les se nourrir de science…. Allons chercher de quoi remplir ton estomac….
On vous laisse !
Stella remercie Natacha et reprend :
― Nous touchons ici à la troisième loi de la thermodynamique : dans un système traversé par un flux d’énergie, des structures dissipatives se mettent en place qui vont s’auto organiser de façon à maximiser leur efficacité.
Par exemple, la casserole d’eau sur le feu va voir naitre des courants entre l’eau chaude et l’eau froide selon une structure dissipative auto organisée.
Pasquale soupire et discrètement s’éloigne et va rejoindre les invités.
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Sans se démonter, avec un petit sourire Stella reprend :
― Tu as raison, l’exemple de la casserole ne parle pas aux hommes, si je te dis que les cyclones sont un exemple de structure dissipative ça te parle plus ?
― Comment ça ? Explique-moi ça Stella, ça m’intéresse !
― Et bien, comme la température des pôles est une trentaine de degrés moins élevée qu’à l’équateur, des courants vont s’auto organiser entre les pôles et l’équateur. C’est sur ce même principe que localement des cyclones se forment.
Bon, en quelques minutes, nous avons passé en revue les trois lois ou principes de la thermodynamique
1er Loi de la conservation de l’énergie : l’énergie totale est conservée
2ème Loi de l’augmentation de l’entropie : l’entropie ne peut qu’augmenter (dans un système isolé).
3ème Loi de production maximale d’entropie : les structures dissipatives maximisent le taux de production d’entropie. Si nous sommes dans un système fermé le système va atteindre un point d’équilibre thermodynamique homogène.
― Merci pour ce résumé Stella, j’étais un peu paumé là ….
― En fait Thierry, il peut y avoir des exceptions à la deuxième loi…Et oui, rien n’est simple… L’entropie peut parfois diminuer. Si on prend l’exemple de la vie, on ne peut pas dire que l’évolution du vivant tend vers un système désordonné, c’est même plutôt le contraire, la vie est un système superordonné.
À ce moment-là, Baptiste arrive en hurlant tchou, tchou…et imite le bruit du sifflet de la machine à vapeur et s’en va courir dans le jardin
Natacha et Pasquale reviennent avec de quoi boire. Pasquale taquine sa femme en lui disant :
--Ben dit donc, Stella, tu dois avoir la gorge sèche, tu n’en as pas marre Thierry ? Natacha de répondre un peu ironique :
-- Marre ? Thierry ? penses-tu !!! Allez buvons au puits de science….
Je reste perplexe et ne faisant pas attention à Natacha et Pasquale, je demande :
― Attends, Stella, tu es train de me dire que la vie viole le second principe de la thermodynamique ?
Stella regarde Baptiste tourner en rond, boit un bon coup et répond :
― En fait, ce n’est pas le cas 6 la vie n’évolue pas dans un système isolé.
La vie évolue dans un système ouvert. Elle va piocher de l’énergie libre ou utile dans son environnement pour se maintenir organisée. En gros, un être vivant profite de
6 https://scienceetonnante.com/2020/09/18/lyfe-la-thermodynamique-de-la-vie/
l’énergie libre de son environnement pour rester organisé à l’intérieur de lui-même tout en mettant le désordre à l’extérieur.
Pasquale, un peu las, lance à la cantonade :
― C’est fantastique quand même de voir où la science peut nous emmener à partir d’une simple machine à vapeur….
Stella et Thierry rient et sans se démonter, elle ajoute :
― Et ce n’est pas fini ! Car la thermodynamique peut s’appliquer à la théorie de l’information 7 .
Jusqu’ici, je vous ai parlé de la thermodynamique d’un point de vue macroscopique mais, que se passe-t-il au niveau moléculaire ? Sans entrer dans les détails
l’approche moléculaire implique une analyse statistique du phénomène…
À ce moment- là, Natacha ne peut s’empêcher de bailler et part jouer avec Baptiste.
Pasquale se pose dans un fauteuil et, moqueur, se met à siffloter la chanson de Sheila, l’école est finie….
Stella lance un regard désespéré à son époux et dit à Thierry :
― Ce que tu dois retenir, c’est que l’entropie d’un système isolé, augmente parce que le mouvement des molécules se fait au hasard et de ce fait, il tend naturellement à devenir désordonné. Cette évolution est irréversible8. Les pères de ces travaux sont les physiciens Bolzmann et Gibbs.
Pasquale a suivi malgré ses moqueries, et dit :
― Ouais, Ok, mais le rapport avec l’information, c’est quoi ?
― A la fin de la deuxième guerre mondiale, Claude Shannon, un physicien
américain, spécialiste des télécommunications se pose le problème de mesurer une quantité d’information. En formalisant le problème, il tombe sur la formule
mathématique que Gibbs a donné pour l’entropie. Shannon comprend alors que la perte d’information entre un émetteur et un récepteur répond à ce même processus entropique. 9
Une application étonnante est le fait que lorsqu’on vide une mémoire d’ordinateur, il y a un dégagement de chaleur uniquement du fait de la perte d’information. La perte irréversible d’information est accompagnée d’une augmentation de l’entropie d’où le dégagement de chaleur…10
7 Voir l’ouvrage : « Thermodynamique de l’évolution, un essai de thermo-bio-sociologie », Francois Roddier p 42
8 En fait, pas tout à fait : il existe une infime probabilité que le système devienne davantage ordonné.
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18 Thierry s’écrie :
― Ce n’est pas possible ! C’est incroyable ! On la retrouve partout cette fameuse loi de la thermodynamique !
Baptiste arrive et dit « incroyable, tchou, tchou, incroyable, puis, maman, on y va, j’en ai marre moi »
Stella lui sourit et dit à Thierry :
― Tu ne crois pas si bien dire et je finirai par un dernier point, car il se fait tard et nous devons rentrer.
Un astrophysicien François Roodier né en 1936 a développé une thèse très originale où l’on peut appliquer des lois de la thermodynamique à la société humaine dans son ensemble.
Les sociétés humaines sont de formidable structure dissipative auto organisée fonctionnant comme le cycle de Carnot. La capacité à accumuler de l’information contribue à augmenter les capacités du système.
Son livre passionnant explique toutes ces interactions et s’intitule Thermodynamique de l’évolution, Un essai de thermo-bio-sociologie.
Je vous en cite un passage que je connais par cœur et qui devrait bien plaire à Pasquale
« Le principal souci de notre humanité future sera de préserver notre environnement de façon à maintenir la vie sur Terre le plus longtemps possible. Dans ce but, nous ferons tous nos efforts pour utiliser l'énergie disponible le plus efficacement possible.
En particulier, nous éviterons de la disperser sous forme de rayonnement dans l’espace. Nos transmissions se feront de préférence par câbles ou par rayonnement très directif. Notre civilisation émet depuis moins d'un siècle. Nous verrons qu'elle traverse une période exceptionnelle de croissance rapide. D'ici un nouveau siècle, nos émissions dans l'espace seront vraisemblablement réduites. Si d'autres
civilisations évoluent de la même manière, leur durée d'émission sera certainement aussi très inférieure à dix mille ans, compromettant nos chances de les détecter ».
Pasquale prend Stella dans ses bras et s’écrie :
― Mais oui, c’est exactement ce que je pense ! Je n’ai rien compris à ton charabia, mais la conclusion me va bien. »
Thierry ajoute :
― Nous devons nous réveiller pour enclencher un nouveau cycle de Carnot plus respectueux de la nature.
Et Natacha de remercier Stella, car selon elle, les pavés sont à nettoyer et pourquoi pas avec de la vapeur….
