Macquorn Rankine et les lois de la thermodynamique
William John Macquorn Rankine (Édimbourg, 5 juillet 1820 – Glasgow, 24 décembre 1872) était un ingénieur et physicien écossais. Il avait des intérêts très différents ; Dans sa jeunesse, il s’est intéressé à la botanique, à la théorie musicale et à la théorie des nombres et dans ses dernières années aux mathématiques et à la technologie.
Avec Rudolf Clausius et William Thomson, il fait partie des fondateurs de la thermodynamique. Il a également développé la théorie derrière la machine à vapeur, introduit des concepts tels que l’énergie cinétique et potentielle, et étudié les ondes de choc et la fatigue du métal. Une échelle de température porte le nom de William Rankine, connue sous le nom d’échelle de Rankine.
Vie de William John Macquorn Rankine
Rankine était le fils du soldat professionnel et plus tard ingénieur civil David Rankine et la fille de la banquière Barbara Grahame de Glasgow. Il était le deuxième fils, mais son frère aîné est mort à un âge précoce. En raison de sa mauvaise santé, il a été enseigné principalement à la maison. Il fréquenta le lycée d’Ayr et de Glasgow quelques années seulement après le déménagement de la famille en 1830. Dans sa jeunesse, il s’intéressa vivement à la musique et aux mathématiques. Après avoir lu, à l’âge de quatorze ans, le plus grand ouvrage d’Isaac Newton, Principia Mathematica (1687) en latin, il s’est intéressé à la physique. À seize ans, en 1836, il entreprend des études de sciences naturelles à l’Université d’Édimbourg, où il apprend, entre autres, la philosophie naturelle avec James David Forbes et l’histoire naturelle avec Robert Jameson. A cette époque, il lit également beaucoup d’ouvrages de philosophes des Lumières écossaises. À l’université, il a reçu deux prix pour des essais sur les méthodes de recherche physique et sur la théorie ondulatoire de la lumière, mais n’a pas terminé le cours.
En 1838, il quitta l’université et devint assistant de l’ingénieur civil irlandais John Benjamin MacNeill. Il a travaillé ici sur la conception de chemins de fer, la construction de ports et la construction d’égouts. Parallèlement, il se lance dans la rédaction d’articles publiés, entre autres, par l' »Institution of Civil Engineers » britannique. En 1855, il est nommé professeur de génie civil et de génie mécanique à l’Université de Glasgow. Rankine est devenu membre de la Royal Society of Edinburgh en 1849 et de la Royal Society de Londres en 1853. Il était également membre de la Royal Swedish Society of Sciences et de l’American American Academy of Arts and Sciences. En 1857, il fonda une branche écossaise de « l’Institution of Civil Engineers » et en fut le premier président jusqu’en 1870. En 1857, Rankine reçut un doctorat honorifique du Trinity College de Dublin. Rankine était également un musicien talentueux et jouait du violoncelle, du piano et chantait. Il a également écrit des poèmes, qui ont été publiés à titre posthume sous forme d’œuvres compilées.
En plus de son travail d’ingénieur civil, Rankine a apporté plusieurs contributions à la science. Il a écrit des ouvrages standards de mécanique, de théorie et de pratique de la vapeur, des principes de génie civil et des principes de construction mécanique. Avec cela, il a apporté une contribution importante à la formalisation des sciences techniques, qui à cette époque est devenue un exemple national et international de l’Europe à l’Amérique et au Japon. Une caractéristique particulière de son travail était que Rankine était capable de combler le fossé entre la pratique de l’ingénierie et la recherche scientifique. La science à cette époque était principalement pure et abstraite et les ingénieurs s’en méfiaient. Dans l’esprit de Francis Bacon et de Thomas Reid, Rankine a réussi à rendre la recherche scientifique utile à la pratique. Par exemple, il a apporté une contribution importante à la thermodynamique avec ses recherches scientifiques et la construction de théories. Il s’appuyait également sur les travaux de Benoît Clapeyron, Sadi Carnot et JP Joule.
Recherche en génie mécanique
En partie à la suggestion de son père, qui en savait beaucoup sur les chemins de fer, Rankine s’est d’abord concentré sur l’ingénierie mécanique. Sa première publication, datant de 1842, s’intitulait « Une enquête expérimentale sur l’avantage des roues cylindriques sur les chemins de fer ». L’année suivante, il présenta un article sur la fatigue du métal qui se produisait dans les axes des locomotives. Il a montré que les ruptures d’essieux survenaient en raison d’une dégénérescence progressive, dont la fatigue (fatigue mentionnée). Ce phénomène s’est produit principalement avec des transitions brusques dans la structure, et a conseillé de compléter ces transitions. Dans le domaine de la statique, il a développé des méthodes pour calculer la répartition des forces dans les structures des bâtiments et a mené des recherches sur la stabilité des bâtiments. Il a également étudié l’hydrodynamique et la conception des navires.
En plus de ses contributions aux sciences techniques, Rankine a commencé ses recherches en sciences naturelles dans le courant des années 40 du 19e siècle. Rankine avait été fasciné par les machines à vapeur dès son plus jeune âge, qui avaient acquis une nouvelle dimension grâce à son travail avec les chemins de fer. Il a cherché des lois fondamentales à travers des expériences avec des processus thermodynamiques. Rankine est allée encore plus loin dans sa réflexion et a philosophé sur la nature de l’univers et l’objet de la physique.
Par exemple, en 1852, il déclara ce qu’on appellera plus tard la loi de la conservation de l’énergie. «Des preuves expérimentales s’accumulent chaque jour, ou une loi qui a conjecturé qu’il y a une longue jambe.» Tous les différents types d’énergie physique dans l’univers sont mutuellement convertibles, « que la quantité totale d’énergie physique, que ce soit sous forme d’énergie visible le mouvement et la puissance mécanique, ou de la chaleur , de la lumière, du magnétisme, de l’électricité ou de l’action chimique, ou d’autres manières non encore comprises, sont immuablement les transformations de ses différentes parties d’une de ces formes de puissance à une autre, et son transfert d’une forme à l’autre partie de la matière à une autre, constituant les phénomènes qui font l’objet de la physique expérimentale. » 
Rankine a vu un lien entre tous les phénomènes physiques du mouvement visible et l’énergie mécanique, la chaleur, la lumière, le magnétisme, l’électricité et l’énergie chimique. Il a résolu plus tard l’idée de l’interchangeabilité de toutes ces formes d’énergie et les lois qui sous-tendent cela dans sa théorie de l’énergie. Pour rendre cet ensemble de phénomènes physiques discutable, il a proposé une hypothèse de vertèbres moléculaires pour décrire la structure moléculaire de la matière. Le nom du cycle de Rakine doit son nom au physicien écossais.
Hypothèse des vertèbres moléculaires 
Une hypothèse centrale dans le travail scientifique de Rankine était son hypothèse des vertèbres moléculaires (tourbillons à l’échelle moléculaire), également appelée «théorie de l’élasticité centrifuge». Selon cette hypothèse, toute matière était constituée de molécules formées de noyaux atomiques entourés d’une atmosphère élastique, maintenue en place par des forces d’attraction. Rankine a également approché que la chaleur était une sorte de vibration de l’atmosphère qui tournait autour du noyau atomique et que la lumière était, en fait, une vibration qui émergeait du mouvement des noyaux atomiques et se propageait encore plus grâce à l’attraction et à la répulsion mutuelle de ces noyaux. . Rankine a attribué des propriétés mécaniques à l’atmosphère elle-même. Selon lui, Cette hypothèse lui offrit un modèle pour sa théorie de la lumière et de la chaleur. Il a expliqué la double réfraction de la lumière comme le transfert du mouvement de l’atmosphère aux noyaux atomiques et vice versa. Il est également venu de cette hypothèse à ses comparaisons sur le gaz et la chaleur. Il a franchi une autre étape et a travaillé sur une théorie générale de l’action mécanique qui pourrait générer de la chaleur. Il montra qu’une certaine quantité de chaleur disparaissait et en vint à sa propre formulation de la seconde loi de la thermodynamique. Cette hypothèse n’a pas joué un rôle dans la théorie des machines à vapeur de Rankine, mais elle l’a fait revenir dans la théorie de l’énergie de Rankine qui serait importante dans l’industrie des centrales thermiques et de l’énergie solaire thermique.
Cette hypothèse a eu une certaine influence à l’époque. James Clerk Maxwell, par exemple, l’a utilisé dans son article « On physical lines of force » de 1861. Il supposait que les lignes de force magnétiques dans une substance étaient transportées par une mer de vertèbres moléculaires, constituées en partie d’éther et en partie dans la matière ordinaire.
Théorie et effets de la thermodynamique
Selon son hypothèse des vertèbres moléculaires en 1849, il avait trouvé le lien entre la pression de vapeur saturante et la température. L’année suivante, il trouve des liens entre les quantités de température, de pression et de densité de gaz et décrit la chaleur latente après évaporation d’un liquide. Rankine a correctement prédit que la chaleur spécifique de la vapeur saturée serait négative. Rankine a apporté une contribution importante à la compréhension élémentaire dans le domaine théorique. Par exemple, il a introduit le nom « énergie » pour la quantité physique fondamentale qui était auparavant connue sous le nom de « force vitale ». Il a également été le premier à décrire le transfert d’énergie dans les moteurs à vapeur, par exemple, comme une conversion de la chaleur en énergie cinétique. Rankine a affirmé sur la base de sa propre théorie que le rendement maximal des moteurs thermiques dépendrait uniquement des fluctuations de température auxquelles ces moteurs sont soumis pendant le fonctionnement. Le prussien Rudolf Clausius a développé le procédé Carnot basé sur les idées de Rankine. Les travaux de Rankine dans le domaine de la thermodynamique ont été repris par James Clerk Maxwell.
Rankine a ensuite reformulé les résultats de sa propre théorie sur les mouvements des molécules avec énergie et transformation d’énergie. Il a affirmé que l’énergie effective (énergie réelle) dans les processus dynamiques était perdue et remplacée par l’énergie potentielle, une idée connue d’une certaine manière sous le nom de loi de conservation de l’énergie depuis un certain temps. En 1859, Rankine proposa son échelle de Rankine pour mesurer les températures absolues.
Énergique
Dans l’article « Schemes of energy science » de 1855, Rankine intervient dans le débat scientifique et philosophique sur la méthode déductive et inductive pour acquérir des connaissances et le rôle de l’hypothèse dans celle-ci. Rankine était d’avis que l’hypothèse, qu’il appelait théorie hypothétique, n’était qu’une étape intermédiaire nécessaire pour simplifier l’examen des phénomènes. Cela a permis d’arriver à une formulation d’une théorie abstraite qui peut être postulée par induction.
Suite à son hypothèse des vertèbres moléculaires et de leur effet sur la thermodynamique, Rankine a présenté une nouvelle théorie dans laquelle la dynamique était traitée sur la base de l’énergie et de la transformation de l’énergie au lieu de la force et du mouvement. Avec cela, il a apporté toutes les forces de la nature connues à cette époque à une théorie universelle : une théorie de la loi générale, qui régit toute transformation d’énergie. Il l’appelait la science de l’énergie. Cette théorie a souvent été mentionnée en particulier dans la seconde moitié du XIXe siècle et a constitué un exemple pour plus de spéculation à ce sujet par Ernst Mach et Wilhelm Ostwald, entre autres.
Macquorn Rankine et les lois de la thermodynamique![Rankine Cycle [Physics - Thermodynamics: How thermal power plant works?] - YouTube](https://i.ytimg.com/vi/JiDkWgaTUQM/maxresdefault.jpg)
Quitter l’université pour devenir apprenti ingénieur
Né à Édimbourg en tant que deuxième fils du lieutenant de l’armée britannique David Rankine et de Barbara Grahame, Rankine était en raison d’une mauvaise santé initialement éduquée à la maison dans un environnement strictement religieux. Les intérêts de Rankine étaient partagés entre la musique et les mathématiques. Plus tard, il a fréquenté l’Ayr Academy et, très brièvement, le High School of Glasgow. Vers 1830, la famille déménagea à Édimbourg et en 1834, Rankine étudia dans une académie militaire et navale avec le mathématicien George Lees, suivi de l’étude d’un éventail de sujets scientifiques à l’Université d’Édimbourg en 1838, y compris l’histoire naturelle. Pendant les vacances, il assiste son père qui, à partir de 1830, est directeur et, plus tard, trésorier et ingénieur effectif du chemin de fer d’Edimbourg et de Dalkeith qui apporte du charbon dans la ville en pleine croissance. Rankine a décidé de ne pas obtenir de diplôme universitaire, mais a choisi de quitter l’université et de devenir apprenti chez l’ingénieur John Benjamin MacNeill, peut-être en raison de difficultés financières familiales. Sir John Benjamin Macneill était à l’époque arpenteur de la Commission irlandaise des chemins de fer, impliqué notamment dans les améliorations fluviales, les aqueducs, les chemins de fer et les deux ports. Au cours de ses études, Rankine a développé une technique, plus tard connue sous le nom de méthode de Rankine, pour tracer des courbes ferroviaires, exploiter pleinement le théodolite et apporter une amélioration substantielle de la précision et de la productivité par rapport aux méthodes existantes. En fait, la technique était simultanément utilisée par d’autres ingénieurs – et dans les années 1860, il y eut une petite dispute sur la priorité de Rankine.
Les phénomènes de chaleur
L’année 1842 marque également la première tentative de Rankine de réduire les phénomènes de chaleur à une forme mathématique. Son intérêt pour la chaleur et les moteurs thermiques s’est probablement développé à partir de ses premiers travaux avec les chemins de fer. Bien que sa théorie des flux circulants de tourbillons élastiques dont les volumes s’adaptent spontanément à leur environnement semble fantaisiste aux scientifiques formés sur un compte moderne, en 1849, il avait réussi à trouver la relation entre la pression de vapeur saturante et la température. L’année suivante, il utilise sa théorie pour établir des relations entre la température, la pression et la densité des gaz, et des expressions de la chaleur latente d’évaporation d’un liquide. Il a prédit avec précision le fait surprenant que la chaleur spécifique apparente de la vapeur saturée serait négative, ce qui a ensuite été confirmé expérimentalement. Rankine a alors commencé à généraliser ses équations pour inclure les solides et les liquides. Suggérant que ses équations précédentes n’étaient probablement valables que pour les gaz parfaits, il a supprimé toutes les restrictions sur la forme des atomes et des tourbillons, sauf pour exiger que la matière dans les tourbillons se déplace dans des chemins fermés. Par des approximations astucieuses, Rankine a obtenu les mêmes équations qu’auparavant et a immédiatement conclu qu’elles s’appliquaient donc à toutes les substances, qu’elles soient à l’état solide, gazeux ou liquide.
L’efficacité des moteurs thermiques
A cette époque, Rankine tourna son attention vers le problème du calcul de l’efficacité des moteurs thermiques. Comme Clausius [4] et William Thomson, qui avaient travaillé indépendamment sur la théorie de la chaleur, Rankine a tenté de dériver la loi de Carnot.[6] Rankine a utilisé sa théorie comme base pour en déduire le principe selon lequel l’efficacité maximale possible pour tout moteur thermique n’est fonction que des deux températures entre lesquelles il fonctionne. Bien qu’un résultat similaire ait déjà été obtenu par Rudolf Clausius et William Thomson, Rankine a affirmé que son résultat reposait uniquement sur son hypothèse de tourbillons moléculaires, plutôt que sur la théorie de Carnot ou une autre hypothèse supplémentaire. Le travail a marqué la première étape du voyage de Rankine pour développer une théorie plus complète de la chaleur. Il a développé une théorie générale de l’énergie indépendante de toute hypothèse mécanique. La somme des énergies réelles et potentielles de l’univers était supposée constante – une loi déjà connue sous le nom de conservation de l’énergie. Rankine proposa alors une loi qui déterminait la quantité d’énergie transformée lors de tout changement d’état d’une substance. En 1855, Rankine avait formulé une science de l’énergétique qui rendait compte de la dynamique en termes d’énergie et de ses transformations plutôt qu’en termes de force et de mouvement. La théorie était très influente dans les années 1890. En 1859, il propose l’échelle de température de Rankine, une échelle absolue ou thermodynamique dont le degré est égal à un degré Fahrenheit.
Recherche pionnière en thermodynamique
«Cette loi (concernant le rendement théorique des moteurs thermiques par M. Joule), et la loi du rendement maximum des moteurs thermiques, sont des cas particuliers d’une loi générale qui règle toute transformation d’énergie, et est la base de la Science de l’énergie. Énergétique.» – William John Macquorn Rankine, Manuel de mécanique appliquée, (1858)
En 1855, Rankine a été nommé à la chaire Queen Victoria de génie civil et de mécanique à l’Université de Glasgow. Rankine a mené des recherches pionnières dans les domaines de l’ingénierie ferroviaire, de la physique moléculaire et de la thermodynamique. Il a écrit plus de 150 articles et manuels scientifiques ainsi que des manuels qui sont devenus des ouvrages de référence pour les étudiants. Rankine a également développé des méthodes de calcul de la répartition des forces (statique) dans les constructions à ossature, étudié la stabilité des murs dans le génie civil, la conception et l’hydrodynamique des navires, et a écrit sur la fatigue des matériaux des métaux, par ex. dans les essieux des locomotives. En mécanique des sols, il existe un calcul de la pression des terres selon Rankine. Selon la théorie de la pression des terres de Rankine (« cas particulier de Rankine »), l’évolution de la pression des terres sur les murs est calculée à l’aide de la pression des terres active et passive, les angles de frottement des murs étant nuls, ce qui représente une simplification informatique. En 1849, il devint membre de la Royal Society of Edinburgh et, en 1853, Rankine devint membre de la Royal Society de Londres. Il a été membre de l’Académie royale suédoise des sciences et de l’Académie américaine des arts et des sciences (1866). En 1857, il reçoit un doctorat honorifique du Trinity College de Dublin.
L’échelle de Rankine
En 1859, il propose une échelle de température. L’échelle de Rankine est une échelle de température qui, comme l’échelle Kelvin, a sa valeur zéro à la température zéro absolue, mais utilise l’espacement d’échelle de l’échelle Fahrenheit par opposition à l’échelle Kelvin. La distance d’un degré Rankine (signe d’unité : °Ra ou °R restreint) est égale à la différence d’un degré Fahrenheit, mais le point zéro absolu est de 0 degré Rankine ou -459,67 degrés Fahrenheit. Degrés Rankine n’est pas une unité SI. L’échelle de Rankine était principalement utilisée dans les pays anglophones. John William Macquorn Rankine est décédé le 24 décembre 1872 à l’âge de 52 ans.
William John Macquorn Rankine (1820-1872)
Ingénieur et physicien écossais et l’un des fondateurs de la science de la thermodynamique, notamment en référence à la théorie de la machine à vapeur. En tant que président (1855) du génie civil et de la mécanique à Glasgow, il a développé des méthodes pour résoudre la répartition des forces dans les structures à ossature. Rankine a également écrit sur la fatigue du métal des essieux ferroviaires, sur les pressions terrestres dans la mécanique des sols et la stabilité des murs. Il a été élu membre de la Royal Society en 1853. Parmi ses ouvrages les plus importants figurent Manual of Applied Mechanics (1858), Manual of the Steam Engine and Other Prime Movers (1859) et On the Thermodynamic Theory of Waves of Finite Longitudinal Disturbance.