Dans mon billet précédent, j’ai parlé de la machine de Newcomen. Son faible rendement est dû au fait qu’elle soumet non seulement le fluide mais aussi le cylindre et le piston à des variations très rapides de température. En 1769 James Watt fait breveter une machine dans laquelle la vapeur se condense dans un récipient séparé, améliorant ainsi considérablement le rendement de la machine. À cette époque, les ingénieurs s’interrogent sur la façon d’améliorer encore le rendement.

L’intérêt de la vapeur d’eau est de se condenser, permettant le retour du piston. Plus on se rapproche de son point critique, plus l’eau se condense facilement. Ne pourrait-on pas opérer au voisinage de son point critique (374°C et 220 atmosphères)? voire utiliser un autre fluide pour lequel le point critique est plus facile à utiliser. Quel rendement peut-on espérer? 

La réponse a été donnée en 1824 par une jeune français de 27 ans, Nicolas Léonard Sadi Carnot, dans un petit livre intitulé «Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance»:  Le rendement maximal d’une machine thermique ne dépend que de la température de sa source chaude et celle de sa source froide, rien d’autre. Ce rendement maximum n’est obtenu que si la machine est réversible, et il est proportionnel à la différence entre ces deux températures. En écrivant son livre, le jeune Carnot créait de toute pièce une nouvelle branche de la physique que Lord Kelvin appela bien plus tard la thermodynamique.

De santé fragile, Sadi Carnot est mort à 36 ans, victime d’une épidémie. On lui doit le second principe de la thermodynamique alors que le premier, celui de l’équivalence de la chaleur et du travail mécanique n’avait pas encore été expérimentalement vérifié. Il ne l’a été qu’en 1843, plus de dix ans après la mort de Carnot, par le brasseur anglais James Prescott Joule. À l’époque de Carnot, on considérait encore la chaleur comme une substance physique appelée le «calorique». Il a fallu attendre la fin du 19ème siècle, avec Boltzmann et Gibbs, pour comprendre qu’il s’agit d’une grandeur statistique décrivant le comportement des molécules, comme le sont également la pression et la température. À travers ce blog, j’essaye d’expliquer qu’en économie, l’offre et la demande sont aussi des grandeurs statistiques. Elles décrivent le comportement des individus dans une société. De la même façon, elles obéissent à des lois que l’on peut modéliser.

Le petit livre de Carnot laissait entendre que si la vapeur d’eau était commode à utiliser, à cause des larges variations de volume qu’elle procure, elle limitait les différences de température à moins de 100° et, par là, limitait considérablement le rendement de la machine. Utiliser un fluide au voisinage de son point critique serait encore pire, car le rendement de la machine tendrait vers zéro. Ce n’est que petit à petit, tout au long du 19ème siècle, qu’on est arrivé à l’idée du moteur à combustion interne, mais pour cela le charbon ne convenait pas… Il a fallu découvrir le pétrole et le raffiner pour que les premiers moteurs à essence apparaissent et, avec eux, l’industrie automobile.

Prenez maintenant votre bicyclette. Vous avez là un bon petit moteur: vos jambes. À quelle différence de température opère-t-il? Apparemment aucune. La température de votre corps est même très bien régulée au voisinage de 37° C. Comment fonctionne-t-il? Un peu comme un moteur électrique muni d’une bonne pile, grâce à l’énergie chimique. Ce qui joue le rôle de la pression et la température, ce sont maintenant des potentiels, appelés potentiels de Gibbs, du nom du thermodynamicien américain Josiah Willard Gibbs. Les potentiels aux bornes d’une pile, sont des potentiels de Gibbs. Le français Pierre Duhem a appliqué le concept de potentiel de Gibbs à la chimie. On parle alors de potentiels chimiques. Les progrès dans la fabrication des batteries et accumulateurs font que les moteurs électriques tendent de plus en plus à remplacer les moteurs à combustion interne. On fabrique aujourd’hui des voitures hybrides.

Revenons à l’idée de point critique. Si les moteurs électriques fonctionnent, comme nos jambes, sans différences de température, fonctionnent-ils autour d’un point critique? C’est bien ce qu’ils font effectivement: ils oscillent autour d’un potentiel critique. Le physicien danois Per Bak a montré que c’est la façon dont fonctionnent tous les systèmes auto-organisés. Ils sont parcourus par un flux permanent d’énergie et oscillent autour d’instabilités critiques. Ce ne sont pas des points critiques statiques, mais des points critiques dynamiques. C’est ce que font les cellules de Bénard, les cyclones, mais aussi tous les êtres vivants. Un être vivant est par nature un système auto-organisé. Il vit grâce à un flux permanent d’énergie que lui apporte sa nourriture. Les réactions chimiques qui lui permettent de se mouvoir forment des cycles comme le cycle de Krebs.

Revenons maintenant à notre sujet, l’économie. Une société humaine est un organisme vivant. Son métabolisme est l’économie. Il est donc naturel que celle-ci soit constituée de cycles autour d’un point critique. Dans mes précédents billets, j’ai décrit les oscillations de l’offre et de la demande. Le point critique est un point d’équilibre entre les deux. Mais une économie en équilibre, pour laquelle l’offre répondrait exactement à la demande, ne peut pas évoluer, ce qui est impossible parce que notre environnement évolue continuellement, en particulier nos ressources s’épuisent. Comme le font les animaux, les sociétés humaines doivent rechercher sans cesse de nouvelles ressources. C’est pourquoi l’offre change sans cesse, créant de nouvelles demandes puis de nouvelles offres. Le décalage entre l’offre et la demande est ce qu’en physique on appelle l’hystérésis. Les cycles économiques sont des cycles d’hystérésis sur lesquels je reviendrai. Ils sont le moteur de l’économie.

On peut comparer l’économie à un cyclone. La partie en équilibre est l’œil du cyclone, un point de calme plat. Un cyclone se renouvelle constamment en aspirant l’air tout autour. Il ne traverse pas de crise particulière. De même, il faudrait pouvoir renouveler l’économie de façon continue. C’est ce que font les ingénieurs dans un moteur d’automobile. On ne construit pas un moteur à un seul cylindre. On en met au moins deux en opposition de phase, de préférence quatre en quadrature. Certaines voitures de luxe ont un moteur à huit cylindres en V, appelé V8. On répartit ainsi les phases de crises tout autour du cycle. Il faudrait suggérer à nos économistes d’en faire autant.

À l’instar des êtres vivants, les cycIones sont constamment à la recherche de nourriture, en l’occurence le moindre gradient de température. Leur trajectoire est imprévisible. Lorsque j’habitais Honolulu, la ville a été menacée par un cyclone. L’alerte a été donnée. La mer était spectaculaire. Nous avons soigneusement emballé tout ce que nous avions de fragile, mis de la toile adhésive sur les fenêtres et attendu les instructions à la télévision. Au dernier moment, le cyclone s’est dirigé sur l’île de Kauai qui a été en partie dévastée. L’évolution économique de l’humanité aura toujours un certain caractère imprévisible. Il faudra apprendre à nous y préparer.