Pourquoi aucune machine ne peut-elle tourner éternellement sans être alimentée en énergie ?

Aucune machine ne peut tourner éternellement sans être alimentée en énergie, parce que l'énergie elle-même ne peut pas être créée à partir de rien : elle ne peut que passer d'une forme à une autre. Le premier principe de la thermodynamique est une formulation de la loi de conservation de l'énergie, et cela signifie que dans un système isolé, la somme de toutes les formes d'énergie reste constante, quelle que soit la façon dont elle est redistribuée à l'intérieur. On imagine de telles machines depuis le Moyen Âge, comme la roue de Bhaskara au XIIe siècle, avec des poids qui s'écartent du centre d'un côté, mais aucune n'échappe à cette règle.

Une manière équivalente, et plus concrète, de dire la même chose est que les machines à mouvement perpétuel de première espèce sont impossibles. Chaque fois qu'un système effectue un travail sur son environnement, il doit dépenser une partie de sa propre énergie interne pour le faire, et cette énergie dépensée doit être réapprovisionnée de l'extérieur, sous forme de chaleur ou de travail, si la machine doit continuer à fonctionner. Il n'y a aucun moyen de contourner cela : une machine qui produirait plus d'énergie qu'on ne lui en donne, indéfiniment, créerait de l'énergie à partir de rien.

Cette idée s'est construite grâce à des expériences minutieuses. De 1842 à 1845, James Prescott Joule, qui dirigeait la brasserie familiale, a mesuré ce qu'on appelle l'équivalent mécanique de la chaleur : la quantité de travail mécanique nécessaire pour produire une unité de chaleur. Dans l'un de ses dispositifs, il produisait de la chaleur en faisant tourner une roue à aubes dans une cuve d'eau. En 1845, il publia ses résultats dans un article intitulé The Mechanical Equivalent of Heat.

Joule ne travaillait pas tout à fait seul dans cette direction : à la même époque, en 1842, Julius Robert von Mayer mesurait une hausse de température causée par le frottement dans de la pâte à papier, pointant vers la même vérité sous-jacente depuis un angle différent. En 1850, Rudolf Clausius et William Rankine avaient tous deux publié les premières formulations complètes et formelles de la loi. Une fois ce travail accompli, la machine autonome qui tourne sans fin n'était plus une question d'ingénierie à améliorer. Il était tout simplement exclu par la comptabilité la plus élémentaire de l'énergie elle-même.