Sur les liquides et les vapeurs

Los liquides se dilatant par la chaleur, si cct effet était de même nature que la dilatation des solides, on pourrait établir une équation scmbluhle à celle obtenue pour les solides, qui devrait fournir une détermination de l'équivalent mécanique de la chalour. V étant le volume du liquido, d sa densité, P la pression que pourrait surmonter «a dilatation, D cette dilatation pour l’unité de volume, C la chalour spécifique pour l’uuité de poids, on aurait

VDP = VdCE ou DP = dŒ, qni permettraient de calculer E, si P était connu ponr les principaux liquides comme le sont les antres quantités qui entrent dans l'équation.

On pourrait croire que ce terme P doit avoir nn rapport intime avec la compressibilité des liquides , qu’on devrait faire de celle-ci l’usage que nons avons fait de l'élasticité des solides ; mai» il est facile do reconnaître qu’il n’en est rien. L’incompressibilité près que totale des liquides ne résulte pas de la résistance opposée par des forces moléculaires, mais de ce qu'aux températures où ils no donnent pas de vapeurs ayant une tension appréciable, leurs molécules n’ont pas d’action les unes sur les autres; elle» transmettent souloment les pressions sans engendrer de travail moléculaire sensible. Aussi, dans les expériences sur la compression des liquides, n'a-t-on jamais constaté pour les plus grandes charges le dégagement de quantités de chaleur appréciables, et M. Régnault, dans des expériences très-délicates, a pu s'assurer qu’une compression de 10 atmosphères ne produisait pus un échauffe ment de de degré centigrade.

On pourrait toutefois obtenir ccs valeurs do P h l'aide de l’appareil d’OErated, qui sert Ii étudier la compressibilité de» liquide». Il suffirait d’observer les résistances à la compression h diverses températures, de manière à atteindre lo point où 6’opérerait la compensation exacte entra l’effet de la chaleur et la compression, ce qui donnerait la valeur de l’effort qui

s'opposerait alors à la dilatation. D'après les éléments connus de l'équation, elle correspondrait à des efforts

considérable^.

Jusqu'à de semblables expériences {qui se rapporteraient au liquide donnant des vapeurs et par suite ne peuvent pas fournir une détermination résultant de la nature liquides), l'équation ci-dessus ne peut servir à déterminer l’équivalent mécanique de la chaloir ; mais celui-ci étant connu, elle permet de déterminer P, quantité qu’il peut être intéressant de considérer, pour comparer la constitution intime de divers fluides à diverses teui|>ératnre9, pour lesquelles on connaîtra la valeur des termes D, d, C

tapeurs — l’ne expérience de M. A. Him ejt venue confirmer de tout point le mode de raisonnement employé à l'article machine a vapeur, démontrer expérimentalement un principe qui nous parafait indispensable pour l'explication des faits. Elle est tout à fait capitale et nous devons la consigner ici.

11 a vu (Bulletin de la Société industrielle de Mulhouse) que si l’on fait pos- ►èr do la vapeur dans un tube A (fig. 35S8), garni à ses deux extrémités de deux verres qui se correspondent, la vnpeur est parfaitement transparente tant qn’elle passe à travers le tube, et aussi lorsqu'on ferme les robinets de sortie , puis d’entrée. Si, alors, on vient à ouvrir brusquement le robinet de sortie do la vapeur dans l'air, il se produit instantanément un brouillard très-épais. D'où cette conséquence que, par la détente, il se produit de l’eau précipitée, que la vapeur qui se détend reste toujours saturée. Les chiffres de M Régnault, qui indiquent que la vapeur contient d'autant plus de chaleur qu’elle est à une pression plus élevée, no prouvent pas, comme on l’avait conclu à tort daus la manière de raisonner qui était admise jusqu'ici, que dans la détente la vapeur demeurait surchauffée. La détente entraîne une consommation do chaleur telle qu’il se produit nonsculement une diminution de température, de pression, comme pour les gaz, mais, de plus, précipitation d’eau ; expérience qui, soit dit en passant, montre toute l’im- |iortunce du rôle de» enveloppes, qui ont pour fonction essentielle de vaporiser l'eau précipitée.

Une seconde* observation également essentielle pour l’intelligence de» phénomènes, c’est que l'action directe n’entrulue pas.de consommation de chaleur dans la vapeur chassée hors de la chaudière, tandis que cct effet sc produit, suivant la loi d’équivalence, lors de la détente ; et bien que, par suite do la formation de la vnpeur et do l'accroissement de volume qui en ré suite, le travail produit puisse être considérable, lu vnpeur (considérée seulement dans le cylindre et indépendamment de l'effet de détento qui l’a fait arriver de la chaudière) conserve après l'action directe la chaleur déterminée par les expériences de M. Régnault, par la condensation qui ramèno l’eau à l’état primitif. An contraire, la vapeur une fois formée se comporte comme un gaz, et toute la chaleur qui lui est incorporée agit extérieurement, peut disparaître par suite en produisant un travail lors de la détente Si, par ce mode d’action, on fait refroidir la vapeur, celle-ci agit comme sourco de chaleur pour la partie non condensée, et toute celle qui lui a été communiquée peut

être consommée par un travail extérieur, peut disparaître après avoir été dégagée d’abord par le retour do la vnpeur à l’état primitif.

M. Hirn a démontré directement, par expérience, qu’il en est ainsi, et on le comprend faedement en analysant comment le» choses se passent, quand la vapeur est en communication avec la chaudière, ou en est séparée. Dans le premier cas, c’est une action de détente de toute la masse contenue dans la chaudière qui |K»usse une petite partie et la fait agir par action directe. Il se produ't là une détente qui entraîne une consommation difficile à constater expérimentalement, et à laquelle fournit aussitôt l’action du loyer. Ce n’e»t que la consommation de la chaleur renfermée dan» la vapeur que l’on peut suivre expérimentalement dans le second cas, lorsque »e produit la détente.

Mais quelle est la loi du refroidissement produit par la détente? Nous n’avons aucune donnée à cet égard, mais i! parait tout à fait évident à priori qu’une vapeur, dans le voisinage de son point de liquéfaction, doit dégager beaucoup plus de chaleur, pour la compression d une mémo fraction de son volume primitif, qu’un gaz permanent, qui est essentiellement une vapeur surchauffée, par suite dan» un état de dilatation très-grande. Comme, d’un autre côté, la chaleur spécifique de la vappur d’eau est bien plu» grande que celle d un gaz simple (elle a été trouvée égale à 0, i5 par M. Régnault), qu’elle est sensiblement double de celle de l’air, il semble qu’il faudrait une quantité double do chaleur pour faire varier sa température do 1°, et sans la première considération nous devrions remplacer T^o r** th> = 7ô- “chant comment ces doux éléments se balancent, ce qui serait nécessaire pour le calcul que nous nous proposons ici, nous conserverons la chiffre de que nous avons admis pour l’air, pour la vapeur à la pression atmosphérique, et cela surtout parce qu’il se vérifie passablement parles seules expériences que nous possédions et dont nous parlerous plus loin.

Ceci établi, nous pouvons entreprendre de calculer le travail théorique de la vapeur d’eau, en analysait les divers faits qui se passent simultanément lors de la détente de la vapeur, savoir sa diminution de pression et son refroidissement par l’effet de sa dilatation, son réchauffement par la précipitation de partie de la vapeur, le passage de celle-ci à Tétât vésiculaire et le dégagement «le sa chaleur latento.

Nous partons pour ce calcul de la pression atmosphérique. Pour une température et une pression plus élevée, le résultat serait sans doute peu différent, le produit du volume de la vapeur par la pression variant lentement , commo la quantité de chaleur qu’elle ren-

Si le volume v de vapeur qui se détend devient 2c, la chaleur consommée par cette d datation sera pour 4 00 fois !*et pour 1 kilog. 4,70 X< 00 x0,45 = 76,50calorics, 0,45 étant la chaleur spécifique de la vapeur d’eau. I-a quantité de vapeur condensée qui dégagera la chaleur servant à réchauffer la vapeur sera l*i x 0,12 de la vapeur qui se détend, les choses se passant comme si cette quantité se condensant s’opposait à rabaissement de la température de la vapeur, qui toujours saturée ne varie plus qu’en raison de la pression.

En vertu de la loi do Mariotte, la pression étant réduite à moitié par la détente d’un volume égal à son volume primitif et la quantité de vapeur de 0,12 par la condensation, n’est donc plu» que \ (4 — 0,12) X 1,030 au cent, carré = 0,45. Cette pression est celle de la vapeur saturée à 7ü# . laquelle renferme , d'après M. Régnault, 606 -1- 0,305 X *7 = 619,5 calories. Il y a donc 63C — 649,5 = 46,5 calories de

moins, nécessaire» pour constituer Ia vapeur saturée h moindre pression, ce qui faitqu'il ne $e produit qu'une condensation en réalité moindre que ne l'indique le calcul ci-de&BUs; mais il n*y a pas à tenir compte de cet effet qui ne modifie pas le travail produit, si on veut appliquer la loi de Mariotte au calcul de la détente.

Pour le nombre de calories consommées par la détente et la dilatation du gaz, le travail correspondant an doublement de volume étant, pour un mètre cube, en partant de la pression atmosphérique, et en suivant la loi de Mariotte ( voir à machine a vapeur la table donnant le travail de I mètre cube pour diverses détentes), 47496 — 40330 — 7166, sera pour le cas ac-

tuel 7166 X «—,70 ( I — - j = 107i0kilog. mét

Le travail par calorie sera dono = 449 calories,

valeur approchée de l’équivalent mécanique de la chaleur.

Expériences directes avec la machine à vapeur.

La machine à vapeur, comme toute machine à feu. doit fournir le moyen d'obtenir expérimentalement, et non plus par l'utilisation des données physiques connues incomplètement dans le cas actuel, une valeur dos éléments du travail dû à la chaleur, et de plus fournir 1a confirmation directe des conceptions théoriques, de l'exactitude de la notion d'équivalent mécanique de la chaleur. En effet, en suivant le travail d’une machine à fou, d’une machine à vapeur, on pourrait mesurer la chaleur qui en sort par le condenseur, et celle dispersée extérieurement par le refroidissement, lu comparer avec 1a quantité fournie par le foyer, et mesurer en même temps le travail produit par la machine. Si la quantité de chaleur qui disparaît dans la machine diminue proportionnellement au travail produit, le rapport de ces deux quantités sera la valeur même do l'équivalent mécanique de la chalour, en même temps que le phénomène même prouvera l'exactitude de la nouvelle théorie, la réalité de la transformation de la chaleur en travail.

Ces expériences peuvent être faites de deux manières.

La première consisterait h employer une machine de petites dimensions, pour laquelle tous les éléments du calcul s'évalueraient avec grande facilité. Le chauffage au gnz do la chaudière, l’évaluation des résistances passives à l’aide de la manivelle dynamométrique (la machine étant assez petite pour qu'on puisse la faire marcher à bras, sans vapeur), et enfin l'emploi du travail produit pour faire surmonter à la machine une résistance constante, consistant, par exemple, à élever h une certaine hauteur l’eau du condenseur : tels sont les éléments qui faciliteraient l’étude des phénomènes qui se passeraient dans une petite machine pouvant permettre des détentes de 15 h 20 fois le volutno primitif. Toutefois, le faible poids de la vapeur employée, et par suite l'influence du refroidissement extérieur, dont l'effet serait comparable à la quantité de chaleur à mesurer , rendrait ces observations , que nous n'avons pu encore tenter, peut-être inférieures h celles dont nous allons parler et que nous devons encore à l'ingénieux M. llirn du Logelbach. Elles auraient toutefois uue véritable importance à cause de la possibilité de calculer exactement le chaleur produite daus le foyer, co qui ne se fait jamais et force à se contenter do l'évaluation de la quantité da vapeur saturée plus ou moins chargée d'eau produisant par action directe une fraction plus ou moins grande du travail total, d'où autant de difficultés pour parvenir à des résultats précis.

La seconde minière d’opérer consiste à suivre pendant longtemps les circonstances du travail de puis-

santés machines. La grandeur des machines, et surtout la longue durée des observations, amoindrissent les variations qui peuvent se produire, et permettent à un habilo observateur d'obtenir des résultats un peu exacts , parce que les chiffres sur lesquels on opère sont assez grands. En tons cas, nous n'avons à ce jour d’observations que dans cette voie; elles suffisent, co nous semble, pour la vérification dont nous avons besoin. Elles prouvent d'abord parfaitement la disparition d* un nombre conaiilérable de calories par la détente, et par suite la réalité de la loi physique due aux recherches dos savants ; de plus, elles fournissent une détermination de l’équivalent de la chaleur, par expérimentation directe.

Avant d’entrer dans le détail des modes d’observation adoptés pour ces expériences, nous emprunterons à M. Hirn le tableau oui ies résume. Elles ont été faites avec î une machine de Watt, à un cylindre ; une machine de Wolf, à deux cylindres; avec la vapeur saturée: avec la vapeur surchauffée jusque vers 240°.

La difficulté des observations de phénomènes aussi complexes e6t facile à apprécier, et on comprend aisément tous les soins nécessaires pour arriver à quelque précision. Nous renverrons au mémoire de M. Ilim los personnes qni voudront connaître en détail ces expériences ( Bulletin de ta Stciélé industrielle de Mulhouse, n"* 438 et 439. 4857) . Nous n'en dirons que quelques mots.

La première condition à remplir pour de semblables observations, qui doivent nécessairement durer assez long temps, c'est que les déterminations prises en un instant s'appliquent an moment suivant; co qui suppose notamment, par rapport à la consommation de vapeur, que la machine marche toujours aux mêmes pressions, détentes, vitesses. M. Hirn y parvenait grûce à la constance dos résistances et K l'habileté des chauffeurs. Eu pesant la quantité d’eau injectée dans la chaudière et nécessaire pour maintenir égaux le niveau final et initial de celle-ci, on avait la consommation d'eau et de vapeur, en tenant compte toutefois do l'eau enlevée à l'état vésiculaire dans une proportion déterminée par des expériences préliminaires.

La quantité de chaleur contenue dans un poids donné do vapeur Baturéo est bien connuo aujourd'hui deputs les travaux de M. Régnault; c'est la connaissance précise de cette quantité qui seule a rendu possible le travail de M. Hirn. On sait qa’elle osi 606 + 0.305 T, h saturation , et qu’il faut ajouter à co terme 0,45 (T' — T) pour tenir compte, s'il y a lien, d'une surchauffe à la température T'.

L’observation des pressions dans le cylindre a bien démontré la grande réaction des parois sur le refroidissement de la vapeur, parois refroidies par l’absorption de chaleur due à la détente et à la condensation de la vapeur. On voit que dans le petit cylindre de la machine de Wolf, où le travail s'effectue toujours à pression pleine, la pression est toujours sensiblement la même que dans la chaudière, et que pour la machine de Watt, au contraire, la différence est toujours considérable et atteint un quart. Oela confirme les résultats des expériences faites sur les enveloppes, et expliqua bien leur utilité.

L’eau du condenseur était versée dans des vases jaugés, ce qui permettait, par un calcul bien simple et A l’aide de quelques observations thormométriques, do connaître la quantité de chaleur rejetée par le condenseur.

Le travail total de la machine était connu tant par des expériences au frein que par la substitution à la machine à vanqur de turbines dont le travail était bien connu (méthode analogue à colle desdoubles posées, heureusement imaginée par M. Hirn); enfiu le rapport do l'action directe à la détente pouvait se dé-luirc de la mesure des courbes fournies par l'indicateur de Watt,

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