DE U CHALEUR ET DE SOS ÉQUIVALENCE AVEC LE TRAVAIL MÉCANIQUE

I/équivalencc de la chaleur et du travail mécanique, l'intervention certaine des actions moléculaires dan* la métamorphose d'un phénomène en l'autre comme nous l'avons vu en étudiaut, dans uu premier travail, les chocs, les ruptures moléculaire* (voyez équivalent mécanique], offrent aux science* physique* de* ressources nouvelles. Toute expérience dan- laquelle il y a production de chaleur pouvant s’interpréter on quantité de travail oti inversement, on a la possibilité d'utiliser de* résultat» qui ju*qu'iei n ‘avaient aucun sens parce qu'ils paraissaient hétérogènes, do deax natures, qu’on no voyait pas de rapport entre eux. Ils prennent, au contraire, une signification dont on comprendra l'importance extrême dans la question, si on remarque les réactious qu'étudie la chimie, Le jeu

fies force* d’affinité qui réunissent le* molécule» du composé produit de la chaleur, et que cette chaleur représente une quantité de travail moléculaire, d'après In théorie de l'équivalence.

C'est l' introduction dans l'analyse de» phénomènes de la production de la chaleur, de cette correspondance entre élément* considérés juaqu’ici comme étrangers les uns aux autre», qui me semble permettre d’établir la théorie de cette production par le jeu dus affinités chimiques. C'est ce qui exists déjà pour l'effet semblable du travail mécanique, car la théorie du l'équivalent mécanique de la chaleur, dan* l’état actuel de la science, doit être considérée comme la théorie de la production de la chaleur par travail mécanique ou inversement. En effet, en établissant la loi de correspondance entre les deux ordres de phénomène», elle fournit le moyen de mesurer l’un quand l'autre estconnu. Ainsi, connaissant dans une action mécanique la quantité de travail consommée en frottements, en chocs, qui ne se retrouve pas sous forme de travail mécanique, onaura, en calories, la quantité de chaleur produite, eu divisant par 440 (en admettant notre détermination de l'équivalent ) cette quantité de travail exprimée en kilogrammètres. Inversement la chaleur, le nombre de colorie* qui disparaît en produisant un travail mécanique , engendrera un nombre de kilogrammètres qui sera obtenu en multipliant par 1*0 co nombre de calories.

Cet exemple nom montre la nécessité de considérer toujours dans cette étude des qnnntités do travail et dès quantités do chaleur, c’cst-A-difo de* unités complètes, et non pas, comme on le fait Souvent A tort on mécanique, seulement de* forces on des vitesses, ou eh physique des degrés de thermomètre, eommo on ne le fait aussi que trop souvent. La substitution daA* la pratiquede» quantités de chaleur aux degrés, introduite par I .a place et Lavoisier dan* leurs expérience# de ealo rimétrie, sera aussi utile aux progrès de la physique que l'a été l'introdnction du travail dons In mécanique appliquée.

I.a correspondance entre la chaleur ot le travail mécanique. en nous fournissant le moyen de réduire tou* le» effets en unités de même nature, va nous permettre, dans l'étude do la chaleur produite par les affinité» chimiques, d'appliquer le principe de permanence des forces sous la double forme qu'elles peuvent prendre.

l’osant comme un axiome de toute évidence qile la chaleur produite dans uno réaction chimique ne peut pas plus être anéantie que la matière, qu'elle doit se retrouver «ou* une forme ou sous une autre aussi bien que celle de* composants, nous devons pouvoir le vérifier en parant en quelque sorte la chaleur comme J<avoisier pesait la matière, en posant l’équation du travail des forces en jeu comme on en établit une, A l'aide de la balance, entre le* éléments des corps qu'on examine et ceux qu’on en retire par l’analyse. Une semblable vérification n’existe pas en fait, quand on s’en tient » la chaleur seule, mai* nous savons que lorsque de la chaleur disparaît, il peut se produire une quantité de travail mécanique equiralènte à cetto quantité de chaleur, d’où l'on peut conclure que toute différence observée proviendra d’une semblable transformation, lorsque nous constatons en même temps la production d’un travail.

Ainsi donc, en ayant soin d’évaluer simultanément la chalenr et le travail moléculaire, on pourra mesurer exactement toute 1a chaleur on tout le travail qui correspondront A uno réaction chimique étudiée expérimentalement, ët retrouver toujours les quantités qui appartiennent aux composant* ot celles qui reviennent au composé. Ce qui suit n’est que l'application de ce principe, au milieu des transformation» de chaleur en travail et de travail en chaleur. •->

•Iule répéta, j'arrive ainsi, pour la» force* en jeu,

exactement ou résultat obtenu par IavoÎRier pour là matière pondérable. Je citerai ici les paroles d« ce ‘grand homme, qui s’appliquent également aux deux ordre* de recherches. ■ Je puis considérer, dit-il, le* matière* mises eu jeu et le résultat obtenu comme une équation algébrique; et m supposant successivement chacun dee éléments de celte équation inconnue , j'en puis tirer un» valeur et rectifier <u$tsi l'expérience par le calcul et le calcul par l'expérience. J’ai souvent profité de cette méthode pour corriger les premiers résultats de mes expérience* et pour me guider dans le* précautions h prendre pour le* recommencer. ■

Nous passerons en revue le* phénomènes divers de consommation et de production de chaleur ou de travail mécanique équivalent eu les divisant en deux lu •rie» :

l« Ceux d'ordre physique , qui se rapportent à l’état de* corps sans modification de leurs molécule* ; c'est d’eux &eu)s, et dan* certains cas seulement, que tenait compte la théorie de Lavoisier.

S’* Ceux d’ordre chimique, c'est-à-dire dan» lesquels se produisent des modification* atomiques, dans lesquels l’intervention des forces d’affinité détermine des combinaisons.

1° l*HK.NOMÈNK» i’HYélQCES.

Le* phénomènes physiques qui accompagnent le* réactions chimique* ont été traités dans de* article* spéciaux. Je rapporterai ici seulement quelques-uns des résultats principaux auxquels cette étude a conduit, quant à leur interprétation au point de me dynamique.

Chaleurs latentes de fusion des solides. — Le nombre de calories qui mesure la chaleur latente des solides, la différence entre les quantités de chaleqr de ces solide* et celle des liquides en provonant à même température, multiplié par l’équivalent mécanique de la chaleur, par HO, représente une différence de forces vive* égale au nombre des kilogrammétres, au travail qui serait consommé pour la rupture des cohésions moléculaires qui réunissent toute* les molécule* élémentaires de l’unité de poids du corps pour former un corps solide. Le* effets mécanique* correspondent là d’une manière incontestable à la consommation de la chaleur.

^ Si le corps n’est pas revenu à l’état solide, s’il reste pâteux, dans un état semblable à celui du soufre mou, il se comporte comme s’il conservait une partie de sa chaleur latente de (usiou; coite quantité est la cause de l’état particulier d’agrégation qu'il présente, et mesure les effets qui lui appartiennent. Ainsi, en réalité, le soufra mou est autant liquide que solide, ses molécules ne sont pas réunies par toute la cohésion qui constitue ce dernier état. Ce qui le prouve bien, c’estqne lorsqu'on le chauffe à une température voisine du point de liquéfaction du •oufre, il reprend, ou dehors de. conditions de temps, 1 état solide, en dégageant la chaleur latente qui répond à la cohésion qu’il prend alors.

Chaleurs latentes de vaporisation des liquides. — 1^5 nombre de calories qui mesure la chaleur latente do vaporisation donne la mc«uro do tout le travail extérieur que peut produire, sans changement de température ni de pression, par un accroissement do volume, 1 unité do poids du liquide converti en vapeur.

Liquéfaction des gaz. — Le travail nécessaire pour liquéfier un gaz, à uno température constante, peut être calculé d’après les pressions de ce gaz pour divers volumes , avec une approximation très-grande dans presque tous les cas, d'après la loi de Mariotte. (Voy. f.lQVKT action PE8 GAZ.) Cette quantité, divisée par l’équivalent mécanique de la chaleur, fournit pour l'imité de poids lo nombre de colorie* qu’il faudrait enlever nu gaz pour le liquéfier par abaissement de température. Ce sont dos effets identique» qui peuvent être

produits par les deux puissances que nous cherchons à mettre en équation et qui prouvent bien leur homogénéité. Ainsi le travail nécessaire pour liquéfier un litre de gaz sulfureux étant 34 kil. mét., sa chaleur latente sera, en divisant par 440, pour cette quantité pesant 2*, #5, 0,243, et pour 4*, 0,092. On a trouvé par «xpérienee directe 0,094.

Observation. — Si l’on fait entrer dans uno même équation les quantités de travail qui correspondent à la fusion des solides et celles qui se rapportent k la liquéfaction de* gaz, on devra leur donner des signes contraires. Kn effet, celle relative h la fusion des solide* correspond à la destruction d’une cohésion moléculaire préexistante, qui peut être mesurée par un travail mécanique, A l’aide d'une consommation de chaleur ; et celle relative a la liquéfaction des gaz par un travail mécanique, au dégagement de la chaleur qui a antérieurement été la cause de Tétât gazeux. L’état Liquide, intermédiaire entre les denx autres, ne peut prendre naissance que par une consommation de chaleur dans le premier cas, et un dégagement dans le second. Ces quantité» sont donc bien de sens opposé, comme les quantités de travail qui leur sont équivalentes, de signes contraire*.

Chaleurs sfiécifiques. — Au moyen de l’emploi des chaleurs latentes de fusion permettant de tenir compte de la quantité do travail qui est consommée pour rompre la cohésion des molécules des corps solides, et de celui du travail de compression nécessaire pour produire la liquéfaction des gaz, on voit que Ton peut considérer les actions mutuelles des corps, au moyen d’une évaluation préalable de quantités de travail convenables, comme se produisant entre corps liquides. On tient ainsi un compte oxact de» différence* des force* vive* de* molécules, de la constitution physique du corps répondant à un emmagn. -moment ou une consommation de travail ou de chaleur. L'évaluation des phénomène* physiques serait ainsi complète, si la fusion des solides on la liquéfaction des gaz (ce qui à la rigueur pourrait avoir lien le plus souvent dan* ce dernier cas en employant une compression suffisante) sc produisaient toujours à une même température.

Cela n’étant pas, il faut rnmenor les corps à nne même température, en tenant compte des quantité» de chaleur consommées par Técbnuffcment ou le refroidissement des oorps, à l'aide de leurs chaleurs spécifiques. Ainsi, si Ton prend zéro pour point de départ, tous les liquides obtenus pur fusion devront être ramenés fictivement à zéro en multipliant leurs chaleurs spécifiques par le nombre de degrés qni mesure la température du point de fusion du corps considéré.

Ce mode de raisonner suppose démontrés les prin« cipes importante, déjà établis à l'article chaleur* «rÉciVK/i KH, mais sur lequel il iinporto de revenir ici, car de *op exactitude dépend celle de la théorie capitale qu’il s’agit d’établir. On peut ainsi les formuler pour des corps simples, ceux dont les molécules chimiques ne penvent éprouver d’action intérieure (ce qui peut conduire à vérifier si un corps est réellement simple). * - • -

4 0 La chaleur spécifique d’un corps à l’état liquide est celle qni appartient à la molécule chimique du corps.

La chaleur spécifique d’un gaz, qui se constate par la quantité de chaleur qu'il communique à un liquide froid, est celle dn liquide que produirait sa liquéfaction* celle de la molécule chimique, diminuée de la chaleur correspondant au travail produit par la dilatation du gaz son» pression constante, effet spécial de la chaleur pour cette constitution de la matière qui met sou» formo d’action mécanique partie de l’action calorifique pour un gsx ou, ce qni revient au même si le travail mécanique est impossible, engendre une *ng-

PRODUCTION DE liA CHALEUR.

niontation do pression susceptible do produire eet eff«t mécanique pour un pu, à volume constant.

3" La chaleur spécifique d'un solide est moindre que celle qui appartient à la molécule chimique ou au liquide produit par la fusion du corps, ce qui est la tnûme chose, d’uuo quantité qui est en rapport avec la eohèsion du solide, avec la grundour do la chalour latente de fusion.

Je reviendrai ici sur ces divers points, pour compléter ce que j'ai dit à ciiai.£1*kh bi»ëcifujI’k8, pour prou ver que l'usage que je vais (aire des principes oi-dessuH est bien fondé.

I. Le premier principe que nous nous sommes contenté d'établir d'apré* les résultats d’expérience» faites sur des corps liquides à la température ordinaire, lorsqu'on suit leurs chaleurs spécifique* de 0r à 20" (dans cc cas, les variations sont irrégulières, minimes et parfaitement dans le* limites des erreurs d'expérience*), est contraire à ce qui est admis aujourd'hui eu physique On professe môme quo les chaleurs spécifiques des liquides croissent rapidement avec la température, et on considère le fiait comme établi par cxpéricnro. Tout repose sur des déterminations fuites parM. Régnault, sar l'eau, sous des pressions et des températures croissantes de zéro à 230". Mais on eût dû observer que ces expériences, très-exactes, donnent en bloc tout l'effet calorifique produit , sans tenir compte de la transformation que subit le corps par l'effet des actions auxquelles on le soumet, et qui le font lotit autre qu’au déport. L’eau comprimée pour ne bouillir qu'à 230” est absolument dans le mémo état que l'acide sulfureux liquide h 1 25*, dont In dilatation est 0,0036. égale h celle des gaz ; ou que l’aride carbonique h -f- 30', dont la dilatation est 0,0142, c'est h-dire quatre foj* plus considérable que celle des guz. Sont-ce la des liquides? Evidemment il y a là un phénomène spécial qui mérite une grande attention et qui ne peut * expliquer autrement qu’en admettant, comme je l'ai dit en traitant de la iulatatiom DE» UQülbi:», 1a présence do vapeur intcrmoléculairc maintenue en place par la compression, ce qui fait des accroisse ment* de volume dus à la formation de ces vapeurs qui ne sont certes pas des dilatations, car celles-ci ne sauraient être pins grandes que celles des gaz. D« là résulte bien clairement que les valeurs obtenues par les expériences de M. Kcgnault comprennent un élément étranger, la condensation d’une petite quantité de vapeur, et par suito no prouvent nullement la variation de In chaleur spécifique des liquides.

Une expérience vulgaire et répétée fréquemment conduit à admettre cette constance, et la chaleur spécifique du liquide comme celle des molécules chimiques. Je veux parler des mélanges do liquides, dont les éléments se modifient d’une manière souvent si grando, relativement à leur écartement. Et cependant il c»t parfaitement certain , et confirmé par nombre d 'expériences, que toutes les fois que les liquides mélangés n'ont |>as d'action chimique, qu'il ne tend pas à se former de composé nouveau, il n'jr a jamais aucun rhangemeut calorifique produit par le tnélunge de deux liquides de mémo température. 11 faut donc que le déplacement dee molécules liquides n'ait produit aucun effet calorifique, quo la chaleur spécifique du mélange soit exactement la moyenne de celle de» élémont*.

La vérification trouvée pour les chalour* spécifique* .des liquides et «km vapeurs auxquelles ils peuvent donner naissance (art. chalecus HPÉririQi’KS), lorsqu'on tient bien compte de tous les éléments, nous parait one vérification parfaitement probante de cette manière de voir, et montre bien que la chaleur spécifique de la molécule ljbre est une quantité confiante, invariable. r