CHAPITRE XXXII

THERMOGEIVi:

584 T— Généralilés, — En ce qui concerne les gaz parfaits, qui ont formé le point de départ de noire étude, nous avons envisagé successivement les moteurs fondés sur remploi de ces agents sous les trois formes distinctes de Ténergie : moteurs éolicns, pour la force vive (chap. XXI) ; moteurs à air comprimé, pour le travail potentiel (chap. XX) ; moteurs à air chaud, pour la chaleur (chap. XXIII, XXIV, XXV). Quant aux opérateurs, deux seulement des catégories correspondantes ont été étudiées jusqu'ici ; les machines soufflantes, pour la force vive (chap. XVIII) ; et les compresseurs, pour le travail potentiel (chap. XIX).

II nous reste, pour compléter cette énuméralion, à considérer les opérateurs qui sont destinés à influencer directement, à l'aide de moyens mécaniques, la quantité de chaleur renfermée dans Tair. Nous leur consacrerons le présent chapitre. Nous avons dû suspendre jusqu'ici cet examen, en vue de ne pas disjoindre l'étude des machines frigorifiques à air de celle des appareils tout semblables qui sont fondés sur l'emploi des vapeurs, et pour lesquels les matériaux théoriques renfermés dans les chapilres XXVIII et XXIX nous étaient indispensables.

862 TUERMODYNAMIQUE.

535 — L'on peut entreprendre, dans deux sens opposés d*influencer, à Taide de moyens mécaniques, la quantité de chaleur qui se trouve renfermée dans Tair : soit en vue de Taugmenter, soit pour la diminuer. De là deux catégories distinctes de machines : les appareils calorifiques et les appareils frigorifiques.

Les premiers sont à peine représentés dans l'industrie; et il ne pouvait en ôlre autrement, car les ressources que nous fournit la chimie pour élever la température (la combustion et les foyers) sont si simples et si puissantes, que l'emploi des moyens mécaniques ne pouvait qu'être absolument délaissé.

L'inverse a lieu en ce qui concerne le refroidissement. Les artifices chimiques (mélanges réfrigérants) destinés à retirer la chaleur contenue dans les corps sont compliqués, coûteux, et de peu de portée sur l'échelle des températures. On doit donc considérer comme Tune des plus brillantes conquêtes de l'industrie, l'invention des appareils frigorifiques basés sur l'intervention des moyens mécaniques (*).

536 — Thermogène. — Dans le premier ordre d'idées, je citerai un appareil, dès longtemps disparu, qui avait été proposé par Beaumont et Maycr sous le nom de thermogène (').

On sait que certaines peuplades se procurent du feu en faisant subir à du bois sec un frottement intense. On n'a également que

(*) Elle est en même temps Tune des plus paradoxales on apparence, puisque les moteurs que l'on emploie d'ordinaire à cet eflet (bien que n'importe quelle source de travail puisse évidemment convenir], sont des machines à vapeur; de telle sorte que c'est dans un brasier que se trouve le point de départ de la congélation artificielle.

[^} Beaumont (Description d'un appareil destiné à utiliser la chaleur dégagée par le frottement. Comptes rendus de l'Académie des sciences^ t. XXXI, p. 547. — Expériences industrielles avec le thermogénérateur. Cosmos, t. XVI, p. 454). — Beaumont et Mayer. Description d'un appareil pi'ocurant de la chaleur au moyen du frottement. Compte rendus de l'Acadétnie des sciences, t. XL, p. 983. — Le Thermogénérateur ^ appareil de chauffage sans combustible^ in-S**. — Général Uorris. Comptes rendus de C Académie des sciences 1 1. XLII, p. 710. — H. Tresca. Bulletin de la Société d'encouragement pour l'industrie nationale, 3« série, t. X, p. 315. — Haton de la Goupillière. Ibidem^ i* série, l. I, p. 458. — Cosmos, l" juin et 24 août 1855. — Becquerel. Précis de nouvelles recherclies sur le dégagement de la chaleur dans le frottement. Comptes rendus de l'Académie des sciences, t. VII, p. 303. — Rumfort. An inquiry conceming the soui-^e of beat excited by friction. Philosophical Transactions abridged, 1798, t. XVIIl. — Pitter. On the production of beat by friction. Mechanical Magazine, t. XLYI, p. 492.

trop souvent, sur les chemins de fer, à combattre des commencements d'incendie dus à la friction mal lubrifiée des fusées dans les boites à graisse. C'est ce principe qui a été mis en œuvre pour la machine en question.

Une certaine quantité d'eau y est échauffée par le frottement développé entre la paroi d'un vase de révolution dans lequel elle se trouve renfermée, et une garniture autour de laquelle on fait tourner ce récipient sous l'empire de la force disponible. L'appareil consiste en une chaudière cylindrique horizontale, de 2 mètres de long sur 0^,50 de diamètre. Elle est traversée suivant son axe par un tube de cuivre creux légèrement conique, ayant O^.SO et 0",55 comme diamètres extrêmes. Un cône en bois, recouvert d'une tresse de chanvre enroulée en hélice, est monté sur un axe en fer soutenu à l'aide de coussinets fixes, qui sont placés au delà des extrémités de la chaudière. On lui imprime, au moyen d'engrenages, un mouvement de rotation rapide. Un vase plein d'huile placé au-dessus de l'appareil sert à lubrifier les surfaces au degré nécessaire pour adoucir le mouvement, sans toutefois annihiler le frottement. La forme conique de l'arbre est destinée à obvier à l'usure qui supprimerait rapidement toute adhérence entre des surfaces cylindriques. Une vis de rappel sert à maintenir constamment la pression mutuelle la plus convenable. La chaudière est munie des appareils usuels de sûreté et d'alimentation. Son mode de chauffage seul diffère de l'ordinaire. La température s'y élevait à 150 degrés, et la pression à deux atmosphères et demie.

Cette industrie n'avait, bien entendu, d'autre prétention que d'utiliser des forces perdues, sur des points privés de combustible. Employer du charbon à faire marcher un moteur à vapeur pour fournir la commande à un tel appareil eut constitué un cercle vicieux absurde. Elle n'en a pas moins été frappée de stérilité par le peu d'importance des résultats thermiques obtenus. Tresca l'a exprimé d'une manière frappante en fatsant remarquer qu'il serait plus efficace, en fait de dégagement calorifique, d'employer directement comme combustible l'huile nécessaire pour le graissage.

B87 — Procédé iVévaporalion Piccard. — On peut rattacher

au même principe le procédé d*évaporation Piccard ('), à l'aide duquel on fait intervenir avec plus de succès le travail mécanique dans les phénomènes calorifiques. On se fonde à cet eflet sur un artifice très ingénieux.

Le travail serait en efTet impuissant à fournir lui-même Fénorme quantité de chaleur nécessaire pour convertir en vapeur toute l'eau qui se trouve unie au sel traité dans une saline de quelque importance; calorique qui est, avec le mode ordinaire, incessamment perdu dans l'atmosphère comme cette vapeur elle-même. Hais l'inventeur ne demande plus, en principe, au moteur que de s'employer à retirer de la vapeur le stock d'éngrgie calorifique une fois fourni par la combustion d'une certaine quantité de charbon de mise en train, et de ramener de nouveau cette chaleur dans le bain d'évaporation, de manière à chasser par son influence une nouvelle quantité de liquide sous forme de vapeur. Celle-ci, à son tour, sera dépouillée de cette provision thermique, qui fera encore retour dans l'appareil, et ainsi de suite indéfiniment. La question posée de cette manière diffère totalement, comme on le voit, de la précédente ; et l'insuccès de celle-ci ne saurait évidemment compromettre la réussite du nouveau problème. Seulement, nous n'en avons formulé jusqu'ici que l'énoncé, et il reste à en présenter le moyen de solution.

Pour y arriver, commençons par nous rendre compte numériquement des éléments de la question. Quand on veut chasser en vapeur dans l'atmosphère un kilogramme d'eau, supposé pris à zéro, il faut lui fournir, en nombres ronds, en premier lieu 100 calories, afin de porter sa température à 100 degrés, puis 537 autres pour opérer à ce moment sa gazéification. Ces 637 calories par litre d'eau se trouvent purement et simplement perdues avec le procédé classique, qui a pour résultat de décomposer la saumure en deux produits distincts, à savoir : 1" du sel solide, 2* de la vapeur d'eau. Le problème tel que* nous venons, au contraire, de le poser, consisterait à résoudre finalement cette saumure en deux produits

(^) Portefeuille économique des machines, 3* série, t. X, p. 50 et 66. — Rateiu. Annales des mines, 1889. — Haton de la Goupilliére. Bulletin de la Société d'atcou' ragement pour V industrie nationale, 25 juin 1886.

différents : 1® du sel solide; 2"* de l'eau froide. On arriverait ainsi à récupérer les 657 calories que l'on avait temporairement unies à celte dernière, et que l'on pourrait appliquer de nouveau à un second kilogramme d'eau, tenant en dissolution une quantité correspondante de sel.

Dans ce but, un moteur actionne une pompe qui aspire la vapeur émise par le bain de saumure, et la comprime ensuite, par le mouvement rétrograde du piston, jusqu'à la pression de 2 atmosphères. La vapeur se trouve alors un peu surchauffée par l'addition de la chaleur résultant du travail mécanique qui a été fourn pour opérer sa compression, et qui équivaut à 26 calories. Nous avons vu en effet (n"" 486) que la détente adiabatique de la vapeur d'eau saturée et sèche s'accompagne d'une précipitation liquide. La compression inverse de l'ensemble devrait le ramener à l'état initial. Si donc l'on supprime préalablement la présence du liquide, en ne comprimant que la vapeur sèche, on n'obtiendra plus ce point précis de saturation, mais au contraire une certaine surchaufTe.

Le fluide ainsi amené à la tension de 2 atmosphères possédera par conséquent une température un peu supérieure à celle de 120 degrés, qui correspondrait à cette pression, d'après la loi de Regnault, pour une vapeur saturée. La pompe le refoule dans un serpentin immergé au milieu de la saumure, laquelle se trouve pour son propre compte à 100 degrés, puisqu'elle est en train de se volatiliser en communication avec l'air libre. En raison de cette différence de température de l'intérieur à l'extérieur, le serpentin se comporte comme un condenseur de surface, et ramène le fluide -intérieur à l'état liquide ; sa chaleur latente traversant le métal pour se rendre dans le bain ambiant. Le kilogramme d'eau considéré en était parti avec 637 calories. Il en a acquis 26 en route. Il revient donc dans le serpentin avec 665 calories. Reprenant l'état liquide à 100 degrés, il ne retient plus que 100 calories, et en cède 563 à l'enveloppe métallique, c'est-à-dire, par cet intermédiaire, au bain d'évaporation.

Mais il y a plus, et l'on peut également récupérer les 100 dernières calories qui manquent encore à l'appel; auquel cas les

26 additionnelles formeront, après restitution complètet un surcroit, qui eût été, dans tous les cas, nécessaire pour parer aux pertes et aux mécomptes de toute nature, négligés dans cet aperçu trop absolu, tandis que Ton ne saurait les éviter dans une réalisation industrielle.

Pour y parvenir, on engage cette eau chaude, à 100 degrés de température, dans un second serpentin immergé au milieu de la saumure froide qui est destinée à l'alimentation de la chaudière. Cette nouvelle quantité de liquide se tiédit ainsi, en se chargeant des 100 dernières calories qu'elle ramènera fmalement dans le bain, au moment où Ton alimentera. Le stock entier de 657 calories, entraîné par le torrent de vapeur, aura donc fait retour intégralement, avec un appoint supplémentaire de 26 autres qui s*y sont adjointes pendant le trajet, et sauf défalcation des pertes accessoires de toute nature dont il a été fait abstraction dans ce raisonnement.

Nous voyons maintenant comment la transformation du travail en chaleur, bien loin d'intervenip ici pour fournir, comme dans l'appareil Beaumont et Mayer, 637 calories par litre d'eau, n'en produit, au contraire, que 26, lesquelles disparaîtront dans les eflets accessoires, mais auront eu pour rôle essentiel de provoquer la régénération, la révivificaiion du stock de 637 calories, qui a été fourni une fois pour toutes, et reste ensuite perpétuellement en roulement.

Le rapport de 26 à 637 étant égal à 4 7o« on s'explique bien facilement que si le premier système était totalement condamné à l'impuissance, le second, auquel on ne demande plus qu'un résultat d'une importance vingt-cinq fois moindre, ait pu, au contraire, obtenir un réel succès.

Mais, dès lors, on peut faire encore un pas de plus. Il est bien clair, comme nous l'avons fait remarquer, que le thermogène de Beaumont et Mayer ne pouvait prétendre qu'à l'utilisation de forces perdues, telles que les chutes hydrauliques sans emploi. Ici, au contraire, bien que les forces gratuites doivent, bien entendu, recevoir, quand il y aura lieu, la préférence, rien n'empêchera, en chargeant un peu le prix de revient, de demander le faible

appoint auquel a été réduite toute la question, à une machine à vapeur, lorsqu'on voudra s'installer dans des conditions quelconques loin des cours d'eau.

MACIIIIVES FRIGORIFIQUES A AIR

— Le principe des appareils frigorifiques (*) consiste employer une certaine quantité de travail, fournie par un moteur spécial, pour comprimer un fluide quelconque. On y provoque par là une élévation de température, en même temps que de pression. On fait évanouir la première par l'application d'un courant d'eau froide, puis la seconde par la détente. Si cette expansion s'était effectuée sans refroidissement préalable, elle eût, en la supposant réglée d'après la même loi que la compression, ramené le gaz aux conditions initiales, aux dépens de l'accroissement momentané de

(') Lcdoux. Les machines h froid. Annales des mines, juillet-aoîit 1878, p. 121. — Tellier (Application de la thermodynamique à la production de la force motrice et du froid, — Fabrication industrielle de la glace. Génie civil, t. III, p. 278). — Terquem. Sur la théorie des machines frigorifiques. Comptes rendus des séances de V Académie des sciences, t. LXXXIV, p. 602, 648. — Pictet. Machines frigorifiques A liquide dissociable. Comptes rendus de V Académie des sciences, t. C, p. 329. — Production du froid. Dictionnaire des arts et manufactures. — Péclet. La Chaleur, t. III. — Cazin (Sur la détente des gaz. Comptes rendus de V Académie des sciences, 9 août 1809. — Annales de chimie et de physique, 4* série, t. XX). — Moutier. Sur la détente des gaz. Comptes rendus de l'Académie des sciences, 29 novembre 1869. — Armengaud [Revue des cours scientifiques, 1880, p. 1023. — Bulletin de l'Association scientifique de France, juil let 1880, p. 225). — Lebi*eton. Méthode Poet<cli pour le fonçage par congélation du terrain. Annales des mines, 8* série, t. VIII, p. 111.

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868 THEflVIH)\'NAUIQ(JE.

chaleur interne. Mais celui-ci vient d'ôtre préalabicnicat dissipé, et il n'en faut pas moins faire, pour la détente, un emprunta l'énergie interne. On abaissera donc par là le niveau thermométrique du corps beaucoup au-dessous du point de départ. Cela fait, on relève enfin sa température, de manière à le ramener aux conditions initiales et à fermer le cycle. Seulement on a soin (en employant pour la transmission un bain liquide încongelable) d'emprunter les calories nécessaires pour celle dernière opération aux objets que l'on se propose de refroidir industriellement : eau à convertir en glace, viande à maintenir au-dessous de la température de décomposition, etc.

Pour la réalisation de ce programme, il convient d'établir entre tes divers fi-igorifères une distinction essentielle d'après la nature du tluide employé. A cet égard, on peut établir trois catégories d'appareils, suivant que le gaz est incoercible dans les limites de l'expérience, ou qu'il est liquéfiable, ou enfin qu'il est soluble dans l'eau. Nous les appellerons, d'après l'usage établi, frigorifères à gaz, à liquide, ou à affinité.

G38 — Dans une machine frigorifique à air , les quatre

pliascs se développent de la manière suivante (fig. !

MAGHfNES FRIGORIFIQUES. 869

L'air part de Tétai figuré par le point A. Son volume est Oa.. Sa tension Oa est égale à la pression atmosphérique.

Une compression, que nous supposerons d*abord adiabatique, ramène par la transformation AB, à Tétat B. Le volume a diminué jusqu'à Ob. La pression a augmenté en 0^.

On refroidit extérieurement le corps par une application d'eau fraîche, et à pression constante, de telle sorte que le point figuratif décrive le profil BC. Le volume se contracte en Oc, la tension restant égale à 03-

La détente, que nous supposerons de même adiabalique, fait passer le corps de l'état C à celui qui est marqué par le point D, en suivant le contour CD. Le volume s'accroît en Od ; la tension retombe à la pression atmosphérique Oa.

On réchauffe alors l'air à pression constante aux dépens des corps soumis à l'expérience. Le volume redevient Oa, la pression restant égale à Oa.

540 — Pour connaître le degré d'échauffement produit par la compression adiabatique, nous invoquerons la relation (25) :

fc — I

en désignant par t la température initiale, et par t celle de réchauffement.

Dans la seconde phase, la pression reste égale à p\ et la température se trouve ramenée à t.

La détente fait ensuite retomber la tension de p* à p, et la température de ^ à un certain degré de refroidissement T, que détermine encore l'équation (25) de la détente adiabatique :

fc— 1

On remarquera la relation très simple

870 TIIERMODYNAMIQL'E.

qui nous montre que le refroidissement se règle d'après l'échauffement temporaire dû à la compression, de telle sorte qu'ils comprennent enti*e eux la température initiale à titre de moyenne géométrique. En d'autres termes, les deux écarts de température, en plus et en moins, sont en raison inverse l'un de l'autre, quand on les caractérise au moyen des températures absolues.

— Le coefficient économique d'un appareil à froid est le rapport des deux quantités de chaleur suivantes : V celle que l'on parvient à soustraire aux objets à refroidir, pour la céder à l'air dans la dernière phase DA de son évolution (ou, si l'on veut, CA, puisque la période CD est adiabatique) ; 2"^ celle AT qui congéspond théoriquement à Taire du cycle figuratif, c'est-à-dire au travail effectif T qu'il a fallu fournir industriellement pour réaliser l'opération.

On peut remarquer qu'une telle évolution est exactement l'inverse du cycle réversible d'une machine à air chaud, dans laquelle, partant de l'état C, on aurait échauffé le fluide jusqu'en B à pression constante, pour le laisser se détendre en BA, le contracter ensuite suivant AD au contact de la source froide, et le comprimer enfin artificiellement le long de l'adiabatique DC de manière à le ramener à son état initial.

Le coefficient économique d'un tel moteur aurait pour expression le rapport de la chaleur qui correspond au travail effectif représenté par l'aire du cycle (c'est-à-dire AT) à la chaleur Q^ qu'il aurait fallu fournir pour aller de C en A ; ou, plus simplement, de C en B, puisque la phase BA est adiabatique.

54!S — Cette interversion permet de ramener la théorie des appareils frigorifiques à celle des moteurs à air chaud.

Supposons d'abord que le cycle suivi dans les uns et les autres soit celui de Carnot (ce qui, à la vérité, n'a pas lieu dans le cas précédent, puisque les droites horizontales ne sont pas les isothermes de l'air). On aurait, entre les quantités de chaleur Q et Q', qui correspondent aux phases AD et BC , l'équation de Carnet (52) :