I. — FUSION PROPREMENT DITE

733. Lois de lu ftaston. — Toul corps solide, porté à une température suffisamment élevée, fond. Ce phénomène obéit à trois lois :

1® Dans des conditions de pression déterminées^ la fusion a lieu à une température déterminée, caractéristique de chaque corps; 2° File est accompagnée d!un changement de volume ; 3° Elle se fait avec absorption de chaleur.

734. Polot de fasion. — Les corps fondent aux températures les plus diverses. A mesure qu'on a su produire des températures plus élevées, on a vu diminuer le nombre des substances infusibles ou réfractaires, et il est maintenant admis que tous les corps, sans exception, sont susceptibles de fondre; mais beaucoup exigent, pour être fondus, des moyens spéciaux. Le platine et la silice peuvent être fondus, comme Ta montré H. S.-C. Deville, dans un fourneau à charbon d'une disposition particulière, alimenté avec des escarbilles de coke et muni d'un soufflet de forge; mais la fusion de ces deux corps ne s'opère commodément qu'à l'aide d'un chalumeau à gaz d'éclairage dans lequel la combustion est alimentée par un courant d'oxygène. Pour fondre des substances plus réfractaires encore, telles que l'iridium, on doit, dans cet appareil, substituer l'hydrogène au gaz d'éclairage.

Le tableau suivant donne les points de fusion de quelques corps :

PREMIER CHANGEMENT D ETAT

Alcool — !3Ô»

Argent

Sulfure de cari>one — 110

Or /

Mercure — 40

Cuivre ^

Eau 0

Palladium

Étain 235

Platine

Plomb 326

Iridium

Certains corps, dits pâteux^ n'ont pas de point de fusion déterminé, mais passent, avant de fondre, par tous les états intermédiaires entre Tétat solide et Tétat liquide, comme le verre, le fer et même, dans une certaine mesure, le platine.

735. P^int de sottdillcatioB. SarTHston. — Un corps fondu peut se solidifier dès que sa température tend à s'abaisser au-dessous de son point de fusion. Des moyens particuliers doivent être employés pour congeler certains corps, tels que Tacide carbonique, le gaz ammoniac, le protoxyde d*azote, Talcool, le sulfure de carbone. . En prenant certaines précautions, on peut refroidir un corps audessous de son point de fusion sans qu'il se solidifie. Fahrenheit, le premier, observa que Teau, maintenue à labri de toute agitation, pouvait être portée au-dessous de 0"^ sans se congeler. Si Ton expose dehors, par une journée froide d'hiver, une carafe pleine d'eau dans laquelle on a laissé un thermomètre et qu'on a eu soin de recouvrir d'un cornet en papier pour empêcher les poussières de s'y introduire, on peut, au bout de quelques heures, voir le thermomètre descendu un peu au-dessous de 0® sans que l'eau se soit solidifiée. L'expérience réussit surtout avec de l'eau purgée d'air par ébullitîon et soustraite au contact de l'air; on lui donne souvent la forme suivante : autour d'un thermomètre (fig. 515) est soudé un petit réservoir de verre à moitié rempli d'eau; on a fait bouillir cette eau, puis fermé le réservoir à la lampe; on peut, dans ces conditions, et en refroidissant lentement, abaisser la température de plusieurs degrés au-dessous de 0** sans provoquer la congélation. Des gouttelettes d'eau en suspension dans un mélange d'huile d'amandes douces et de chloroforme, de même densité, peuvent, d'après Dufour, être refroidies à — 20** sans se congeler.

Ce phénomène est désigné par le nom de surfusion.

Une action mécanique suffisamment énergique, frottement, choc, agitation vive, détermine presque toujours la solidification instan** tanée, complète ou partielle^ d'un liquide surfondu : c'est ainsi qu'en secouant vivement le petit appareil de la figure 515, on voit l'eau se prendre en masse.

Mais on produit infailliblement la solidification en mettant au contact du liquide une parcelle, si petite qu'elle soit, du corps surfondu : si, dans une carafe d'eau refroidie un peu au-dessous de ()", on laisse tomber une parcelle de içlace ou de neige, on voit aussitôt de belles aiguilles cristallines se développer en se ramifiant dans toute la masse.

La plupart des substances liquides sont susceptibles d'entrer en surfusion. Le phosphore est un des corps qui se prêtent le mieux à

ce genre d'expérience : on le place à cet effel dans un tube A (fig. 516), où on le recouvre d'une couche d'eau B pour éviter son inflammation ; ce tube est placé lui-même à côté d'un thermomètre dans un grand bain-marie qu'on chauffe à 50 ou 60 degrés et qu'on abandonne ensuite à lui-même; le refroidissement étant très lent, le phosphore entre» facilement en surfusion et M. Gernez l'a vu, dans ces conditions, se refroidir jusqu'à 0** sans se solidifier. Si, dans le phosphore surfondu, on introduit une baguette de verre qui a seulement touché du phosphore ordinaire, les parcelles de phosphore, absolument invisibles, qu'elle apporte avec elle, déterminent la congélation brusque du liquide. Une baguette qui aurait touché du phosphore rouge ne produirait rien de semblable.

736. Applieation de la sarfusion û. la déCermlnatton du point de

ftaston. — Pendant la solidification d'un liquide surfondu, la température remonte brusquement; mais elle ne peut dépasser le point de fusion, et Ton peut ainsi déterminer ce point. Dans une première expérience, on surfond k une température notablement inférieure à la température présiynée ; si la solidification est complète, la température ainsi déterminée est trop basse; on recommence en surfondant à une température plus rapprochée de celle qu'on vient de déterminer, et ainsi de suite, jusqu'à ce qu'on arrive deux fois de suite au même résultat.

Cette méthode est surtout précieuse pour les corps mauvais conducteurs de la chaleur, pour lesquels tout autre procédé ne donne que difficilement des résultats précis. En l'appliquant au soufre, M. Gernez a observé que la première loi de la fusion n'était pas applicable à des corps susceptibles de se présenter sous des états moléculaires aussi divers que cette substance. En effet, du soufre liquide fait avec du soufre insoluble dans le sulfure de carbone se

Fig. 516.

yjL.

PREMIER CHANGEMENT D ETAT

solidifie à

du soufre liquide fait avec du soufre octaédrique, puis porté aux températures inscrites dans la première colonne du tableau suivant, se solidifie aux températures inscrites dans la seconde :

no

La température de solidification du soufre dépend donc des actions calorifiques auxquelles il a été antérieurement soumis.

737. Chanc^cment de volume. — La détermination du changement de volume qui accompagne la fusion n'est qu'un cas particulier de Tétude des dilatations produites par les variations de température. Supposons, par exemple, la substance sur laquelle on veut expérimenter enfermée dans un thermomètre à tige qu'on achève de remT plir avec un liquide qui soit sans action sur la substance étudiée, comme de l'huile d'olive, de l'essence de térébenthine ou de l'eau. Portons l'appareil à diverses températures ^ notons les n numéros correspondants n des divisions d'afûeurement et représentons les résultats graphiquement (fig. 517).

Les points obtenus formeront deux séries distinctes, correspondant l'une à l'état solide, l'autre à l'état liquide de la substance. Relions les points de chaque série par une ligne continue et menons l'ordonnée correspondant à la température t de fusion. Le segment AB de cette ordonnée, compris entre les deux lignes, représente exactement, en divisions de la tige à t<», la variation de volume cherchée, car, pendant la fusion, ni le liquide auxiliaire ni l'enveloppe ne subissent de dilatation.

La plupart des substances augmentent de volume en fondant. M. Kopp, en expérimentant par la méthode qui vient d'être décrite, a trouvé les valeurs suivantes de la dilatation pendant la fusion,, rapportée au volume à 0° :

Phosphore

Soufre

Acide stéarique

Stéarine

Un certain nombre de corps, au lieu de se dilater pendant la fusion, se contractent : tels ôont Tacide sulfurique trihydraté, Vantimoine, le bismuth, la fonte de fer et Teau.

Un tube de verre dans lequel on a fondu du bismuth se casse au moment de la solidification, par suite de l'expansion du métal.

Si Ton projette un boulet de fonte dans un bain de fonte en fusion, il tombe d'abord au fond, avant d'avoir pris la température du milieu ambiant, puis revient à la surface et surnage avant de fondre; c'est grâce à l'expansion qu'elle subit au moment de sa solidification, que la fonte peut reproduire les plus petits détails des moules dans lesquels on la coule.

L'expansion de la glace au moment où elle se forme à une valeur considérable. La densité de la glace, telle qu'elle a été déterminée par Brtinner par la méthode de la balance hydrostatique, ou par Bunsen par une méthode analogue àla méthode générale de M. Kopp, est égale à

il en résulte que 11 litres d'eau liquide font 12 litres de glace.

738. Inflaence de la pression sur le point de f^uilon. — Une augmentation de pression élève le point de fusion des corps qui se dilatent en fondant et abaisse le point de fusion de ceux qui se contractent.

Cette loi, annoncée d'après des considérations théoriques en 1850 par James Thomson, fut vérifiée pour l'eau par William Thomson à l'aide de l'expérience suivante. Un récipient A. (fig. 518) à parois résistantes, et dans lequel on peut augmenter la pression en agissant sur un piston C, est rempli d'eau et de glace ; une rondelle de plomb D maintient la glace, plus légère, à la partie inférieure; un thermomètre B, protégé contre la pression par un tube de verre contenant du mercure, donne la température du mélange, et un tube E contenant de l'air et ouvert à sa partie inférieure tient lieu de manomètre à air comprimé. Quand on augmente la pression, un peu de glace fond, le thermomètre baisse et se fixe bientôt à une nouvelle température :

Sous une pression de l**", le thermomètre marque 0**

L'abaissement du point de fusion de la glace sous une forte pression est encore mis en évidence par l'expérience suivante due à Mousson. Dans un bloc de fer creusé d'une cavité cylindrique, on fait congeler de l'eau; puis, tout en maintenant l'appareil dans un mélange réfrigérant, on comprime lentement la glace en agissant sur un piston d'acier à l'aide d'un écrou qui se visse sur le bloc de

PREMIER CHANGEMENT D ÉTAT 663

fer. Sous le piston, on a mis un fraient de métal qu'on retrouve, après avoir démonté l'appareil, à la partie inférieure de la cavité; donc, sous une pression suffisante (évaluée à 13000 atm.), la glace peut fondre à la température de — 20" environ .

Bunsen confirma encore la loi précédente par ses expériences sur la paraffine el sur le blanc de baleine. La substance à étudier est

enfermée dans l'une des branches A (fig. 519) d'un tube recourbé dont la partie moyenne présente un réservoir cylindrique BC et qui est presque entièrement rempli de mercure, À l'exception de la partie supérieure D, également fermée, de l'autre branche. La petite branche est placée dans un bain à la température duquel on veut faire une observation; on fait varier la pression en plongeant dans Teau cbaude une portion plus ou moins grande du réservoir, et l'on déduit celte pression du volume occupé par l'air dans la grande branche.

739. Farce esp>NHlve 4e la glace. — L'expérience de W. Thomson montre que le point de fusion de la glace ne varie que très peu quand la pression subit des accroissements énormes : en particulier, les variations de la pression atmosphérique n'ont aucune influence appréciable dans la détermination du point 0 des thermomètres.

Imaginons un vase hermétiquement clos et plein d'eau à 0°. Ab^sflons la température au-dessous de 0°, à — 1" par exemple, et sup-

posons que l'eau ne reste pas surfondue; elle se congèlera. Mais comme Teau, en se congelant, tend à occuper un volume plus grand, la pression augmente très rapidement à mesure que la glace se développe, et atteint bientôt la valeur pour laquelle le point de fusion est à — 1°, 130 atmosphères environ d'après l'expérience de W. Thomson; alors la congélation s'arrête. Un nouvel abaissement de température déterminera de nouveau la formation d'un peu de glace et produira une nouvelle augmentation de pression. On voit qu41 suffira d'un refroidissement de quelques degrés pour produire des pressions telles que des vases même très solides ne pourront y résister; aussi peut-on faire éclater des bombes ou des obus en les remplissant d'eau et les exposant ensuite à un froid très vif. L'eflfet destructeur des gelées sur les plantes, les propriétés des pierres gélives, s'expliquent de cette façon.

Il est à noter que si l'eau restait surfondue, il se produirait encore une augmentation de pression, quoique moins rapide que dans le cas précédent, car, par suite d'un refroidissement, l'eau tend à se dilater (618) et son enveloppe à se contracter.

740 Plasticité apparente de la «^iace. — L'abaissement du point de fusion de la glace sous l'influence de la pression a servi à expliquer la plasticité que ce corps présente sous les fortes pressions ; cette plasticité se révèle dans la nature par le lent écoulement des glaciers; on peut la mettre en évidence par des expériences imaginées par Tyndall et qui montrent qu'on peut, sous des pressions suffisantes, mouler des fragments de glace en masses parfaitement limpides et homogènes.

Si, sur un bloc de glace, on pose un fil de fer tendu à ses extrémités par des poids, ce fil pénètre peu à peu dans la glace et la traverse de part en part sans que le bloc soit rompu : on reconnaît seulement, à un jeu de lumière particulier, le chemin suivi par le fil. J. Thomson, auteur de cette expérience, fait remarquer que, si le bloc est à 0'*, la glace doit fondre aux points de contact du fil, car ce fil exerce une pression considérable sous laquelle le point de fusion est inférieur à 0®; cette fusion est nécessairement accompagnée d'un abaissement de température, non seulem-ent de l'eau de fusion, mais encore des parties avoisinantes de la glace, comme cela a lieu dans l'expérience de W. Thomson (738). L'eau liquide est chassée au-dessus du fil et, revenue ainsi à la pression atmosphérique, se congèle de nouveau, dégageant une quantité de chaleur exactement égale à celle qu'elle avait absorbée pour fondre, ramenant à 0° les parties voisines et y revenant elle-même. De proche en proche, le fil traverse ainsi toute la masse, la glace fondant audessous de lui et se reformant au-dessus.

PREMIER CHANGEMENT d'ÉTAT 66b

Certains physiciens attribuent aussi à la glace une véritable plasticité, analogue à celle que présente, par exemple, le goudron : un fragment de cette dernière substance se brise sous Tinfluence d'une action mécanique brusque et énergique; soumis, au contraire, à une action faible, mais continue, il cède et se façonne peu à peu; de même, une planche de glace, soutenue par ses deux extrémités et maintenue à une température inférieure à 0®, se courbe peu à peu sous l'action de la pesanteur.

741. Ghaieor latente de ffuston. — Supposons un kilogramme de glace à 0° et un kilogramme d'eau liquide à la même température placés tous deux sur un fourneau : l'eau s'échauffe, indiquant parla qu'elle absorbe de la chaleur; la glace fond, mais sa température et celle de l'eau de fusion reste constante tant qu'il reste une parcelle de glace non encore fondue ; la chaleur qu'elle absorbe, comme l'eau liquide, est employée tout entière à produire le changement d'état. Soient, de même, une masse d'alcool et une masse d'eau exposées à un froid très vif; l'alcool perd de la chaleur et se refroidit; l'eau en perd aussi, mais elle ne se refroidit pas : elle se congèle et abandonne la chaleur qu'il faudrait lui restituer pour la faire fondre.

On appelle chaleur latente de fusion d'un corps^ sous une pression déterminée et à la température de fusion coi^espondante^ la quantité de chaleur nécessaire pour en fondre Vunité de masse sans variation de pression ni de température.

Le dégagement de chaleur pendant la solidification est évident quand on détermine la solidification d'un liquide surfondu : il se traduit par une élévation brusque de la température; par exemple, quand on solidifie l'eau dans le petit appareil décrit au numéro 735, on voit le thermomètre remonter instantanément à 0°.

74^. Délerfliiiiattoo expérimentale de la chaleur latente de fasioo. — 1® Cas d'un corps liquide à la température ordinaire. — Un poids p du corps k étudier, solidifié à une température t suffisamment basse, est plongé dans un calorimètre dont on connaît la valeur en eau P et la température T; on observe la température finale 6. Soient :

T la température de fusion du corps,

/ sa chaleur latente,

c et c' ses chaleurs spécifiques à l'état solide et à l'état liquide ; en écrivant que la chaleur absorbée par le corps a été fournie par le calorimètre, on a

La correction du rayonnement se fait par la méthode habituelle (705) .

CHALELU

La chaleur spécifique c' se détermine par une expérience dans laquelle le corps conserve Tétat liquide. Pour connaître c, on fait deux expériences semblables à la précédente, mais dans lesquelles la température t a des valeurs différentes : c'est ainsi que Regnault a déterminé les chaleurs spécifiques du mercure et du brome pour Tétat solide.

2° Cas d'un corpt solide à la température ordinaire. — La méthode est identique : le corps est fondu à une température T et plongé dans un calorimètre à la température /. En conservant les autres notations, on a

On a supposé, en écrivant cette équation, que la solidification avait lieu à la température de fusion t et que, par conséquent, il n'y avait pas de surfusion; mais Tessentiel est que le corps soit solidifié à la fin de Texpérience, ce qu'on peut toujours réaliser : en effet, pour passer d'un état à un autre, par exemple de l'état liquide et de la température T à l'état solide et à la température 0, un corps dégage une quantité de chaleur tout à fait indépendante de la manière dont s'est opérée la transformation. On peut donc toujours supposer que la solidification s'est faite à la température t. Ajoutons à chacun des membres de l'équation précédente la quantité />cO; le facteur de p dans le premier membre représentera la quantité de chaleur cj qu'absorbe l'unité de masse du corps considéré en passant de 0^ à T^, et Ton a

pq = p;e — 0 + P^'

Le terme pc^^ toujours très petit, peut toujours être connu avec une. approximation suffisante, et Ton peut déterminer q sans faire à pnori aucune hypothèse sur les chaleurs spécifiques ni sur la chaleur latente.

Les valeurs de q étant représentées graphiquement en fonction de T, on obtient en général deux séries distinctes de points (fig. 520) correspondant, l'une à l'état solide, l'autre à l'état liquide. Menons l'ordonnée correspondant au point de fu§ion et le segment AB compris entre les deux lignes représentera la chaleur latente. Voici quelques exemples des nombres ainsi obtenus :

» JL.

PREMIER CHANGEMENT D ETAT

Phosphore

Bismuth

Soufre

Étain

Brome

Platine

Mercure

Zinc

Plomb

Eau

Si le corps, au lieu d'avoir un point de fusion déterminé, passe, avant de devenir complètement fluide, par une série d'états pâteux intermédiaires, les points figurant les valeurs de g forment une seule série continue et les branches de courbe de la figure 520, au lieu de présenter la discontinuité AB, se raccordent comme on Ta indiqué en pointillé. Il est impossible, dans ce cas, de définir avec précision ce qu'on doit entendre par chaleur latente de fusion.

Enfin, il arrive souvent que, en dehors de toute fusion proprement