CHAPITRE VI

SECOND CHANGEMENT D'ETAT

I, — vaporisation; phénomènes généraux.

752. Vaporisation. — A mesure que les moyens de produire de hautes températures se sont perfectionnés, on a vu s'accroître le nombre des substances volatilisables, et il est admis aujourd'hui que lous les corps, sans exception, sont susceptibles de prendre Tétai gazeux à une température suffisamment élevée.

D'un autre côté, on est parvenu à mettre en évidence, à la température ordinaire, la vaporisation de substances qui, au premier abord, ne semblent pas volatiles : c'est ainsi que M. Merget, en utilisant la propriété que possède le papier imprégné d'azotate d'argent ammoniacal de noircir sous l'action des vapeurs mercurielles, a pu mettre en évidence la vaporisation du mercure congelé. M. Demarçay a observé dans le vide la vaporisation du cadmium à 160** et celle du zinc à 230° au-dessous de leurs points de fusion respectifs. Bien que les observations faites sur les corps solides à la température ordinaire soient encore peu nombreuses et ne permettent pas d'affirmer que la vaporisation d'un corps puisse avoir lieu à toute température, il est certain, du moins, que, pour un grand nombre de substances, cette vaporisation commence à des températures bien inférieures à celles où l'on a pu constater le phénomène.

Quand un corps solide se vaporise pour repasser ensuite directement de l'état gazeux à l'état solide, le phénomène prend le nom de sublimation. On sublime facilement de l'iode, par exemple, en en ehauffant quelques fragments au fond d'un grand ballon dont les

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parties supérieures et encore froides se tapissent bientùt d'une foule de petits cristaux. Le camphre se sublime souvent spontanément dans tes flacons où on le conserve.

Bien qu'une foule de corps solides puissent être ainsi directement volatilisés, c'est sur les liquides, en général, qu'on étudie les lois du phénomène, et leur vaporisation peut affecter trois formes qui, bien que ne présentant pas de différences essentielles, doivent, cependant, être étudiées séparément :

1° Évaporation ou vaporisation à la surface libre,

2° Ébullition ou vaporisation caractérisée par le dégagement tumultueux de bulles de vapeur,

3" Caléfàction ou vaporisation en présence d'une a b

paroi très chaude qui semble repousser le liquide et n'est pas eu contact avec lui.

733. Évaporailon dans le vide. — Si, dans un tube de Torricelli, on introduit à l'aide d'une pipette une goutte d'eau ou de quelque autre liquide, dès que cette goutte, plus légère que le mercure, est arrivée a la partie supérieure, !e mercure baisse brusquement et, après quelques oscillations, prend une nouvelle position d'équilibre. Un liquide se vaporise donc très rapidement dans le vide, et sa vapeur exerce immédiatement sur les parois une pression mesurée par la distance verticale des niveaux M et N (tîg. 523) du mercure dans un baromètre ordinaire A et dans un y;^ 523.

baromètre B renfermant une goutte liquide.

Supposons le baromètre humide disposé sur une cuvette profonde (320) et abaissons-le. Si, à la place du liquide et de sa vapeur, il y avait de l'air dans la chambre barométrique, ce serait une manière de le comprimer, et on verrait la pression augmenter k mesure que le volume diminuerait. Dans le cas actuel, le mercure reste au même niveau, donc la pression ne change pas ; mais la goutte liquide qui recouvre te mercure grossit, indiquant par là qu'une partie de la vapeur repasse h l'état liquide. Par conséquent, cette vapeur ne peut être comprimée au contact de son liquide; la tension qu'elle a atteinte au début ne peut être dépassée; on l'appelle tension maxima. L'espace que cette vapeur occupe ne peut être réduit sans qu'une partie se condense; il ne peut donc recevoir, par unité de volume, une quantité plus grande de vapeur; on dit qu'il est saturé, et la vapeur est dite mlurante.

Soulevons, au contraire, le tube; le mercure restera encore au même niveau tant qu'une goutte de liquide subsistera; mais cette goutte diminuera peu & peu, montrant qu'une nouvelle portion du

liquide se vaporise, afin de maintenir saturé un espace qui va grandissant.

Supposons enfin qu'il y ait assez peu de liquide pour qu'on puisse, en soulevant le tube, le faire disparaître entièrement, et continuons d'augmenter le volume de la vapeur; nous verrons le niveau du mercure s'élever et la pression diminuer à peu près conformément à la loi de Mariotte. Ainsi, dans cet espace non saturé, où la vapeur n'a plus le contact de son liquide, la vapeur se comporte comme un gaz ordinaire.

En recommençant l'expérience à une autre température, on trouverait une tension maxima différente et d'autant plus grande que la température serait plus élevée.

Enfin, en faisant l'expérience avec divers liquides, on trouverait, à la même température, des tensions maxima différentes. Il y a donc lieu d'étudier chaque liquide en particulier, et, pour chaque liquide, la relation qui lie la tension maxima à la température.

754. Principe de i^'att. — Quand une vapeur en contact avec son liquide remplit un espace dont les divers points sont à des températures différentes^ il ne peut y avoir équilibre que si la pression est partout égale à la tension maxima correspondant à la température la plus basse. En effet, il ne peut y avoir équilibre que si la pression est la même partout; or, elle ne peut être nulle part supérieure à la tension maxima; elle sera donc égale à la tension maxima qui correspond à la température la plus basse.

Si du liquide se trouve dans les parties les plus chaudes, il se vaporisera, la vapeur tendant à acquérir la tension maxima qui correspond à la température élevée du liquide ; mais, dans la partie froide, où la tension maxima est plus faible, la vapeur se condensera; il y aura donc distillation des parties chaudes vers les parties froides jusqu'à ce qu'il n'y ait plus de liquide dans les premières. Pour montrer cela par une expérience, on introduit de l'éther dans un tube de Torricelli dont l'extrémité est recourbée, puis on entoure d'un mélange réfrigérant la partie recourbée; immédiatement, le mercure s'élève, indiquant par là la diminution de pression ; en même temps, l'éther se vaporise rapidement, le plus souvent, même, se met à bouillir, et finit par disparaître de la grande branche pour se rassembler dans la branche refroidie.

755. Évaporation dans une atmosphère limitée. — En présence d'un gaz, l'évàporation d'un liquide est plus lente que dans le vide, et d'autant plus lente que la pression du gaz est plus grande. Une expérience de Fontana consiste à chauffer à la même température deux cornues contenant de l'alcool et communiquant chacune avec un ballon refroidi; dans l'un des appareils on a d'abord fait le vide,

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lî

alors qu'on a laissé de Tair dans Tautre ; Talcool distille rapidement dans le premier et le ballon correspondant est déjà presque rempli, qu'il n'y a encore que quelques gouttes de liquide dans l'autre.

Tandis que la vaporisation du mercure est à peine sensible dans les conditions ordinaires, on observe fréquemment des gouttelettes de mercure condensées à la partie supérieure des tubes barométriques. Des fragments de soufre peuvent, dans le vide, agir chimiquement, à distance, sur des parcelles de cuivre avec lesquelles la vapeur se combine. Enfin, c'est en opérant dans le vide que M. Demarçay a pu mettre en évidence la vaporisation des métaux à une température bien inférieure à leur point de fusion (752).

La présence d'un gaz est donc un obstacle à la vaporisation.

756. Loi de Dalton : La vapeur qui se dégage d'un liquide dans une atmosphère limitée acquiert^ après un temps plus ou moins long, Une tension égale à celle qu'elle eût acquise dans le vide à la même température.

Dalton démontrait cette proposition en introduisant une petite quantité de liquide dans un récipient clos et mesurant l'augmentation de pression qui en résultait; cette augmentation de pression est la même, qu'on ait d'abord fait le vide dans le récipient ou qu'on y ait laissé de l'air.

Gay-Lussac a imaginé dans le même but l'appareil suivant. Un large tube de verre cylindrique et vertical, AB (fig. 524), porte à chacune de ses extrémités une garniture métalliquei à robinet, C et DJ Par sa partie inférieure, il communique avec un tube plus étroit, EF, ouvert par le haut. Le tout étant plein de mercure, on commence par introduire dans l'appareil le gaz sur lequel on veut expérimenter; ce gaz est emmagasiné dans un ballon à robinet. H, qui se visse au-dessus du robinet C; on ouvre H, C et D; du mercure sort de l'appareil et est remplacé à la partie supérieure de AB par du gaz. Ayant refermé tous les robinets, on note les niveaux du mercure en AB et en EF. Généralement, on se contente de faire l'expérience avec l'air et, pour cela, on laisse simplement écouler .un peu de mercure, le robinet C étant ouvert; dans le tube FE, le liquide descend alors en ;?, au même niveau qu'en AB. On remplace après

Fig. 524.

cela le ballon H par un robinet G dont la clé n'est pas percée de part en part, mais porte seulement une cavité qu'on peut tourner soit vers le bas, ce qui la fait communiquer avec le tube AB, soit vers le haut, où elle se remplit du liquide qu'on a versé au-dessus, dans un petit entonnoir. En passant successivement d'une position à Tautre, on introduit dans l'appareil une quantité de liquide suffisante pour saturer l'espace où il se vaporise. Le mercure baisse d'un côté pour monter de l'autre; quand il est stationnaire, on en ajoute en F pour ramener le niveau en mn : de cette façon, le gaz, ayant repris son premier volume, a aussi repris, si la loi du mélange des gaz est applicable, la même pression; la dénivellation pq représente la tension acquise par la vapeur; on trouve cette tension identique à celle qu'on a déterminée dans le tube de Torricelli, en l'absence de toute atmosphère gazeuse. Nous verrons plus loin dans quelles limites de précision cette identité se vérifie.*

757. Évaporatlon dans une atmosphère iUImitée. — Supposons une masse d'eau exposée à un air calme : à la surface, il se forme de la vapeur qui tend à acquérir la tension maxima correspondant à la température du liquide ; mais incessamment, cette vapeur se diffuse dans l'air ambiant, qui n'est jamais saturé, et, au bout de quelque temps, il s'établit un régime uniforme dans lequel les couches d'air qui environnent lé liquide sont d'autant moins saturées qu'elles sonf plus éloignées de la surface d'évaporation, chacune d'elles étant traversée dans l'unité de temps par la même quantité de vapeur; l'évaporation continue ainsi tant que le liquide n'a pas entièrement disparu.

La vitesse d'évaporation^ qui peut se mesurer par le poids de liquide vaporisé dans Vunité de temps, P, doit être proportionnelle à la surface S d'évaporation.

Elle est sensiblement proportionnelle à la différence entre la force élastique f de la vapeur répandue uniformément dans l'air et la force élastique maxima F' qu'elle aurait si l'air était saturé à la température du liquide.

Dalton vérifia ces deux lois entre 0° et le point d'ébullition des liquides qu'il employait. Il trouva aussi que la vitesse d'évaporation variait en raison inverse de la pression atmosphérique H, de sorte qu'on peut écrire