IV. — MESURE DE LA CHALEUR LATENTE DE VAPORISATION

793. Chaleur latente de Taporisatloiu — De nombreuses observations (758, 766 et 767) nous ont montré que tout corps, en se vaporisant, absorbe de la chaleur uniquement employée à produire, non une variation de température, mais un changement d'état physique.

On appelle chaleur latente de vaporisation d'un corps la quantité de chaleur nécessaire pour en transformer un kilogramme en vapeur saturante sans variation de température ni de pression.

On appelle chaleur totale de vaporisation la quantité de chaleur nécessaire pour transformer un kilogramme d'un corps pris à 0** en vapeur saturante à une température déterminée.

794. Chaleur latente de la vapeur d'eau. — Expériences de Despretz. — Un grand nombre de physiciens se sont occupés de déterminer la chaleur latente de la vapeur d'eau. La méthode la plus généralement employée est la méthode des mélanges dont voici le principe : soit p un poids connu de vapeur saturante à la température T; supposons qu'on la dirige dans un calorimètre de poids P et de température t\ elle s'y condense en élevant sa température de f à 6; or, en se liquéfiant à T^, elle dégaçe une quantité de chaleur p/, l désignant sa chaleur latente, puis, en se refroidissant à ô°, elle dégage encore pc(T — 6) calories, c désignant la chaleur spécifique du

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liquide. S'il c'y a pas d'échange de chaleur avec le milieu ambiant, on a doDc

pi + pc(T ~i)^ P(B - ()■

Dans un appareil employé d'abord par Rumford, puis par Des-

preU, l'eau est vaporisée dans une cornue de verre A (fig, 530) dont le col AB est incliné de manière que l'eau liquide, entraînée par la vapeur ou condensée sur les parois, retombe dans la cornue; ce col est d'ailleurs entouré de drap ou d'étoupes pour éviter une perte de chaleur trop considérable; il communique avec un serpentin aboutissant h une boite métallique C; le serpentin et ta botte sont placés tous deux à l'intérieur d'un calorimètre D muni d'un agitateur F et séparé de la cornue par un écran H. La boite porte un tube E par lequel on peut faire le vide pour opérer sous des pressions diverses, mais Despretz ne s'en servit pas et ne fit d'expériences que sous la pression atmosphérique; un robinet 1t placé à la partie inférieure permet d'extraire l'eau condensée et de déterminer son poids p.

793. Causes tf erreur. — RegnauH reprit la question en cherchant à éviter toutes les causes d'erreur que comporte l'expérience. Ce sont :

r Le rayonnement et le contact de l'air (il n'en était pas tenu .compte dans les expériences de Despretz);

. 2° La chaleur que le tuyau qui amène la vapeur apporte par conductibilité au calorimètre;

3® La condensation en dehors du calorimètre d'une petite quantité d'eau qui tombe ensuite dans le serpentin ;

¥ La présence de particules liquides entraînées par la vapeur; si, en effet, on fait Texpérience avec de Teau salée, on trouve du sel dans le calorimètre ;

5^ Le défaut d'équilibre, à la fin de Texpérience, entre la température du calorimètre et celle de Teau condensée ;

6*^ La détente de la vapeur, quand on ne prend pas la précaution d'avoir une pression uniforme dans toutes les parties de l'appareil

Il est facile de modifier l'appareil de Despretz de manière à éviter les principales de ces causes d'erreur, la i''*, la 2* et la 4®. A cet effet, on fait sortir la vapeur de la cornue par un tube pénétrant dans le col ; le col protège ce tube contre le refroidissement et les gouttelettes entraînées s'y déposent en majeure partie. De plus, entre la cornue et le serpentin, on place un robinet à trois voies qu'on tourne d'abord de manière à envoyer la vapeur au dehors; après avoir observé la marche du thermomètre du calorimètre pendant quelques minutes, on envoie la vapeur dans le serpentin ; puis, à la fin de l'expérience, on fait une observation semblable qui permet, avec la première, de faire les corrections de conductibilité et de rayonnement (725).

796. Appareil de Regnault, — Regnault se proposa, non seulement d'écarter les causes d'erreur qui viennent d'être signalées, mais encore d'opérer sur de grandes masses et dans des conditions de pression très diverses, ce qu'avaient négligé de faire ses devanciers.

L'eau est vaporisée dans une chaudière dont la température est donnée par deux thermomètres à mercure et un thermomètre à air. La vapeur s'échappe par un tube métallique enroulé plusieurs fois sur lui-même à l'intérieur de la chaudière, afin que les gouttelettes entraînées s'y déposent ou s'y vaporisent. A l'extérieur de la chaudière, ce tube est entouré d'un manchon de vapeur entretenu par la chaudière elle-même.

Il aboutit à un robinet distributeur A (fîg. 551) dont les figures 552 et 553 donnent le détail. Il se compose d'une sorte de boite communiquant d'une façon permanente, par le tube M, avec un condenseur F. La vapeur, arrivant dans cette boîte par le tube KL qui vient de la chaudière, pénètre sous une cloche N présentant un orifice 0 qui peut être tourné vers l'un ou l'autre des tubes P, P', qui aboutissent chacun à un calorimètre C ou C.

Dans chacun de ces calorimètres, muni d'un thermomètre et d'un agitateur, la vapeur est reçue dans un récipient formé de deux sphères superposées et d'un serpentin; l'eau de condensation se

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rassemble dans la sphère inférieure et peut en être extraite à Taide d'un robinet R ou R'.

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Fig. 551.

Le condensedir et chacun des calorimètres communiquent avec un grand réservoir à air E, où règne une pression à peu près constante

GHALEUB

pe&dant toute la durée de Texpérience. Cette pression, dans le cours des expériences, varia de 171"" à 14 atmosphères. Elle était mesurée à Taide du grand manomètre à air libre H, qui avait servi dans les expériences sur la loi de Mariotte.

Le réservoir G, qu'on remarque encore sur la figure, est un réservoir exactement jaugé servant à alimenter les calorimètres.

Fig. 552.

Fig. 553.

797. Marche dune expéiHence. — On commence, en faisant communiquer la chaudière avec le condenseur seulement, par régler le feu de manière que la distillation se fasse régulièrement. Après avoir observé pendant cinq minutes la marche des thermomètres des deux calorimètres, on envoie la vapeur dans le calorimètre C et on observe sa température de minute en minute, ainsi que la température de C. Quand on juge suffisant le poids d'eau condensée, on ferme le robinet, on observe pendant cinq minutes les thermomètres, puis on recommence en intervertissant les rôles des deux calorimètres.

L'eau, recueillie immédiatement après sa condensation, est à une température supérieure de i" environ à celle du calorimètre ; on en tient compte dans le calcul de Texpérience.

Le calcul des échanges de chaleur avec le milieu ambiant se fait, à Faide des observations initiale et finale des thermomètres, par la méthode exposée aux numéros 705 et 725. L'observation, pendant Texpérience, de la température du calorimètre qui ne reçoit pas de vapeur, permet d'évaluer la variation du coefficient de refroidissement m, dans le cas otx ce coefficient ne resterait pas constant par suite de variations dans les conditions extérieures.

Pour les pressions supérieures à la pression atmosphérique, les expériences marchent très régulièrement; on prend comme pression la moyenne des pressions initiale et finale, tpujours très peu différentes l'une de l'autre.

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Au-dessous de la .pression atmosphérique, rébullition est irrégulière et il y a toujours une différence de pression entre la yapeur de la chaudière et Tatmosphère artificielle.

798. JExpériences à de très basses pressions. — Pour des pressions de quelques millimètres, Regnault employa une méthode inverse : une petite quantité d'eau parfaitement pesée était placée, dans un vase en cuivre mince, au milieu d'un calorimètre; on faisait communiquer ce vase avec une capacité vide et entourée d'un mélange réfrigérant; la distillation commençait immédiatement, la température du calorimètre descendait, puis devenait brusquement' stationnaire, quand tout s'était vaporisé.

799. Résultats. — Les résultats obtenus par Regnault sont exactement représentés par la formule empirique suivante, qui donne la chaleur totale de vaporisation (793) pour la température t,

Pour avoir la chaleur latente de vaporisation, il faut retrancher de la chaleur totale la chaleur nécessaire pour élever un kilogramme d'eau de O*" à t^^ ce qui donne

Les coefficients ô et c étant très petits (716), cette formule donne approximativement

La chaleur latente diminue donc quand la température s'élève.

800. Chaleur latente de irapeurs diverses. — Despretz a déterminé

les chaleurs latentes de vaporisation de Téther, de l'alcool et de l'essence de térébenthine.

Favre et Silbermann ont fait de nombreuses expériences en condensant la vapeur sur laquelle ils opéraient dans le moufle de leur calorimètre k mercure.

Regnault a appliqué à divers liquides la méthode dont il a fait usage pour l'eau, mais en employant un appareil plus petit; des expériences faites sur le même liquide à diverses températures peuvent se résumer par une formule à trois termes

/ = a + 6f + ctK

M. Berthelot se sert, pour déterminer les chaleurs de vaporisation, d'un appareil tout en verre dont la disposition évite les deux inconvénients suivants :

1* Condensation de la vapeur avant son arrivée dans le calorimètre ;

â« Ëchauffement de celui-ci par conductibilité métallique.

Le liquide est renfermé dans une sorte de ballon, dans lequel on le porte k rébullition à Taide d'une rampe à gaz placée juste audessous. La vapeur se rend, par un tube qui traverse le fond du ballon, dans un serpentin en verre renfermé dans un calorimètre (fig. 500). Le liquide condensé se rassemble à la partie inférieure et on détermine son poids en pesant le serpentin à la fin de Texpérience. Un écran sert à préserver le calorimètre contre le rayonnement de la rampe à gaz.

La chaleur latente de quelques gaz liquéfiés a été étudiée aux températures voisines de la température ordinaire par M. Mathias. La méthode suivie est une modification heureuse de celle qu'employait Regnault pour les très basses pressions (798) : dans Texpérience de Regnault, la température de vaporisation varie comme celle du calorimètre, ce qui ne permet pas d'avoir immédiatement la chaleur latente correspondant à une température déterminée; M. Mathias maintient la température du calorimètre constante en y versant goutte à goutte de Tacide sulfurique dont Técoulement est convenablement réglé; l'absorption de chaleur par la vaporisation est ainsi exactement compensée par le dégagement qui résulte de la dilution de Tacide sulfurique et qu'une étude préalable de ce phénomène fait connaître exactement.

801. En étudiant ainsi la chaleur de vaporisation de l'anhydride carbonique liquide jusqu'au voisinage du point critique, M. Mathias a obtenu les résultats que résume la figure 554, où les abscisses représentent les températures, et les ordonnées les chaleurs latentes correspondantes.

L'allure du phénomène montre d'une façon évidente que la chaleur latente devient nulle au point critique, ce qui est certainement un fait général. La formule de Regnault pour là vapeur d'eau indique un décroissement linéaire de la chaleur latente et donnerait / = 0 pour t = 873** environ ; mais cette formule n'a été établie que pour des températures inférieures à 195"* et ne saurait suggérer aucune conclusion certaine pour des températures notablement supérieures; la diminution de la chaleur latente, d'abord sensiblement proportionnelle à la variation de température, doit, aux températures élevées, devenir de plus en plus rapide, comme pour l'anhydride carbonique, et annuler le phénomène non à 873**, mais au point critique, 365**.

802. Chaleur spécifique des Tapeurs. — Pour déterminer la chaleur spécifique d'une vapeur, on la dirige d'abord dans un réchaufFeur où elle est portée à une température T'- supérieure à la température T de la chaudière qui la fournil, puis on la condense dans un calori-

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mètre. Si t et 6 désignent les températures initiale et finale du calorimètre, c et c' les chaleurs spécifiques de la vapeur et du liquide, on a

pc (T' — T) + pZ + pc' (T — 6) = P (e — t).

On détermine / par une expérience dans laquelle la vapeur n'est pas surchauffée. RegnauU a déterminé, par cette méthode, la chaleur spécifique de la vapeur d'eau et de quelques autres vapeurs.

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Fig. 554.

La chaleur latente / étant, en général, très grande à côté de la chaleur spécifique c, le premier terme ne représente qu'une fraction du premier membre et la moindre erreur sur ^ ou 0 produit une erreur notable sur c. M. Eilhard Wiedemann évite cet inconvénient en faisant passer la vapeur surchauffée dans un petit calorimètre dont la température initiale est supérieure à la température de condensation de la vapeur ; ses résultats sont d'ailleurs d'accord avec «eux de RegnauU.