ÉLASTICITÉ

atmosphères.

degrés centigrades.

IOO°

i ia,2

iai,4

aoo , 48

ao3,6o

ai7,a

Formules 3<>4. On a cherché à lier la force élastique j de la vaempiriques. , , , ,

peur d eau, et sa température x, par plusieurs formules

empiriques-, celles de la forme y = (a -f- &r)c sont les

plus commodes dans la pratique. MM. Dulong et Arago

ont proposé celle-ci : y = (i -f- 0,7 1 53 .r )s -, x étant pris à partir de ioo°, en plus ou en moins, et exprime' en prenant pour unité de température l'intervalle de o° à ioo°-, y étant exprimé en atmosphères de om,j6 chacune. Le seul coefficient numérique que contient cette expression , a été déterminé au moyen de l'observation extrême de vingtquatre atmosphères, pour 2a4#,a centigrades. Cette formule représente mieux que toute autre les observations de la table précédente au-dessus de quatre atmusphères ; au-dessous il est préférable d employer une formule de Tredgold delaforraej=(tf+kr)6, et qui, résolue par rapport à x,

donne x = 85 y y — ?5 -, x étant exprimé en degrés centigrades a partir de o°, et y en centimètres de mercure. Au moyen de leur formule , MM. Dulong et Arago ont étendu leur table jusqu'à 5o atmosphères , point auquel il est à présumer qu'elle pourrait cesser d'être exacte.

3o5. U résulte évidemment de la table et des formules ï.*»i

, . , . 1 . • 1 1 j» empirique de

empiriques qui précèdent, que la tension de Ja vapeur a eau halmn.

croit dans une plus grande proportion que la température. Ce résultat général paraît applicable aux forces élastiques des vapeurs de tous les liquides , autant qu'on en peut juger par les expériences incomplètes ou peu étendues, faites jusqu'ici pour étudier les vapeurs du mercure , de l'alcool , de l'éthcr. Dalton avait cru reconnaître une loi qui établirait une relation fort simple entre les tensions des vapeurs de différents liquides. Elle consisterait en ce que pour un même nombre de degrés, au-dessus ou au-dessous du degré d'ébullition de chaque liquide , les forces élastiques de leurs vapeurs seraient les mêmes pour tous. Ainsi le mercure bouillant à 35o% l'eau à ioo°, l'alcool à 78% l'éther à 36%

les forces élastiques des vapeurs du mercure à (35o dbx)*, L 28

de l'eau à (loodrar)0, de l'alcool à (j&lzx); del'éthera (36±:x)% seraient toutes égales entre elles. Mais Da] ton a depuis reconnu lui-même l'inexactitude de cette loi j néanmoins cette relation, considérée comme une première approximation , peut être utilisée dans certaines circonstances -, il faudra se rappeler alors qu'elle ne se vérifie pas pour des températures qui diffèrent beaucoup de celles de rébullition des liquides.

Formation de la vapeur dans un espace limité. — Phénomène de l'ébullition. — Marmite de Papin. — Condenseur de Watt.— Propriétés générales des vapeurs. — Mélanges des gaz et des vapeurs. — Échauffcment d'un liquide à Pair libre. — Correction du point fixe de Tébullition de l'eau. — Problème sur les vapeurs. — Manomètre de Bcrthollet.

1 ormatton

3o6. Lorsqu'on fait passer un liquide daus le vide ba- p( rométrique de l'appareil de Dalton, la vapeur s 'y déve- ddet £

loppe instantanément. Si le tube qui sert à faire cette ex- baroi»etripérience, et la cuvette qui le reçoit, ont des dimensions convenables, on observe qu'en soulevant ou abaissant rapidement le tube, ce qui tend à augmenter ou à diminuer la chambre barométrique , le niveau du mercure reste toujours à la même hauteur au-dessus de celui de la cuvette. La force élastique reste donc constante , et comme la température est maintenue stationnaire par le liquide du manchon , on doit en conclure que la vapeur conserve la même densité , et que sa masse augmente ou diminue proportionnellement à l'espace qui lui est offert. La vitesse avec laquelle la vapeur se forme dans ce genre d'expérience est très grande et inconnue.

Si le manchon est élevé successivement à différentes températures, la force élastique observée change de l'une à l'autre, mais reste encore constante pour chacune d'elles» quand on augmente ou diminue l'espace que peut occuper la vapeur , pourvu que le liquide qui la fournit reste toujours en excès. Ces faits démontrent que la tension, et par suite la densité de la vapeur qui se forme dans le vide , ne dépendent que de ia température. Ce quicaractérise principalement l'ébullition d'un liquide , c'est l'égalité entre la pression extérieure et la force élastique de la vapear qui se forme \ quant à l'apparition des bulles, elle o accompagne pas toujours la formation libre de la vapeur. Ainsi dans l'expérience précédente, lorsqu'on soulève le tube barométrique , la vapeur qui se forme a précisément une tension égale à celle de la vapeur préexistante , et cependant on n'observe pas le phénomène apparent de l'ébullition. Cela tient à ce que, l'espace étant limité et très petit, la vapeur s'y développe dans un temps très court et inappréciable.

d« TTApwr 3o7' En effet' 4uand J'espace offert à la vapeur est aidant dcGni, le phénomène de l'apparition des bulles a toujours

un espace * ri '

indéfini heu, a moins que par certaines circonstances la vapeur ne se forme plutôt à la surface du liquide qu'en d'autres poinU de sa masse. Si l'on place un vsfis contenant de l'eau sous le récipient de la machine pneumatique, on soutire a chaque coup de piston une portion de la vapeur qui remplissait le récipient, ce qui produit le même effet qu'un espace indéfini au-dessus du liquide à vaporiser. Aussi observe-t-on une ébullition très vive lorsque le jeu de la machine a suffisamment diminué la pression intérieure, quelle que soit do°laTalp^ur bailleur» ^ température du liquide. * dans 3o8. Si l'on s'oppose au contraire à la sortie de la vapeur

un espace 1 1 *

limité.

en plaçant le liquide dans un vase limité et fermé de toute part, lors raéine qu'on élève la température on ne détermine pas d'ébullition apparente. La vapeur augmente cependant en masse , car sa tension et sa densité doivent croître avec la température *, une éprouvette convenable , placée dans l'espace fermé , indique en effet un accroissement de tension. M. Cagniard-Latour a observé que dans ces circonstances, l'eau, l'éther et d'autres liquides finissent par se gazéifier en totalité à une certaine température très élevée , c'est-à-dire qu'ils passent alors instantanément de l'état liquide à l'état gazeux, sans que leur volume augmente dans une grande proportion. Par exemple, si l'on expose à une très baute température un fort tube de verre contenant un quart de son volume d'eau, et que l'on a fermé à la lampe quand le liquide était en ébullition, on voit à une certaine époque la masse liquide disparaître tout-à-coup , et occuper ainsi , à l'état de vapeur , un espace seulement quatre fois plus grand que son volume à l'état liquide.

Pour faire ce genre d'expérience de manière à évaluer là tension de la vapeur, M. Cagniard-Latour s'est servi d'un Fie. jGi . tube recourbé , semblable au baromètre à siphon , mais beaucoup plus épais. La longue branche fermée , ayant seulement un millimètre de diamètre , renferme de L'air et sert de manomètre. La plus courte , beaucoup plus large , a 45 millimètres de diamètre -, elle contient du mercure et le liquide qu il s'agit d'éprouver -, on la ferme à la lampe au moment où le liquide est en ébullition. Quand il s'agit de l'éther ou de l'alcool, on peut plonger l'appareil dans un bain d'huile placé sur un foyer , et dont la température est indiquée par un thermomètre convenable. i

M. Cagniard a trouvé de cette manière que Téther sut-

438 cocms DE PHYSIQUE.

furique se réduit totalement en vapeur à 200° , dans un espace moindre que le double de son volume liquide , et que la tension de cette vapeur est d'environ 38 atmosphères. A ?59°, l'alcool se vaporise totalement sous un volume triple de celui correspondant à l'état liquide, et exerce alors une pression de 1 19 atmosphères. Le bain d'huile ne peut s'échauffer assez pour produire le même phénomène sur l'eau \ il faut porter la température de l'appareil jusqu'à celle de la fusion du zinc ; mais le tube recourbé s'étant toujours brisé dans cette circonstance , on n'a pu évaluer la tension correspondante* Ces expériences confirment une conséquence déduite des tables et des lois empiriques de la leçon précédente , savoir, que la tension et la densité des vapeurs augmentent beaucoup plus rapidement que leur température.

Marmite Considérons toujours le cas d'un vase fermé, con-

do Papin. tenant un liquide et sa vapeur. Si la température de ce vase est supérieure à celle de l'ébullition à l'air libre du liquide éprouvé , la tension de la vapeur intérieure surpassera la pression de l'atmosphère -, en sorte que si Ton rend libre une ouverture pratiquée dans la paroi , la vapeur s'échappant avec force , le liquide pourra manifester les signes ordinaires de Fébullition. Ces phénomènes peuvent être observés au moyen de l'appareil appelé marmite de Kic 1G3 Papin« C'est un vase cylindrique de bronze fort épais -, lorsqu'il est rempli d'eau , on le recouvre d'une feuille de carton imprégnée d'huile , sur laquelle on presse fortement le couvercle , à l'aide d'une vis mobile dans un écrou de fer lié invariablement à l'appareil -, par cette disposition les joints se trouvent hermétiquement fermés. Une petite ouverture, pratiquée dans la partie supérieure de l'appareil,

DIX-HBUVIÈME LEÇON. 4^9

est bouchée par une soupape, qu'un levier chargé de poids convenables presse contre cette ouverture.

Lorsqu'on échauffe cet appareil fermé , le liquide intérieur passe à des températures de plus en plus élevées. La vapeur qu'il forme ou qu'il tend à former acquiert des tensions de plus en plus grandes, qui s'exercent sur les parois du vase, et qui (iniraient par le briser sans la présence de la soupape. Celle-ci, à une certaine époque, est pressée de dedans en dehors avec une intensité égale à sa charge -, elle s ouvre alors , et donne issue à la vapeur qui ne peut plus acquérir une force élastique supérieure à celle nécessaire pour produire cet effet. La charge de la soupape étant arbitraire , ou en dispose pour limiter la tension finale de la vapeur, et par suite la température maxima de l'appareil; on peut ainsi éviter sa rupture , et c'est par cette raison qu'on donne au mécanisme dout il s'agit le nom de soupape de sûreté. Lorsque la marmite de Papin est convenablement échauffée , et qu on enlève la soupape, la vapeur s'échappe avec sifflement-, la température baisse jusqu'à ioo°, et le phénomène se réduit à celui de l'ébullition ordinaire de l'eau.

3 10. Au lieu de donner issue, à la vapeur qui s est for- Cde Wau" mée dans la partie supérieure d'un vase contenant un liquide suffisamment échauffé , par un orifice que Ton rend libre comme dans l'appareil précédent, on peut faire naître le phénomène de l'ébullition en mettant un corps froid en contact avec la paroi supérieure, qui reste alors hermétiquement fermée. On peut se servir à cet effet d'un matras de verre à moitié plein d'eau que l'on échauffe -, quand le liquide est en pleine ébullition , on retire le matras du foyer pour le boucher hermétiquement et le renverser ensuite

44o COURS DE PHYSIQUE.

Lorsqu'il est maintenu dans cette position, toute apparence Fie. i63. d'ébullition cesse , mais le contact d'un morceau de glace , ou simplement de l'eau froide projetée sur le fond du vase, détermine la formation des bulles dans la masse liquide intérieure. L'explication de ce phénomène est facile à trouver : la vapeur en contact avec la paroi se refroidit , s'y liquéfie en partie, et la tension restante ayant diminué , le liquide peut alors fournir de nouvelle vapeur.

Ce fait sert de base à la théorie du condenseur de Watt ; il peut être ainsi généralisé. Lorsqu'un espace fermé contient un liquide et sa vapeur à la température T, et en outre un corps , ou simplement une surface entretenue à une température t moindre que T, la vapeur se liquéfie sur la surface froide, jusqu'à ce que tout le liquide chaud se soit gazéifié. Quand l'équilibre est rétabli , et le liquide précipité vers la paroi froide à la température t , la vapeur qui remplit l'espace fermé ne possède plus que la force élastique correspondante à cette dernière température.

D'après ce principe , supposons que l'espace fermé soit lie 1C4. partagé en trois parties , l'une À contenant l'eau chaude , l'autre B la vapeur , la troisième C le réfrigérant , et que des robinets R et R' permettent d'interrompre ou d'établir les communications entre la seconde partie et les deux autres. Quand R sera ouvert et R' fermé , B se remplira de vapeur à la température T*, si l'on ferme au contraire R et qu'on ouvre R', une partie de la vapeur de B se liquéfiera , et elle n'aura plus, lors de l'équilibre, que la tension correspondante à la température du réfrigérant. Cet appareil composé existe dans toute machine à vapeur : la chaudière est la capacité A , le cylindre l'espace B , et le condenseur le réfrigérant C. Le cylindre contient un piston , que la dif-

fércnce des tensions de la vapeur, correspondante aux deux états d'équilibre , détermine à se mouvoir tantôt dans un sens tantôt dans l'autre.

Dans la machine à vapeur de Watt dite à simple effet , Ja tige du piston est fixée par une articulation à une extrémité F,cd'un balancier, qui porte à l'autre bout un contre-poids convenable. Lorsque le cylindre communique avec la chaudière , la vapeur qui le remplit a une force élastique égale à la pression de l'atmosphère, qui équivaut à environ o™,y6 de mercure. Le piston est alors autant pressé par-dessous qu'en-dessus, et le contre-poids agit pour le soulever. Quand il est au plus haut de sa course , la communication R avec la chaudière se ferme -, celle R' avec le condenseur s'ouvre en même temps. La vapeur du cylindre n'a bientôt plus que la tension correspondante à la température du condenseur, habituellement de 3o°-, cette tension équivaut à quel* ques centimètres de mercure seulement. Le piston est alors pressé plus fortement en-dessus par l'atmosphère ; il cède à cet excès, et s'abaisse en soulevant le contre-poids ou la résistance à vaincre, dont la grandeur doit être telle que cet effet puisse être produit.

Dans la machine à vapeur à double effet, les communications sont doubles , ainsi que les robinets R et R'. Une Fie. 1G6. des parties du cylindre séparées par le piston communique avec la chaudière , tandis que l'autre communique avec le condenseur. Le piston est donc pressé d'un côté avec la tension existant dans la chaudière , et de l'autre avec celle du condenseur -, il marche dans la direction de la plus grande pression. Lorsque sa course est achevée dans un sens , les communications s'établissent dans un ordre inverse, et son mouvement change de direction. La tige du piston traverse

le fond supérieur du cylindre dans une boîte à cuir, pour agir sur une des extrémités du balancier, et le forcer à vaincre les résistances appliquées à son autre extrémité.

Le condenseur est ordinairement une cavité dans laquelle on fait arriver l'eau froide par une pomme d'arrosoir ; c'est Je contact de cette eau avec la vapeur qui détermine la liquéfaction de cette dernière ou sa condensation. Lorsqu'on emploie la vapeur comme force motrice à des températures supérieures à ioo°, ou ayant une force élastique de plusieurs atmosphères, on se contente souvent de mettre en communication avec l'air extérieur la partie du cylindre où la pression doit être la plus faible -, l'air est alors le véritable condenseur -, la machine à vapeur est dite à haute pression. Une soupape chargée de poids convenables , disposée a la partie supérieure de la chaudière, comme dans la marmite de Papin , donne le moyen d'obtenir la vapeur motrice à la tension voulue.

Le fait physique de la condensation de la vapeur est sans contredit la cause fondamentale de l'effet des machines à feu, mais il n'entre que pour une très faible partie dans la description de ce genre de moteur. Pour en donner une théorie complète, il faudrait détailler les nombreux mécanismes qui servent à transformer le mouvement du piston pour produire un effet utile , à ouvrir et fermer les robinets aux instants convenables , à introduire l'eau froide dans le condenseur, à alimenter la chaudière. Ces détails et cette description , qui composeraient seuls un cours fort étendu, ne peuvent trouver place dans celui qui nous occupe. Tensions 3 1 1 . Le fait sur lequel est fondé le condenseur de Watt , McZT est aussi le principe d'un appareil imaginé par M. Gayt0tu5t?" Lussac pour mesurer les tensions des vapeurs, à des tem-

- pératurcs égales ou inférieures à o°. Le lube barométrique ; où l'on introduit le liquide à vaporiser est recourbé à sa Fie. 167. s partie supérieure, et entouré en cet endroit d'un mélange 4 réfrigérant ayant la température à laquelle on veut obser- .j ver. Le liquide se vaporise totalement, pour se liquéfier g et même se congeler sur la partie froide du tube. Lorsque s 1 équilibre existe , la vapeur n'a que la tension correspon- 2 dante à la température du mélange réfrigérant. Un barométre voisin permet d'évaluer la dépression occasionée par 7 cette tension. M. Gay-Lussac a ainsi trouvé que la force M élastique de la vapeur d'eau était de 5 millimètres environ £ à 0% et de 7 de millim. à — -20°.

x 3 1 si. Les faite que nous avons cités suffisent pour faire ^£é£ connaître les propriétés générales des vapeurs. On peut les d« tapeurs.

t résumer ainsi qu'il suit. Lorsqu'un espace, vide de toute autre matière pondérable, renferme toute la vapeur qu'il peut contenir à la température à laquelle il est exposé, on dit que cet espace est saturé de vapeur. Ce fluide possède alors la plus grande tension , et la plus grande densité qu'il puisse avoir a cette température ; il est dit vapeur à saturation, ou vapeur au maximum de tension.

Le volume ne variant pas, la tension et la densité de la vapeur à saturation , en contact avec son liquide , augmentent et diminuent avec la température , mais elles obéissent alors à des lois très différentes de celles que suivent la pression et la densité d'un gaz permanent. Car lorsqu'un même volume de gaz est porté de la température de o° à celle de 1 00 ', sa densité ne change pas , et sa force élastique n'augmente que de 1 à 1,375*, tandis qu'entre les mêmes limites de température , un même volume de vapeur d'eau , par exemple , en contact avec ce liquide , augmente beaucoup

en densité, et acquiert une force élastique plus grande dans le rapport de 5 à 760 millimètres, ou de 1 à i5a.

Si la vapeur n'est plus en contact avec son liquide , qui puisse en augmenter la masse lorsque la température s'élève , sa tension sous le même volume augmente alors avec la température , suivant la même loi que la pression d un gaz placé dans les mêmes circonstances. Si l'espace n'est p»s saturé de vapeur, en sorte qu'elle n'ait pas son maximum de tension , sa force élastique commence à diminuer avec la température , comme celle d'un gaz permanent ; mais cette vapeur, dont la densité ne change pas, finit par saturer l'espace à une certaine température , inférieure à celle d'où l'on est parti : la loi de diminution des tensions change à cette époque , car la vapeur se liquéfie en partie par un nouvel abaissement de température, ou se trouve en contact avec son liquide comme dans les cas précédents.

La température restant constante , et le volume variant, la masse de vapeur à saturation augmente et diminue proportionnellement au volume , si elle est en contact avec son liquide ; sa densité et sa pression ne changent pas , bien différentes en cela d'un gaz permanent, dont la densité et h force élastique varient en raison inverse du volume , pour la même masse et la même température. Si la vapeur existe dans l'espace proposé sans son liquide , sa tension et sa densité diminuent, lorsque le volume augmente , en suivant h loi de Mariotte. Si cette vapeur ne sature pas l'espace , sa tension augmente comme celle d'un gaz , lorsque le volume diminue sans changement de température , jusqu'à ce que ce volume soit assez diminué pour que la quantité de vapeur primitive puisse saturer l'espace réduit-, à partir de cette époque la tension de la vapeur reste constante.

On voit par cet exposé des propriétés générales des vapeurs, en quoi elles différent des gaz permanents. Tant qu'elles ne sont pas en contact avec leur liquide, ou qu'elles n'y sont pas amenées , elles se comportent comme les gaz quand le volume et la température varient. Mais lorsqu'au contraire elles sont en présence de leur liquide, ou qu'elles sont amenées à se liquéfier, les vapeurs suivent des lois particulières, et très différentes de celles des gaz.

3 1 3. Néanmoins il n'y a aucune raison d'établir une dif- identité férence de nature entre les gaz et les vapeurs-, on doit au def\.^urs contraire admettre leur identité. Car les vapeurs répandues dans un espace qu'elles ne saturent pas se conduisent comme les gaz , lors des variations de température et de pression qui ne leur font pas atteindre Tétat de saturation -, et réciproquement les gaz se conduisent comme des vapeurs qui ont des températures plus élevées, ou des densités moindres que celles correspondantes à leur point de saturation. Mais pour vérifier cette identité il fallait liquéfier des gaz regardés comme permanents-, MM. Davy et Faraday ont les premiers obtenu cet important résultai : voici en quoi consiste généralement !e procédé dont ces physiciens ont

fait usage.

Dans un fort tube en verre ABC , recourbé vers son milieu, ou introduit par une ouverture ménagée dans le coude B , un réactif liquide en BA , et des fragments d'un composé solide en BG -, ces deux substances sont telles qu'étant réunies elles agissent chimiquement l'une sur l'autre , et que le dégagement d'un gaz résulte de cette action chimique. Après avoir introduit en outre un petit manomètre à ^ ^ air, on ferme à la lampe l'ouverture B, puis on fait glisser les fragments dans le liquide , et la réaction chimique com-

mence , excitée s'il est nécessaire par réchauffement dr l'extrémité A. Le gaz dégagés accumule dans le tube fermé, et sa force élastique augmente progressivement. Enfin on entoure l'extrémité C d'un bain réfrigérant, et c'est dans cette partie que se dépose le liquide formé par la condensation du gaz. Lorsque ce résultat est obtenu, le fluide élastique que contient le tube doit être considéré comme étant de la vapeur à saturation , appartenant au liquide déposé-, et la tension de cette vapeur, à la température du bain , est indiquée par le manomètre intérieur.

Outre le gaz acide sulfureux, le chlore, Je cyanogène, et le gaz ammoniac , que l'on peut d'ailleurs obtenir liquides sous la pression de l'atmosphère par des refroidissements convenables , plusieurs autres gaz ont été liquéfiés dans l'appareil qui vient d'être décrit. L'hydrogène sulfure s'est liquéfié à — i6°, sous une pression de i4 atmosphères -, à io° la tension de sa vapeur est de 17 atm. Le gai acide hydro-chlorique s'est montré liquide aux températures — 160, — 4°» + sous des pressions respectives de ao, a5, 4<> atm. L'acide carbonique s'est liquéfié à — ii°, et à 0", sous des pressions correspondantes de qo et de 36 atm. Enfin le gaz nitreux a été vu liquide à o*, et à 7% sous des pressions de 44 c* de 5y atm. L'azote, l'oxigène, et l'hydrogène, ont résisté jusqu'ici à toutes les épreuves tentées pour les liquéfier-, mais les résultats qui précèdent sont plus que suffisants pour établir l'identité des gaz et des vapeurs.

M. Thylorier a fait récemment des recherches importantes sur l'acide carbonique liquéfié; il a constaté que la tension de sa vapeur, qui est de 36 atm. à o°, attciut ^3 atm. à 3o° -, des procédés, que nous ne pouvons décrire ici,

lui ont permis d'évaluer la densité singulièrement variable de ce nouveau liquide , laquelle , rapportée à l'eau , serait 0,90 à — 20% 0,83 à o°, 0,60 à 3o*. On doit en outre à M. Thylorier l'invention d'un appareil particulier, destiné à la production de l'acide carbonique liquide , et que nous décrirons plus loin en indiquant ses principales applications.

3 ii. Dalton a démontré que lorsque des vapeurs se mé- Mélanges langent à des gaz, la force élastique du mélange est la somme des vapeurs, des forces élastiques des vapeurs et des gaz composants, chacune d'elles étant rapportée au volume total. C'est en se fondant sur ce principe que M. Gay-Lussac a imaginé un appareil qui sert à vérifier cette loi remarquable , que la force élastique de la vapeur capable de saturer uu certain espace, à une température donnée, est la même , que cet espace soit vide , ou qu'il contienne un ou plusieurs gaz plus ou moins dilatés. Cet appareil se compose d'un large tube en verre , vertical , gradué en parties d'égale capacité , soudé par les deux extrémités dans des boîtes métalliques Fie* 169. munies chacune d'un robinet , et qui communique par le bas avec un peut tube de verre se recourbant verticalement pour aboutir ouvert dans l'atmosphère.

Le grand tube étant plein de mercure , et les robinets fermés , on visse au-dessus de l'appareil un ballon reuversé, dont la tubulure est fermée par un troisième robinet, et qui contient un gaz très sec. On ouvre ensuite les trois robinets i le mercure s'écoule par le bas , et une partie du gaz sec du ballon entre dans le grand tube. Quand la quantité de gaz introduite paraît suffisante , on ferme les communications \ on ramène la pression du fluide intérieur à celle de l'atmosphère en versant du mercure par le petit tube, jusqu'à ce que ce liquide s'élève au même niveau dans les*

448 COOBS DE PHYSIQUE.

deux branches -, on observe alors le volume V occupé par le gaz sec.

Après cette première opération , on enlève le ballon pour visser à sa place une petite cuvette métallique contenant un liquide , et dont le fond est traversé par un cylindre plein et horizontal. Ce cylindre présente une cavité sur sa surface, et peut faire une demi -révolution de manière à présenter cette cavité latérale, tantôt au fond de la cuvette où elle se remplit , tantôt vers le bas pour que la goutte prise tombe dans le grand tube, dont on ouvre le robinet supérieur. On répète plusieurs fois ce double mouvement jusqu'à ce que le gaz , sec d'abord , soit enfin saturé de vapeur-, ce but est atteint quand le niveau du mercure dans le tube étroit cesse de s'élever.

Quand le gaz est saturé de vapeur , son volume s'est augmenté , mais on le ramène à sa première grandeur V eu versant du mercure par le petit tube. Lors de cet état, la différence de hauteur a des niveaux dans les deux branches, mesure évidemment l'augmentation de force élastique due à la formation de la vapeur dans le volume invariable occupé par le gaz, ou la tension de cette vapeur seule. Or si à la température de l'expérience , on introduit quelques gouttes du même liquide dans le vide d'un baromètre, il en résulte une dépression dans la colonne , que Ton trouve précisément égale à a. Ainsi la tension et par suite la densité de la vapeur, qui sature un certain espace à une température donnée , restent les mêmes , que cet espace soit vide ou déjà occupé par un gaz.

Lorsque l'expérience précédente se fait sur Téther, ii arrive souvent que ce liquide dissout le coqis gras dont le robinet supérieur est enduit pour fermer plus exactement,

DIX-NEUVlfeME LEÇON. 449

il en résulte alors une fuite de fluides élastiques , ou l'introduction de l'air extérieur par les joints. Pour éviter cette cause d'erreur, M. Gay-Lussac a modifié son appareil en Fie. 170. supprimant le robinet supérieur -, on le remplit alors de mercure par le bas. On le dispose ensuite dans sa position ordinaire sur une cuve à mercure, pour y faire passer le fluide élastique -, puis on ferme le robinet. On verse dans le tube latéral une petite colonne d'éther -, de là on fait passer ce liquide dans le grand tube , en laissant écouler du mercure par le bas pour diminuer la pression du gaz , en sorte que le niveau dans le petit tube puisse s'abaisser jusqu'au-dessous de son orifice dans le grand. Enfin on remet du mercure parle bout ouvert, et l'expérience s'achève comme avec l'ancien appareil.

Il suit de ces diverses expériences qu'un espace limité en contact avec un liquide, et contenant un gaz, se sature de vapeur comme s'il était vide. Il n'y a d'autre différence que dans la rapidité avec laquelle s'opère cette évapora tion; car elle se fait instantanément dans le vide , tandis que la vapeur emploie un certain temps pour se former dans un lieu déjà occupé par un fluide élastique. La même indépendance existe encore lorsque l'espace proposé renferme plusieurs gaz, et même d'autres vapeurs qui ne puissent agir chimiquement sur celle que l'on éprouve -, cette dernière se développe toujours en même quantité que si l'espace ne contenait aucune autre matière pondérable.

3i5. Il est facile de se rendre compte maintenant de Échaufferéchauffement d'une masse liquide , contenue dans un vase li™^ £la S râir ouvert à l'air libre et placé sur un foyer. Les couches en libre* contact avec les parois s'échauffent et s'élèvent à la surface, ou elles développent de la vapeur qui se mélange à l'air ; 1. 19

45o COURS DE PHYSIQUE..

elles sont remplacées au fond du vase par des couches plus froides qui s'échauffent et s'élèvent pareillement-, de cette manière la température moyenne du liquide va en augmentant. Aucune bulle ne peut apparaître à cette époque , car la tension de la vapeur est encore inférieure à la pression atmosphérique.

Par suite du progrès de réchauffement, les couches inférieures finissent par atteindre une température telle que la teusion de leur vapeur surpasse la pression atmosphérique du poids du liquide qui les surmonte; il se forme alors des bulles de vapeur qui s'élèveut du fond du vase. Mais les couches supérieures ayant encore une température plus basse , les bulles , obligées de les traverser, s'y condensent et disparaissent avant d'atteindre la surface. Ce phénomène produit un frémissement dans la masse liquide , d'où résulte le bruit particulier qui précède toute ébullition. Enfin la chaleur cédée par les bulles précipitées accélère réchauffement-, la température de toutes les parties du liquide atteint bientôt celle où la tension de la vapeur est égale à la pression de l'atmosphère , et les bulles s'élèvent partout jusqu'à la surface -, elles conservent toute la chaleur qu elles ont reçue des parois et qui a déterminé leur formation , en sorte que la température du liquide devient stationnaire. Le phénomène de l'ébullition est alors complet.

Lorsqu'on projette une petite masse d'eau dans une capsule de fer ou de platine , chauffée au rouge-blanc, ou observe un fait singulier, connu depuis long-temps, et dont l'explication est encore fort incomplète. Le liquide se rassemble en une seule goutte qui tourne rapidement sur ellemême, et se vaporise lentement, sans bruit et sans bulle. Si la capsule , retirée du feu , a eu le temps de se refroi-

dir assez pour cesser de paraître lumineuse avant que la £ goutte ait disparu , le phénomène change tout-à-coup d'aspect : à celte température , de 4oo° environ , le liquide s'étendant sur le fond de la capsule se vaporise presque instantanément, et avec un bruit de crépitation. De l'eau contenant en dissolution un acide, un alcali T ou un sel , se comporte de la même manière -, mais alors les vibrations de la goutte la déplacent dans des directions tellement régulières, que son apparence est celle d'une étoile ayant un nombre pair de rayons-, M. Legrand qui a signalé récemment cette dernière circonstance, et les différences qu'elle présente d'une dissolution à l'autre , a constaté que la température de la goutte vibrante est toujours celle de son ébullition.

Voici comment on explique ce curieux phénomène. Tant que le liquide reste en goutte, on admet que l'attraction du métal pour le liquide est transformée , à la haute température de la capsule , en une force répulsive qui s'oppose au contact des deux substances. Dans ces circonstances, Ja goutte reçoit uniquement la chaleur rayonnée à travers la couche d'air ou de vapeur interposée. Or, d'après les expériences de M. Mellonî , ces rayons de chaleur lumineuse doivent traverser la goutte d'autant plus facilement, que la capsule ou leur source est plus incandescente -, c'està-dire que la quantité de chaleur statique absorbée par le liquide est d'autant moindre. On explique ainsi pourquoi la vaporisation de la goutte est plus lente quand le métal est plus échauffé, comme Klaproth l'a constaté. Le mouvement vibratoire est sans doute dû aux réactions exercées , dans des directions variables , par la vapeur qui se forme à la surface du liquide. A mesure que le métal se

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refroidit , la force répulsive diminue, la goutte se rapproche de la source , et absorbe des quantités de chaleur de plus en plus grandes. Enfin, à une certaine température voisine de 4°°% il n y a plus force répulsive, mais attraction; le liquide mouille alors le métal , s'étend en couche mince , reçoit par un grand nombre de points de la chaleur obscure qu'il absorbe en grande proportion , et sa vaporisation ayant lieu sur une grande surface le fait bientôt disparaître. Reurd 3i6. Diverses circonstances peuvent retarder Fébulli- PébaiuUon.0 **on ^ un liquide. M. Gay-Lussac a observé que l'eau bout plus tard , ou à une température uu peu plus haute , dans un vase de verre que dans une enveloppe métallique -, il attribue ce retard à Faction attractive du verre sur le liquide , laquelle s'ajoute à la pression extérieure, et exige que la vapeur ait une plus forte tension pour parvenir à se former. Aussitôt que sa force élastique a acquis un accroissement suffisant pour vaincre cet excès de résistance , une bulle se forme, et le liquide n'étant plus directement en contact avec la paroi, cette bulle augmente rapidement de volume, et soulève en quelque sorte instantanément toute la masse liquide. Cest là l'origine des soubresauts que l'on remarque quand on fait bouillir de l'eau dans un vase de verre , et qui produisent souvent sa rupture. On les évite en projetant au fond du vase des parcelles métalliques *, ou voit alors de petites bulles prendre naissance autour d'elles, et l'ébullition s'opère aussi tranquillement que dans une enveloppe de métal.

En général le degré de l'ébullition d'uu liquide n'éprouve aucun retard de la part des corpuscules solides qu'il tient en suspension. Mais il peut être beaucoup changé par les substances dissoutes dans le liquide , ou combinées chimi-

quemcnt avec sa masse. Par exemple , le degré de l'ébullition de l'eau est retardé de 9 degrés par le sel marin , de i4 par le muriate d'ammoniaque, de 4o par le sous-carbonatc de potasse , quand le liquide est saturé de ces différents sels.

317. C est ici le lieu d'indiquer la correction que nécessite la variation de la pression atmosphérique , lorsque ûtedcTèbui-

1 i t ion

l'on détermine le point fixe de l'ébullition de Peau sur les faVtmu. thermomètres. Dans nos climats la pression barométrique varie de o",73 à ©",78 -, on la suppose de ©",76 lorsqu'on marque la température de ioo°. L'expérience a indiqué qu'une différence dans la hauteur barométrique de 27 millimètres, en plus ou en moins de la pression normale om,76, en apportait une d'un degré dans le même sens sur le point d'ébullition de l'eau. Or on peut supposer, entre les limites extrêmes et peu distantes de la pression atmosphérique , que la différence des températures de l'ébullition est proportionnelle à la différence des hauteurs barométriques \ il suffira donc de diviser la distance comprise sur le thermomètre y entre les points de la glace fondante et de Teau

bouillante, en^i 00 dt ^ parties , si le baromètre indique ,

lors de la détermination du dernier de ces points fixes , une hauteur de ( 76 3z n )

3 18. Wollaston a imaginé de construire un thermomè- Thermomè-

tre bfl*

tre dont le réservoir est très vaste, et qui n'indique sur roméiriqne. toute sa tige que le petit nombre de degrés auxquels l'eau Fie. >?i. peut bouillir dans un climat donné , entre les limites de la pression atmosphérique. Ce thermomètre, appelé barométrique, peut servir à déterminer directement la température de l'ébullition de l'eau, au moment où l'on gradue un

thermomètre, ce qui dispense de faire le calcul précédent. B peut aussi tenir lieu du baromètre , puisque étant plongé dans la vapeur de l'eau bouillante, la température qu'il indiquera pourra donner, par un calcul inverse du précédent , la hauteur barométrique correspondante. Sur ce thermomètre chaque degré occupe 2 ou 3 centimètres, ce qui permet d'observer facilement des centièmes de degré, et rend très exactes les observations faites avec cet instrument. i»robWm<» 319. Au moyen de la loi du mélange des vapeurs et des vâpeutt. gaz > et en disant un usage convenable de la loi de Mariotte, des formules de dilatation, et des forces élastiques des vapeurs, on résout plusieurs problèmes utiles. S'il s'agit, par exemple, de déterminer le volume X que prendra, sous une même pression P, un gaz occupaut sec uu volume V, lorsqu'il pourra se saturer de vapeur à la tem-

pératurc t , on trouvera facilement X = p^jo cn désignant par F la force élastique de la vapeur à t degrés , et remarquant que l'élasticité du gaz seul doit diminuer en raison inverse de l'augmentation du volume total.

Le problème le plus général que Ton puisse se proposer sur les vapeurs et les gaz , peut s'énoncer ainsi : un gaz , toujours en contact avec un liquide , occupe à t° sous la pression P un volume V, on demande quel volume V il occupera à t'° sous la pression P. La solution en est facile, car F et F' étant les forces élastiques des vapeurs du liquide à t et t! degrés, (P— F) et (F— F') représenteront dans les deux états les forces élastiques du gaz seul, et l'ou aura d'après la lui tic Mariotte et le coefficient de dilatation des gaz:

w v - K r • a(iv + 1 ■

Quand le gaz, saturé de vapeur lors du premier état, n'est plus en contact avec le liquide , il peut arriver que la formule prëce'dente soit encore applicable , ou qu'elle cesse de l'être ; il est important de démêler ces cas différents. Soient à cet effet D et D' les densités des vapeurs à saturation pour les températures t et ? \ on peut leur appliquer les formules relatives aux gaz permanents , et l'on aura

Si l'on multiplie cette équation par la précédente , on obtient

yvry pf' — ff'