W *~ P' F - FF

pour le rapport des masses de vapeur VD', VD, saturant les deux volumes V et V aux températures t et t*.

Cette valeur conduit aux conséquences suivantes : i* Si PF' = FF, V D' sera égal à VD , en sorte que , pour passer du premier état au second , le gaz conservera la même quantité de vapeur -, la formule (i) peut donc être appliquée alors, quand même il n'y aurait pas de liquide en excès-, a- Si l'on aPF'<FF, on aura V'D'<VD, le gaz pour passer du premier état au second devra précipiter de la vapeur, d'où il suit que l'excès primitif du liquide sera inutile -, la formule (1) pourra donc toujours être employée dans le cas présent -, 3° Mais si l'on a PF>P'F, on en déduira VD' < VD, et le gaz devrait absorber de la vapeur pour rester saturé -, la formule ( 1) cessera donc d'être vraie s'il n'y a pas en présence un excès de liquide. Dans, cette dernière circonstance, il faudra se servir de la fox-

mole relative aux gaz seuls ou mélangés , qui est

Manomètre 3ao. Si dans un manomètre fermé, rempli d'un gaz Dtïrthollet. connu, et muni duo thermomètre et d'un baromètre in- Fie. 17a. diquant la température et la pression intérieure , on introduit une substance animale ou végétale et de F eau, il peut se faire qu'au bout d'un certain temps il y ait eu absorption ou dégagement de gaz , par suite d'une décomposition de la matière organique. Or pour reconuaître lequel de ces deux effets a été produit , il suffit d'observer la température et la pression intérieure. En effet , soient P la pression et t la température constatées au commencement -, P' et t! celles indiquées à la fin de l'expérience -, enfin F et F les forces élastiques de la vapeur d'eau à t et t* degrés-, s'il n'y avait eu ni absorption ni dégagement de gaz , la pression F de-

vrait être égale à (P — F ) + F' i suivant qu'elle

sera plus grande ou plus petite , il y aura eu dégagement ou absorption. On néglige ici les variatious de la capacité du vase , à cause de la petitesse du coefficient de dilatation du verre , et de la faible différence des températures t et U. L'appareil dont on se sert dans ce genre d'expérience est connu sous le nom de manomètre de Berthoilet.

Densités des vapeurs. — Chaleur latente et chaleur sensible. — Chaleur latente de fusion. — Chaleur latente des vapeurs. — Chaudières à vapeur. — TbeVme des explosions des chaudières . — Chaufla ge à la vapeur. — Appareils évaporatoires.

3 1 1 . On ne peut se servir, pour déterminer la densité des Mesure vapeurs, du procédé que l'on suit pour obtenir la pesanteur ^J^1^. spécifique d'un gaz permanent : car lorsqu'on place une lame de verre dans la vapeur d'eau, la température étant plus que suffisante pour la maintenir à l'état de fluide élastique , il arrive toujours cependant qu'une portion se liquéfie au contact de la lame-, ainsi en faisant arriver de la vapeur d'eau dans un ballon de verre , elle se condenserait en partie sur les parois , et il serait par conséquent impossible d'avoir exactement sa densité. M. Gay-Lussac a résolu la question en la renversant : au lieu de chercher le poids de la vapeur contenue dans un volume donné, il s'est proposé de déterminer au contraire le volume qu'occuperait un poids connu de vapeur.

3aa. Pour cela on renferme le liquide qui doitfournir la ^ pjJ£ë^y vapeur dans une enveloppe très mince , ou une ampoule de verre, qui puisse se briser par l'élévation delà température.

Celle ampoule se compose d'un petit réservoir sphérique terminé par un tube effilé en pointe; on le remplit de liquide, par une opération semblable à celle employée dans la construction du thermomètre à alcool; on ferme ensuite la pointe à la lampe. La différence des poids de l'ampoule pleine et vide donne le poids du liquide qu elle contient, des tâtonnements préliminaires ont dû indiquer les limites entre lesquelles doit être compris ce dernier poids , pour que l'expérience puisse réussir.

On fait passer l'ampoule, pleine et fermée, dans la partie supérieure d'une éprouvette , graduée avec soin et ren- Fic. 173. versée sur un bain de mercure. Ce bain placé au-dessus d'un foyer sert de chaudière ; on entoure Téprouvette d* un manchon de verre où l'on verse de l'eau. Tout le système s'échauffe à la fois -, la vapeur qui se forme , ou plutôt qui tend à se former dans l'ampoule, la brise : il y a alors dépression du mercure dans Téprouvette , et tout le liquide de l'ampoule se gazéifie. On chauffe jusqu'à ce que la vapeur formée ait évidemment une densité moindre que celle maxima , correspondante à la température du bain j ce qui a lieu lorsque la pression supportée par la vapeur est moindre que la tension correspondante à la température observée, et qui est donnée par les tables des forces élastiques.

Lorsque cette condition est remplie, on mesure la température au moyen d'un thermomètre plongé dans l'eau du manchon ; soit t cette température. On observe ensuite le nombre de divisions de l'éprouvette dont la capacité est connue , et qui sont occupées par la vapeur-, on en déduit facilement son volume V exprimé en litres. Il ne reste plus qu'à déterminer la pression qu'elle supporte : cette pression est mesurée par la hauteur barométrique , diminuée de la

VINGTIÈME LEÇON. 45l)

f: différence des niveaux du mercure dans l'éprouvette , et ï dans la chaudière en dehors du manchon.

Pour mesurer cette différence on se sert d'une tige mé- . tallique taillée en vis , maintenue verticale par un cadre qui ; s'appuie sur le bord horizontal de la chaudière, et que cette , tige traverse dans une ouverture taraudée. On abaisse cette f tige en la faisant tourner, jusqu'à ce que sa pointe touche la surface nue du mercure dans la chaudière, ou jusqu'à ce que cette pointe se confonde avec son image. Un disque métallique horizontal , perce en son centre d'un trou taraudé , est mobile comme un écrou sur la partie supérieure de la tige -, on l'élève au niveau du mercure dans Féprouvette. La distance qui le sépare alors de la pointe inférieure est la différence de niveau cherchée j or on peut facilement mesurer cette distance, en transportant tout le système de la tige parallèlement à une règle divisée en millimètres.

On réduit cette longueur à ce qu'elle serait si la température du mercure était o° au lieu de l% et la retranchant de la hauteur du baromètre ramenée aussi à o°, on obtient la pression H supportée par la vapeur. Pour déduire sa densité des nombres £, V, H, il faut remarquer d'abord que le volume V est évalué d'après la capacité de chaque division

de l'éprouvelte correspondante à o°, en sorte que le volume

réel de la vapeur à la température t est V (i k étant

f p le coefficient de dilatation du verre. D après cela, yjjj^fT

sera le poids d'un litre de la vapeur proposée, à la température î et sous la pression H. Il faut maintenant trouver quel serait le poids d'un litre d'air dans les mêmes circonstances. Or un litre d'air à o% sous la pression normale °m>76, pèse i,3; un litre d'air à l° sous la pression H pèsera

46o COURS DE PHYSIQUE.

donc ~ • "c — — • 1 r, 3. Ainsi la densité cherchée, ce) Il

à l'air étant prise pour unité, sera

H ' 267 * H',3.Y(i-t-*0' On trouve de cette manière , pour la densité de la vapeur d'eau o,6a35, pour celle de la vapeur d'alcool 1,61 38. pour celle de l'éther sulfuriquc a, 5 860. Poids^dej'air 323 . On peut admettre sans erreur sensible que la vapeur de Tapeur d'eau pèse les \ seulement du poids de l'air dans les mêmes circonstances de volnme , de température et de pression. Ce résultat permet de déterminer facilement le poids d'un volume V d'air, saturé de vapeur d'eau a la température t et sous la pression H. Soit F la force élastique maxinia de

la vapeur d'eau à t% on aurait i*r,3.V. ^g-^gy^ P0Qr

le poids du volume proposé , s'il n'était rempli que d'air sec -, mais il y a une portion de cet air , laquelle pèserai; F 267

i*r,3.V. j-^g . 2g ^f 1 qui est actuellement remplacée par de la vapeur ne pesant que les } de ce poids -, on aura doœ pour le poids cherché if, 3. V. • ^ o fi ' ^ * 01

bien i*%3. V. v , - .

Si l'air atmosphérique est saturé de vapeur lors de h détermination du poids d'un corps , l'expression précédente donne la correction qu'il faut ajouter à la pesée obtenue, pour en déduire le poids du même corps dans le vide. Mais l'air n'étant presque jamais saturé de vapeur, il faut encore une autre donnée , dans les circonstances ordinaires, pour évaluer exactement la correction du poids.

3*4- Quand Ja vapeur dont on veut mesurer la densité* Procédé est celle d'un liquide qui ne bout qu'à une température de M. Dumas, beaucoup supérieure à ioo% le procédé de M. Gay-Lussac exige que le mancbon contienne une huile fixe. Mais au-delà de aoo° ce liquide se colore, et l'on ne peut plus voir ce qui se passe dans Féprouvette ; il faut alors avoir recours à un autre procédé, imaginé par M. Dumas. L'appareil se Fie. 174. compose d'un ballon de verre, dans lequel on met une certaine quantité de la substance solide ou liquide qui doit former la vapeur-, après en avoir effilé le col à la lampe, ou Je dispose dans un bain d'huile , de mercure , ou d'un alliage fusible si l'on a besoin d'une température très élevée , afin qu'elle soit supérieure à celle de l'ébullition de Ja matière introduite. Cette matière entre alors en ébullition -, sa vapeur chasse l'air, et quand il n'y a plus de liquide en excès, ou que le jet de vapeur cesse d'être aperçu, on ferme l'ouverture à la lampe, et on laisse refroidir le ballon.

La température t du bain est connue. Le baromètre donne la pression atmosphérique H-, V étant le nombre de litres qui représente la capacité du ballon à o* , et qu'un jaugeage préliminaire a fait connaître, cette capacité doit être V (1 -\-kt) à f°-, k étant le coefficient moyen de dilatation du verre entre o° et r*. Enfin en retranchant du poids du ballon refroidi, celui du même vase vide de toute matière pondérable déterminé par des pesées antérieures, on obtient le poids P de la vapeur qui occupait le volume V(i -f-A*r), à la température t et sous la tension H. On a ainsi toutes les données nécessaires pour évaluer la densité cherchée , au moyen de la formule du § 3aa. Parmi les nombreux résultats que M. Dumas a obtenus au moyen de

46a COURS DE PHYSIQUE.

ce procédé, et qui l'ont conduit a des découvertes importantes en chimie, il convient de citer ici la densité de la vapeur de mercure , qui est 6,976 , celle de l'air étant prise pour unité.

Volume 3a5. Il est facile de déduire de la densité de la vapeur d donn0é,d* d'un liquide, rapportée à celle de l'air, le volume que <le vapeur. jQjt 0CCUper un poids donné de cette vapeur à une certaine température. Soit proposé, par exemple, de trouver le volume d'un gramme de vapeur d'eau à ioo°, ayant sa tension maxima. Puisqu'un litre d'air sec , sous la pression de om,76* pèse i*r,3 à o°, et par suite J-JJ i*r,3 à ioo\ un litre ou mille centimètres cubes de vapeur d'eau à 1 oo°, et au maximum de tension pèseront les \ du dernier poids ou \ . Yii ir>3. On conclut de là qu'un gramme de cette vapeur occupe \ . JJJ. iAfLi* 0u à très peu près 1700 centimètres cubes. Ainsi un gramme d'eau, qui à la température du maximum de condensation de ce liquide occupe un centimètre cube, peut saturer, à l'état de vapeur à 1 oo*, un espace 1 700 fois plus grand.

Chaleur 3îâ6. Lorsqu'un corps change d'état , il y a toujours dis-

1 chaleur1 P&ril»011 ou dégagement d'une certaine quantité de chaleur.

sensible. sans ja température du corps augmente ou diminue. La portion de chaleur absorbée ou cédée dans ces circonstances est appelée chaleur latente ; on conserve le nom de chaleur sensible à celle qui peut agir sur les sens ou faire varier la température. Ainsi la chaleur latente est exclusivement employée à exercer des actions mécaniques sur Jes particules pondérables , qui les déplacent et modifient leurs conditions d'équilibre. On doit admettre, en partant de ce point de vue général , que la chaleur qui pénètre ou abandonne un corps, lorsqu'il passe d'une température à une

autre, se compose de deux portions distinctes, Tune sensible qu'exigerait la variation de température sans changement de volume, et l'autre latente qui produit les dilatations ou les contractions observées.

Les chaleurs spécifiques des solides et des liquides, mesurées ou comparées par les procèdes que nous avons indiqués, ne sont relatives qu'à la somme de ces deux portions-, on ne possède pas encore de moyen direct de les évaluer séparément. Il est probable que la loi d'égalité des chaleurs spécifiques des atomes ne s'applique rigoureusement qu'à la portion de chaleur sensible , et que celle latente varie avec les masses des dernières particules , et avec les intervalles qui les séparent. La théorie physique des fluides élastiques est plus avancée , sous le point de vue dont il s'agit , que celle des solides et des liquides -, car des moyens indirects, que nous exposerons par la suite, ont permis d'évaluer séparément les quantités de chaleur sensible 2t latente qu'exige le changement de température des gaz.

3^7. La chaleur latente absorbée ou dégagée lors du Chaleur changement d'état d'un corps, est plus facile à constater 'ftSSon? et à mesurer directement que celle qui se trouve mélangée ivec la chaleur sensible, lors des variations de densité. Lorsqu'on fait fondre de la glace, de la cire, des métaux ju leurs alliages, en exposant ces corps à un foyer très ictif , si l'on a soin d'agiter les liquides qui se forment jusqu'à ce que toutes les parties solides soient fondues , on objerve toujours que la température du bain reste constante 3endant toute la durée de cette opération. La chaleur que fournit alors le foyer, et qui est employée à produire Je changement d'état , est ce qu'on appelle chaleur latente de fusion.

Si Ton expose à la température ordinaire, de 10 à i5% deux vases égaux , Tuu rempli d'eau a o% l'autre de glace fondante, et que Ton plonge un thermomètre dans chacun d'eux, on observe que la température du matras rempli d'eau s'élève graduellement jusqu'à celle des corps environnants , tandis que le thermomètre du vase qui contient la glace fondante indique toujours o°. Si la température à laquelle deux vases égaux sont exposés , est de quelques degrés au-dessous de zéro , et que l'un d'eux contenant de l'eau pure à o°, l'autre soit rempli d'eau pareillement à o* mais tenant en dissolution des substances salines qui puissent empêcher sa congélation , on observe que le thermomètre placé daus le premier vase reste constamment à zéro et qu'il s'y forme de la glace, tandis que la température du second s'abaisse progressivement. Ces faits prouvent évidemment qu'il y a absorption de chaleur sensible lorsque h corps passe de l'état solide à l'état liquide , et inversement qu'il y a dégagement de chaleur lorsqu'un liquide se solidifie.

îTefl"ijSeur ^2^' ^n Peut *vamer lft quantité de chaleur qui est latente alors absorbée ou dégagée , en mêlant le corps dans lequel o la g ne ^ observe ce phénomène avec une autre substance , dan*

des circonstances telles et avec un tel rapport des qu'il ne puisse en résulter pour ce dernier corps auctn changement d'état. Nous prendrons toujours pour unit? de chaleur , celle capable d'élever d'un degré centigrade la température de l'unité de poids d'eau pure. Pour obtenir la chaleur latente de fusion de l'eau solide , on pourra plonger la glace dans une masse d'eau assez grande , et d'une température assez élevée , pour qu'elle puisse fournir toute la chaleur nécessaire à la fusion de la glace , s'abaisser au degré de congélation.

Supposons , par exemple , qu'en mélangeant a kilogrammes d'eau à 5o° avec i kilogramme de glace pilée à o°, on aît obtenu, après la fusion de la glace, 3 kilogrammes d'eau à io° seulement, en sorte que 100 des unités de chaleur contenues dans le mélange aient été réduites à 3o , lorsque toute la glace aura été liquéfiée « on en conclura que les 70 unités de chaleur sensible perdues auront été absorbées par le passage de la glace à l'état liquide. Quand cette opération est faite avec soin et précision , et corrigée de la chaleur communiquée au vase et de celle perdue par le rayonnement , on trouve 75 unités pour la chaleur latente absorbée pendant la fusion de l'unité de poids de glace. On n'a pas encore obtenu de résultats exacts qui fassent connaître la chaleur employée à l'état latent lors de la fusion d'autres substances.

Généralement : soit M une masse d'eau , à une température primitive T, que l'on mélange avec une masse m de glace pilée à zéro \ et soit 0 la température finale du mélange, après la fusion de la glace. On peut faire abstraction du vase qui contient le mélange , en remplaçant dans le calcul la masse du vase par une masse d'eau correspondante. M (T — 0) sera la quantité de chaleur cédée par l'eau a la masse m de glace , laquelle est remplacée après la fusion par une masse m d'eau à 0 degrés , ayant conséquemment gagné mO unités de chaleur. S'il n'y avait eu aucune absorption , les quantités M ( T— 0) et m9 seraient égales -, mais on trouve toujours que la première surpasse de beaucoup la seconde. Soit alors L le nombre d'unités de chaleur latente absorbées par la fusion de l'unité de glace, on aura M (T — 0) = mO + mL, équation au moyen de laquelle on détermine L. On peut par le tàton- I. 3o

nement augmenter la masse d'eau M, prise à une température T supérieure de a degrés à celle des corps environnants, de telle manière que la température finale 0 soit inférieure de aa degrés à T, ce qui annulera les pertes par le rayonnement.

Lorsque l'eau pure est dans un état parfait de repos et de limpidité , sa température peut s'abaisser de quelques degrés au-dessous de zéro , descendre à — io°, — i a°, par exemple, sans que la congélation ait lieu. Cela tient sans doute à l'inertie des molécules de l'eau, qui ont besoin d'un certain mouvement pour se disposer dans Tordre favorable à la cristallisation j en effet, à la moindre agitation imprimée au liquide , une portion se congèle rapidement , et la température remonte à zéro. Soit alors m la masse d'eau qui s'est abaissée de t degrés au-dessous de zéro -, en remontant à cette dernière température, elle gagnera mt unités de chaleur, qui proviendront de la chaleur dégagée par la formation d'une certaine masse m' de glace -, on aura donc mt = m'L, équation qui peut servir à déterminer m1 ou L.

Mesure do

329. Par une expérience analogue , MM. Clément et Spécifique Desormes ont déterminé la capacité (c) de la glace pour Je la glace. ja chaleur CcUe expérience consistait à refroidir artificiellement une masse m de glace jusqu'à — io% — soit — t degrés , et à la plonger dans une masse d'eau à zéro , dont elle prenait rapidement la température, en occasionnant la formation d'une masse né de glace, qui se joignait à elle, et que l'on mesurait en pesant le morceau de glace avant et après l'opération. On en concluait facilement Tc-

quation suivante , mtc = -5 né, (Y où c= —

330. La limpidité de l'eau est une condition essentielle ^Caus** qui pour réussir à l'abaisser de quelques degrés au-dessous de ou retardent zéro sans qu'elle se congèle j car lorsque Feau est impure , la CtfonCla" les corps légers qu'elle tient en suspension ayant à peu près

la même d en si lé qu'elle, mais non le même coefficient de dilatation, se contractent plus ou moins qu'elle par le refroidissement , et le changement du rapport des densités détermine les particules en suspension à se mouvoir dans le liquide , à l'agiter, et la congélation s'ensuit.

M. Despretz , dans ses expériences sur le maximum de condensation de l'eau, a observé des abaissements de température plus considérables encore que ceux cités pi us haut , au-dessous de zéro degré , sans que l'eau se congelât, quoiqu'il ne prit aucune précaution pour éviter toute agitation dans ses appareils. Ici tout mouvement intérieur de la masse liquide, nécessaire pour déterminer la congélation, était sans doute géné par les parois des tubes très étroits qui la contenaient. Il paraît que l'eau ou le liquide qui circule dans les vaisseaux des végétaux peut s'abaisser à quelques degrés au-dessous de zéro sans se congeler ; il est vraisemblable d'ailleurs, d'après le fait qui vient d'être cité, que Veau peut se refroidir d'autant plus sans se solidifier, que le diamètre des tubes qui la contiennent est plus petit. Voilà sans doute ce qui le plus souvent empêche le froid de désorganiser les végétaux.

33 1 . La chaleur qui passe d'un foyer dans un liquide en Chaleur ébullition , dont la température reste fixe tai>t que la près- 'vapeur!.* sion extérieure ne varie pas , est absorbée par Je changement d'état du liquide, ou employée à le gazéifier. Pour évaluer la chaleur latente qui disparait dans cette circonstance , on recherche la quantité de chaleur qui peut être

restituée par la vapeur, lorsqu'elle retourne à l'état liquide. Rumford employait à cet effet un moyen analogue à celui qui sert à mesurer la chaleur spécifique des gaz.

Au milieu d'un calorimètre rempli d'eau, à une température inférieure de a degrés à celle f de l'air extérieur, on fait circuler la vapeur d'un liquide ayant une température primitive T, dans un serpentin où elle se liquéfie, cède sa chaleur Latente à l'eau environnante, et sort de l'appareil à l'état liquide avec une température variable , mais dont la valeur moyenne est t , car on arrête l'expérience lorsque la température du calorimètre est

+ Soient alors c le calorique spécifique du liquide formé par la vapeur-, M la masse d'eau du calorimètre, le vase étant converti dans le calcul en une masse d'eau correspondante-, m la masse de vapeur entrée dans le serpentin à T°, et sortie liquide à la température moyenne t \ enfin L la chaleur latente qui était contenue dans l'unité de masse de cette vapeur. La différence 2 Ma — me (T — f), entre la quantité de chaleur sensible gagnée par le calorimètre, et celle perdue par la valeur liquéfiée, différence qui n'est jamais nulle, sera égale à wL; cette relation donnera L.

L'appareil de Rumford doit contenir une caisse destinée Fie. 175. à recevoir la vapeur liquéfiée, qui prend alors la température de l'eau du calorimètre. Cotte caisse a un fond incliné vers un orifice pour faciliter l'écoulement du liquide. Le calorimètre renferme un volant, au moyen duquel on mélange toutes les couches d'eau, afin qu'un thermomètre ordinaire puisse indiquer exactement la température du réfrigérant. M. Dulong a trouvé le nombre 543 pour la chaleur latente de la vapeur d'eau : c'est la moyenne de

plus de quarante expériences. M. Despretz a obtenu pour la vapeur d'alcool 208 unités de chaleur latente, pour celle de Féther 91, pour l'essence de térébenthine 77 -y ces nombres expriment les unités de chaleur latente absorbées par F unité de poids de la vapeur de chaque liquide , formée à la température de son ébullition.

33a. On a cherché à déterminer les variations du nombre j^u L, lorsque la pression de la vapeur varie. Watt a conclu /JJ^Xur* qu'en ajoutant à la chaleur latente L , la chaleur sensible la*^|^es ou thermométrique de la vapeur ou du liquide qui la forme , on obtient dans tous les cas un résultat constant. Pour l'eau cette somme serait constamment 64 3. Ainsi, d'après Watt, la quantité totale de chaleur latente et sensible, contenue dans une même masse de vapeur , est toujours la même à toutes les pressions et à toutes les températures. MM. Clément et Desormes ont vérifié ce résultat, qui est adopté par les constructeurs de machines à vapeur. D'autres physiciens , au contraire , ont soutenu que le nombre 543 pour l'eau, ou généralement la valeur de L est seule la même à toutes les pressions. Les résultats que donnent ces deux hypothèses , si dissemblables en théorie , paraissent différer trop peu numériquement, pour qu'on puisse décider la question par l'expérience.

333. Après avoir exposé la théorie physique des vapeurs, Châudièreg à il convient de décrire succinctement quelques-unes de ses TaPeurapplications. La plus importante est la construction des chaudières qui servent aux machines à vapeur -, nous allons indiquer en peu de mots le but et l'usage des différentes parties de ces appareils. Les chaudières sont toutes prismatiques ou cylindriques, à bases planes ou hémisphériques, en tôle de fer, en fonte, ou en cuivre. Elles sont

fijO COUBS DE PHYSIQUE.

toutes munies (Tune ou de deux soupapes de sûreté , chargées par des poids ou des ressorts. Pour celles dites à basse pression , qui ont des parois planes , la charge de chaque soupape est presque nulle, ou bien elle n'équivaut au plus qu'à 7 atm. ; c'est-à-dire que la tension de la vapeur se trouve limitée à i atm. ~, ou que sa température ne doit pas dépasser na*. Pour les chaudières à haute pression, ia charge des soupapes est le plus ordinairement de 4 ou 5 atm., et rarement au-delà c'esti-dire que la tension de la vapeur se trouve limitée à 5 ou 6 atm., ou que sa température ne doit pas dépasser i6o°.

Pour toute machine Gxe , la chaudière est disposée sur un fourneau en maçonnerie *, la paroi inférieure reçoit directement la chaleur du foyer*, les parois latérales sont encastrées dans le massif du fourneau , à l'exception d'une zone contournée par une galerie, que parcourt l'air chaud se rendant à la cheminée. La chaudière d'une machine à haute pression est souvent munie de plusieurs tubes bouilleurs en fonte , communiquant avec son fond , et places horizontalement au milieu du feu. La chaudière d'un bateau à vapeur, ou celle d'une machine locomotive, possède un foyer intérieur -, c'est-à-dire que la boîte contenant le feu , ou le firebox, et les canaux qui conduisent à la cheminée, sont entourés d'eau. On a donné généralement le nom de surface de chauffe, à toutes les portions des parois d'une chaudière qui reçoivent de la chaleur, soit par le rayonnement des charbons incandescents, soit par le contact des gai chauds provenant de la combustion.

Il importe que toute la surface de chauffe soit au-dessous du nivc;iu de l'eau dans la chaudière , ou que ce niveau ne descende pas au-dessous d'une limite tracée extérieure-

ment, et qu'on appelle ligne d'eau. Car sî une partie métallique , appartenant à la surface de chauffe , n était pas en contact avec le liquide , la chaleur qu'elle reçoit élèverait sa température beaucoup au-delà de celle de la vapeur intérieure, et il pourrait en résulter des accidents graves, tels que la rupture de l'appareil et même son explosion. Une pompe foulante, mue par la machine elle-même, fait entrer de l'eau par un tuyau qui traverse la paroi, et aboutit prés du fond de la chaudière. Cette alimentation doit être réglée avec soin, à l'aide d'un robinet qui s'ouvre à la main, ou d'une soupape que dirige un flotteur*, quand elle est trop abondante, elle refroidit l'appareil et diminue sa puissance *, lorsqu'elle est trop faible au contraire, ou qu'elle ne remplace pas toute l'eau dépensée en vapeur motrice , le niveau baisse et peut descendre au-dessous de la ligne d'eau.

La marche et la position du niveau peuvent être observées dans un tube de verre vertical , disposé à l'extérieur, et dont les deux extrémités communiquent avec la chaudière par des canaux métalliques-, cet instrument porte le nom de tube indicateur. On se sert aussi de robinets indicateurs, adaptés sur une paroi latérale, les uns au-dessus , les autres au-dessous de la ligne d'eau*, en ouvrant successivement ces robinets, et observant s'ils donnent issue à de l'eau ou à de la vapeur, on conclut facilement le lieu occupé par le niveau. La tension de la vapeur est indiquée par un manomètre à air comprimé -, pour les appareils à basse pression, on se sert d'un manomètre à air libre, c'est-à-dire d'un tube recourbé contenant du mercure, que ratmosphère presse d'un côté, et la vapeur de l'autre. Munie de tous ces instruments accessoires, une chau-

472 COUKS DE PHYSIQUE.

dière bien construite , confiée à un machiniste attentif et prudent, peut fonctionner long-temps et sans danger. La conduite de l'appareil se réduit alors à des observations fort simples , mais qui ne permettent aucune interruption. L inertie ou le soulèvement des soupapes de sûreté , la chute ou l'ascension du manomètre» indiquent si l'activité du feu doit être excitée ou ralentie, l'observation répétée du tube et des robinets indicateurs, apprend si le tuyau d'alimentation doit être plus ou moins ouvert. A ces deux principes il faut joindre la règle dictée par la prudence, d'éteindre ou d'enlever le feu avant de toucher aux soupapes, aussitôt que l'appareil est sorti de son état normal , par suite d'une négligence ou par toute autre cause.

Mais dans le but de prévenir plus efficacement les accidents que pourrait occasionner l'incapacité ou l'imprudence du machiniste , la loi prescrit l'emploi de deux rondelles métalliques fusibles.Ces rondelles sont enchâssées dans deux trous d'un petit diamètre, pratiqués sur la parue supérieure de la chaudière \ composées d'un alliage, en proportions différentes, de plusieurs métaux très fusibles, elles doivent se fondre , ou tout au moins se ramollir, à une température qui dépasse de io° pour l'une , de i5° pour l'autre , la température correspondante à la tension normale de la vapeur motrice -, la rondelle la moins fusible est recouverte d'une boîte à jour cadenassée, mise hors de la disposition du machiniste. Lorsque par suite d'une surcharge des soupapes, la température de la chaudière s'élève, et que la pression intérieure dépasse la limite qui lui est assignée , la première rondelle doit se ramollir , se déchirer et ouvrir une issue libre à la vapeur -, si ce jet n'emporte pas à l'état latent toute la chaleur qui afUue dans l'appareil, la température s'élève

VINGTIÈME LEÇOK. 4;^

encore -, mais si le machiniste est absent , ou qu'il ait négligé ce premier avertissement, la seconde rondelle doit bientôt céder à son tour, et livrer passage à un nouveau jet de vapeur, pour limiter définitivement les progrès d un échauf-

fement dangereux.

Les chaudières et les tubes bouilleurs doivent être essayés préalablement à la presse hydraulique , sous une pression triple de la charge normale des soupapes-, cette épreuve, que la loi rend obligatoire , permet de juger si les appareils sont assez bien construits pour que leur emploi .puisse être autorisé. Les ordonnances exigent en outre que tout générateur à vapeur soit muni de deux soupapes non surchargées , d'un tube ou de plusieurs robinets indicateurs en bon état, enfin d'un manomètre gradué avec soin. La sévérité apportée dans l'exécution de ces diverses mesures, a incontestablement eu pour effet de diminuer beaucoup le nombre des explosions des chaudières. Mais ces terribles accidents n'ont pas encore totalement disparu de nos annales industrielles -, et c'est ce qui porte à douter de l'efficacité complète des moyens préventifs en usage , ou ce qui fait présumer que l'on ne connaît pas encore toutes les causes d'explosion.

334. La rupture d'une chaudière à vapeur est générale- Théorie des

-..m, t •! explosions

ment attribuée à deux causes différentes. La première est des l'augmentation graduelle mais excessive de la pression intérieure, due à une surcharge des soupapes , ou à une détérioration qui empêcherait ces soupapes de fonctionner librement : dans ces circonstances , la tension de la vapeur augmentant , doit finir par vaincre la résistance des parois ou des joints, et faire éclater la chaudière. La seconde cause d'explosion , celle qui paraît être l'origine de la

COURS DE rUYSIQUb.

plupart des accidents connus , est la formation instantanée d'une masse plus ou moins considérable de vapeur, provenant de la projection de l'eau sur des parties trop échauffées des parois : le niveau s'abaissant au-dessous de la ligne d'eau , met à iiu une portion de la surface de chauffe , dont la température peut s'élever jusqu'à 4oo°-, dans cet état, lorsqu'une issue trop large est ouverte tout à-coup à la vapeur, l'ébullition qui suit nécessairement cette dépense instantanée , soulève et projette le liquide sur le métal échauffé, d'où résulte une formation rapide de nouvelles vapeurs , laquelle produit l'explosion.

On prévient les accidents qui résulteraient de la première cause , par l'emploi de bonnes rondelles fusibles. Mais pour éviter les explosions dépendant de la seconde cause, il n'existe aucuu moyen préventif analogue-, il faut s'en rapporter uniquement à l'attention et au zèle du machiniste , pour maintenir le niveau du liquide au-dessus de la ligne d'eau. En effet, dans ce nouveau cas, les rondelles fusibles sont plutôt nuisibles qu'utiles : car si elles venaient à céder quand la surface de chauffe est en partie découverte , le jet de vapeur qui s'ensuivrait, pourrait occasionner la projection du liquide , aussi bien que l'enlèvement intempestif d'une soupape de sûreté , ou que l'ouverture trop rapide du régulateur, ou du robinet dirigeant la vapeur motrice vers le cylindre de la machine.

M. Jaquemet, de Bordeaux, vient de signaler un fait nouveau , qui paraît conduire à uue théorie plus complète des explosions des chaudières. Voici en quoi consiste ce phénomène. Lorsqu'il existe dans un générateur une pression supérieure à celle de l'atmosphère, et que Ton donne une issue libre à la vapeur dans la partie supérieure de la

: chaudière, si la section de cette ouverture est très petite : relativement à la surface de chauffe , il ne sort que de la i vapeur. Si la section est un peu plus grande , il sort en ; inéme temps que de la vapeur une certaine quantité d'eau , i laquelle devient d'autant plus abondante que Ton augi mente davantage la section. Enfin à une limite de section , ! inférieure encore à celle que Ton donne communément à chacune des soupapes , il ne sort que de l'eau j le passage se trouve brusquement obstrué à la vapeur \ et le niveau du mercure dans le manomètre, qui fléchit au premier instant, indique ensuite que la pression augmente assez rapidement , et qu'il y aurait danger de prolonger cette situation.

M. Jaquemet a répété cette expérience un grand nombre de fois , sur la chaudière à deux tubes bouilleurs d'une machine de la force de huit chevaux , qui sert de moteur ù l'établissement qu'il dirige -, il l'a faite à des niveaux et à des températures différentes, et toujours pour une certaine section les mêmes effets se sont reproduits. L'explication suivante rend assez bien compte de toutes les circonstances du phénomène. La tension de la vapeur étant de 5 atmosphères, par exemple, aussitôt que le soulèvement total de la soupape laisse une trop large issue , il eu résulte une diminution trop brusque de la pression intérieure , indiquée par la dépression du manomètre. De la une formation de vapeur dans toute la masse liquide , qui se boursoufle , atteint r orifice , et sort avec du limon soulevé du fond de la chaudière.

Un jet de même section, formé de vapeur pure, s* échapperait sous la pression de 5 atmosphères avec une vitesse de 56a mètres par seconde , et emporterait une quantité

de calorique latent qui pourrait être , au maximum, dix fois plus forte que le flux de chaleur fourni par le foyer , il résulterait de là un refroidissement rapide de la chaudière, et sa température s abaisserait bientôt à ioo°. Mais lors du jet liquide les choses se passent tout autrement : la masse de ce second jet étant beaucoup plus considérable . sa vitesse sous la même pression est réduite à 28 mètres par seconde -, l'eau qui sort ainsi enlève en réalité plus de calorique à la chaudière que le jet de vapeur pure , mais il est facile de voir que néanmoins la température intérieure doit s'accroître. En effet, le vide que le liquide qui sort laisse derrière lui , est remplacé par de la vapeur, qui emprunte son calorique latent à la chaleur thermométrique de l'eau renfermée -, mais cette perte qui n'est , d'après le rapport des vitesses citées , que la vingtième partie de cellf qui résulterait du premier jet , est au plus la moitié du flui de chaleur fourni par le foyer. L excès de ce flux doit donc élever la température de la chaudière -, la densité et l'élasticité de la vapeur intérieure doivent donc augmenter.

Toutefois , si le calorique ne péuétrait dans la chaudièn que par la partie inférieure , et qu'il se divisât uniformt» ment dans la masse liquide , comme lors de Fétat normal l'élévation de la température suivrait une progression asse: lente. Mais si par suite d'un abaissement de niveau , unt partie des parois et la vapeur se trouvent très échauffées . au moment où le jet liquide s'établit, le calorique emmagasiné de cette manière donne lieu à une formation de nouvelles vapeurs , non pas instantanée mais très rapide , liquelle explique suffisamment l'ascension du manomètre- En effet , dans cette circonstance , quelques secondes pourraient suffire pour que la tension s'élevât de 5 à i4 atmos-

chères. En résumé, d'après M. Jaquemet, la projection de 'eau sur des parois très échauffées est insuffisante pour ex- Dliquer l'explosion , parce que la formation de vapeur qui s'ensuit n'est pas instantanée , mais se prolonge durant un certain nombre de secondes *, dans cet instant très court, les ets de vapeur pure débités par les soupapes suffisent pour \ opposer à un accroissement dangereux de tension. Mais si ïette fonction importante des soupapes est en grande partie létruite par des jets presque liquides , la formation rapide le vapeurs , qui résulte du contact de la mousse avec des Parties très échauffées, peut occasioner l'explosion-, car es issues , étant obstruées , ne doivent plus arrêter efficacement les progrès de la pression intérieure.

Le phénomène qui sert de base à cette théorie est anaogue à plusieurs faits connus. La nature différente du jet, uîvant la section de l'ouverture, se manifeste lorsqu'on débuche une bouteille contenant un liquide fortement chargé le gaz , tel que du vin de Champagne , de la bière , de l'eau le Seltz , de l'eau de Sedlitz : si, retenant le bouchon , on 'incline dans le goulot, pour ménager une issue étroite, le ;az s'échappe seul -, si la fente est trop large , c'est un jet iquide qui se produit -, enfin si le bouchon cède entièrenent à l'excès de la pression intérieure , la mousse qui se brme le suit de près , et le liquide peut même sortir presnie en totalité de cette manière quand il y a trop de gaz lissous. L'état de la masse hétérogène contenue dans la chaudière lors du jet liquide, est comparable à celui du lait en ébullition sur un foyer trop actif : on sait que ce liquide s'écoule alors en mousse, et que le seul moyen d'arrêter cette projection est de retirer le vase du feu. Sensations

* produites