CHALEUR

EFFETS aÉKiRAUZ PR0DÏÏR8 PAR LA CHALEUR. — L étude (le la chaleur embrasse tous les phénomènes susceptibles d'éveiller en nous les sensations de chaud et iX^ froid. Dans les circonstances où nos organes sont affectés par la chaleur, les corps inanimés sont eux-mêmes modifiés et changent de volume ou d'état physique. Sans nous préoccuper pour le moment do déterminer la cause des changements qu'ils éprouvent, et sans rien préjuger sur la nature de la chaleur, nous dirons qu'elle s'accumule dans les corps qui s'échauffent et qu'elle abandonne ceux qui se refroidissent.

La chaleur est une quantité susceptible d'accroissement et de diminution, mesurable par conséquent. Mais nous ne pouvons songer à choisir l'unité de comparaison, et à faire, au moyen de celle unité, des évaluations numériques, avant de connaître les effets généraux de la chaleur, et les conditions nécessaires pour qu'elle puisse passer d'un corps dans un

J., Chaleur, ~ II. i*^ Tasc. i

autre. Ces échanges de chaleur entre divers corps contenus dans une même enceinte, ou entre les parties d'un seul et même corps, dépendent d'un élément particulier, qu'on appelle leur température, et que nous nous réservons de définir rigou»reusement par la suite. Il nous suffit de savoir pour le moment que, quand un corps s'échauffe, sa température s'élève, et qu'elle s'abaisse quand il se refroidit.

Quand on élève la température des corps, par exemple en les plaçant sur un foyer, ils éprouvent, en général, une variation de volume, presque toujours une dilatation; et si Ton met un obstacle à leur expansion libre, ils deviennent capables d'exécuter un certain travail mécanique, sans emprunter au milieu ambiant autre chose que de la chaleur. Nous allons commencer par constater ces faits généraux à l'aide de quelques expériences élémentaires.

1° Sur une base solide en bois sont fixées deux colonnes métalliques verticales A et B (y/g*, i ■; leurs parties supérieures

Fig. I.

sont percées de deux trous cylindriques horizontaux dirigés l'un vers l'autre, et dans lesquels on introduit une tige métallique CD. Une vis de pression A, qui peut serrer la lige, i\\Q Tune de ses extrémités, pendant que l'autre bout I) reste libre d'avancer ou de reculer dans la deuxième colonne B, qui ne fait que le soutenir. On amplifie le mouvement au moyen d'un levier coudé DOE, dont la branche verticale très-courte OD est chassée par l'extrémiié D, et dont la branche horizontale trèslongue 0£ parcourt un limbe divisé. Sur la base et sous la

lige se trouve, dans une auge en cuivre MN, une mèche imbibée d'alcool qu'on allume; alors la tige s'échauffe. Tant que la température croît, le levier indicateur s'élève; quand elle devient constante, il demeure fixe, et si elle diminue il s'abaisse. Enfîn, quand la barre est revenue à la température primitive, le levier occupe la division où il était en équilibre au début de Texpérience. Nous concluons de là que l'allongement produit par Télévation de température est passager, et disparaît avec la cause qui le provoque.

Tous les métaux que l'on place dans cet appareil éprouvent la même action, à des différences de grandeur près, et par conséquent leur dilatation dans les mêmes circonstances est, pour chacun d'eux, une propriété spécifique.

Si, tandis que l'on échauffe une des barres, on veut s'opposer à sa dilatation, il faudra exercer dans le sens de sa longueur un effort considérable, par exemple la charger d'un poids très-lourd, à peine inférieur à celui qui produirait par compression, sur la barre froide, une diminution de longueur égale à l'allongement qu'on veut empêcher. Tout effort moindre serait surmonté, et la barre, en se dilatant, accomplirait un travail positif mesuré par le produit du poids déplacé par le chemin parcouru. Un travail négatif égal accompagnerait le retour à la température ordinaire. C'est cette dernière propriété que Ton utilise lorsque, pour rapprocher les deux bords d'une lézarde, on rive à chaud et de part et d'autre, çur le mur à consolider, une forte barre de fer, qu'on laisse ensuite revenir à la température ordinaire.

a*» L'expérience suivante, connue sous le nom inexpérience de S' Gravesande (•), étabUt que les corps sohdes non cristallisés demeurent semblables à eux-mêmes en se dilatant. Une sphère métallique [fig^ ^) passe librement à travers un anneau de même substance qui l'embrasse suivant un grand cercle. Si l'on vient à chauffer, la boule sans modifier la température de l'anneau, on constate qu'elle ne peut plus le traverser; mais elle est demeurée sphérique, et ce qui le prouve

(*) S'Geatb8A!IDB, Pkysices eîementa mathematica cxperimentis confirmata, sipc Iniroduceio ad Philosophiam Newtoniantun ; Genève, 1748, t. U, p. 660.

c'est qu'elle louche l'anneau sur loul son contour. D'ailleurs, dès que la sphère s'est mise en équilibre de température avec Tanneauy elle le traverse de nouveau sans difficulté.

Si Ton échaufife à la fois la sphère et l'anneau, celui-ci ne cesse pas d'embrasser exactement la sphère suivant un grand cercle : un solide creux se dilate donc comme s'il était plein.

Fig. a.

Fig. 3.

3" Pour constater la dilatation des liquides, il suffit d'enfermer ceux que l'on veut essayer dans un ballon B terminé par un tube étroit [fig* 3), de marquer avec un index de papier A le sommet du liquide dans le tube, à la température initiale, et de plonger le ballon dans l'eau chaude. On voit d'abord le sommet de la colonne liquide baisser, par suite de la dilatation du vase; mais presque aussitôt le liquide remonte et dépasse l'index d'une quantité bien supérieure à son excursion primitive, d'où il suit qjue les liquides se dilatent plus que les soHdes. L'expérience inverse se fait en plongeant le ballon chaud dans l'eau froide : si l'on projette par petites quantités de l'eau chaude ou froide sur les parois du ballon, on renouvelle autant de fois que l'on veut l'expérience du double mouvement de la colonne liquide.

Fig. 4.

4" On doit à M. Tommasi («) une disposition qui montre bien quelle est la puissance mécanique d'un liquide qui se dilate. Un tube en fer [fig, 4), bouché à sa partie inférieure et portant à son extrémité supérieure un filet de vis en relief, est rempli d'huile d'olive. Une rondelle en plomb de 6"'" d'épaisseur peut être disposée au-dessus de l'orifice du tube, où elle est maintenue par un chapeau en fer, vissé sur le tube et percé d'un trou correspondant à l'orifice. On chauffe le tube à l'aide d'une rampe verticale de becs de gaz, et l'huile dilatée force la portion de rondelle, qui correspond au trou du chapeau, à se détacher comme à l'emportepièce.

5** On montre la dilatation des gaz à l'aide d'un appareil identique à celui que représente la fig, 3; on le laisse rempU d'air et l'on introduit, dans le tube capillaire qui le termine, un index liquide A. Toutes les fois qu'on touchera le ballon avec la main, on verra l'index monter vivement; il en résulte que la dilatation des gaz est incomparablement plus grande que celle des liquides.

Au lieu de laisser le gaz se dilater, on peut ajouter du mercure par le tube A, et maintenir ainsi le volume constant, grâce à un accroissement de pression convenable. Dans ce cas, la chaleur a pour unique effet d'augmenter la pression du gaz. Celle-ci peut devenir énorme, pour une élévation suffisante de la température, et engendrer des effets mécaniques considérables.

En résumé, la chaleur appliquée aux corps solides, liquides ou gazeux leur fait éprouver une dilatation, et les rend capables d'exécuter du travail mécanique, à rencontre des obstacles que l'on oppose extérieurement à leur expansion libre. Ces effets ne sont d'ailleurs pas les seuls que la chaleur puisse produire : quand on élève progressivement la température d'un solide, il finit par fondre; le liquide obtenu se réduit lui-même en

(') Journal de Phjrsique théorique et appliquée, l. VI, p. i/jQ; 1877.

vapeur à une température plus haute. De même un mélange d'oxygène et d'hydrogène que Ton échaufife suffisamment se transforme en vapeur d'eau, le charbon chauffé dans l'air disparaît en donnant de l'acide carbonique, etc. Tous les changements d'état, physiques ou chimiques, sont, comme le simple changement de volume, accompagnés d'une absorption ou d'un dégagement de chaleur, et peuvent devenir des sources de travail mécanique. Citons, par exemple, le cas de la rupture d'un vase par l'eau qui se congèle ou par la combustion d*un mélange détonant.

Nous diviserons l'étude de la chaleur en trois Parties. Dans la première, nous étudierons la thermométrie et les dilatations; dans la seconde, nous nous occuperons de la calorimélrie et de la théorie mécanique de la chaleur, enfin, dans la troisième, de la propagation de la chaleur.

THERMOMÉTRIE. - DILATATIONS.