CHAPITRE VII

FUSION ET SOLIDIFICAtlON.

Changements d'état en général. — Fusion. — Lois de la fusion. — Solidification. — Lois de la solidification. — Corps pâteux, corps gras. — Fusion des alliages. — Surfusion. — Changements de volume pendant la fusion. — Propriétés particulières de la glace; regel.

Chaleur latente de fusion. — 1° Cas des liquides. — Chaleur latente de la glace. — a° Cas des solides.

Application de la Théorie mécanique de la chaleur à Tétude deia fusion.— Application du principe de Téquivalence. — Application du principe de Carnet. — Influence de la pression sur la température de fusion. — Influence de la température sur la valeur de la chaleur latente. — Loi empirique de Person.

CHAHftaiEHTS D'ÉTAT EH GÉHÉBAL. — Dans tout ce qui précède nous avons considéré les corps, soumis à racUon de la chaleur, comme conservant leur état physique, c'est-à-dire que nous avons supposé qu'il existait entre la pression, le volume et la température du corps considéré une relation

satisfaite sans interruption de continuité, et pour toutes les vcleurs que Ton peut attribuer aux variables indépendantes.

Tout le monde connaît des cas où celte supposition n'est pas admissible. Ainsi, la glace que Ton chauffe fond et donne de Teau dont les propriétés physiques sont tout à fait différentes; à son tour, l'eau s'évapore et sa vapeur surchauffée possède, comme nous l'avons établi précédemment, toutes les propriétés des gaz parfaits.

Mais la fusion et la solidification, la vaporisation et la condensation ne sont pas les seuls changements d'état que nous ayons à considérer : il faut y joindre Vaiiotropie^ la dis-

^'j^ CALORIMÉTRIE. - THÉORIE MÉCANIQUE.

so/ulion, la dissociation, la combinaison et la décomposition^ en un mol tous les phénomènes qui ont pour résultat la transformation d'un corps ou d'un système de corps, dont les propriétés physiques se modifient avec évolution de chaleur.

Nous allons d'abord nous occuper de \di fusion et de lawftdification. Nous chercherons expérimentalement les lois de ces phénomènes; nous essayerons ensuite de les relier enlre elles et de les expliquer à l'aide des principes dont la Théorie mécanique de la chaleur nous a mis en possession.

FUSION.— Quand on échauffe progressivement un corps solide, en contact avec un thermomètre, on reconnaît que cet inslniment prend une marche ascendante assez régulière; en même temps le corpséchauffé se dilate d'une manière continue jusqu'il ce que le thermomètre indique une certaine température qui| pour la glace par exemple, est de zéro. A ce moment la première goutte d'eau liquide apparaît, et, pourvu que le liquide soit agité, le thermomètre continue à marquer zéro, jusqu'à ce que le dernier fragment de glace ait disparu; puis le thermomètre reprend sa marche ascendante régulière.

La chaleur fournie par le foyer pendant la fusion a été ?an> action sur le thermomètre; on exprimait autrefois ce fait en (lisant que celte chaleur était devenue latente. 11 n'y a aucun inconvénient à conserver l'expression, pourvu qu'on n'v attache aucune idée théorique préconçue.

La fusion des corps se produit à des températures extrêmement différentes. Pour le mercure, elle s'opère à — /jo°; pour Teau à zéro; pour Tétain à '230**, et le platine ou le fer ne fondent qu'à la température du rouge blanc. 11 y a même des substance? (ju'on ne sait pas liquéfier; mais, à mesure que Ton a pu atteindre des températures plus hautes, on a vu diminuer le nombre des corps refractaires .

On peut obtenir des températures très-élevées en réglant convenablement, soit la combustion du charbon, soit celle de riiydrogène.

M. Henri Sainte-Claire Deville (*) dispose les substances qu'il

(*) H. Sainte-Claire Deville, Mémoire sur la production des températurti

b^eut fondre dans un creuset de graphite ou de chaux, au centre d'un fourneau en terre réfraclaire, rempli d'escarbilles le coke de la grosseur d'un pois. Le vent d'un soufflet de forge circule à travers ces fragments, et, comme la surface de contact înlre l'air et ce charbon est très-considérable, la combustion 5Sl très-rapide, et, par suite, la température s'approche de la imite qui correspond à ces combustions. Elle augmente depuis a grille du fourneau jusqu'à o'^^^oi ou o*",o3 de hauteur; mais, u-dessus de cette couche, l'acide carbonique se transformant en ixyde de carbone, un refroidissement se produit. En plaçant conenablement le creuset, M. Deville a fondu le platine, et même 1 silice. Les résultats sont plus remarquables encore, quand on mploie le chalumeau à oxygène et à hydrogène. M. Gaudin(*) 'en était déjà servi pour fondre la chaux, le rubis et l'alumine, l pour travailler le quartz comme on travaille le verre dans la impe d'émailleur. MM. Deville et Debray (^) en ont fait une pplication industrielle à la fusion du platine : leur chalumeau e compose d'un tube qui amène l'oxygène et qui est envejppé d'un manchon par lequel arrive l'hydrogène; les deux az s'allument à la sortie, en sifflant quand l'oxygène est en xcès, en ronflant quand l'hydrogène domine. Entre ces termes xtrêmes, la flamme se produit sans bruit et atteint sa tempéatufe maximum.

On la dirige verticalement de haut en bas dans une cavité reusée au milieu d'une masse de chaux, et au fond de laquelle •n introduit peu à peu des morceaux de platine qui se fondent ussitôt. MM. Deville et Debray ont pu liquéfier ainsi jusqu'à i^»'',6 de platine en quarante-cinq minutes, en employant le"* d'oxygène par kilogramme de métal. Ils ont fondu également le ruthénium, qui esj le plus réfractaire des métaux de la lernière section.

rh-élevées {Annales de Chimie et de Physique^ 3* série, t. XLVI, p. 182). ippUcation de ces moyens à la préparation et à la fusion de quelques métaux Annales de Chimie et de Physique, 3* série, t. XLVI, p. 19S).

(•) Gai'DIN, Recherches sur les matières réfractaires {Comptes rendus de * Académie des Sciences, t. XH, p. 9 '17; t. XXVI, p. 94).

(*) Deville et Debrat, Métallurgie du platine {Annales de Chimie et de 'hjrsiqu&i 3* série, t. LVI, p. ^^o et t. LXI, p. 5).

En remplaçant l'oxygène par Tair, Thydrogène par le gaz d'éclairage, M. Schlœsing (<) a obtenu des effets encore très-remarquables, quoique moins énergiques. Un soufTIet introduit de Tair dans un tuyau de cuivre percé de deux trous opposés et entouré d'un manchon alimenté par le gaz; celui-ci, aspiré par le courant d'air, se précipite dans le tube et se mêle à l'air. La flamme bleue que donne ce mélange est lancée dans une chambre en briques réfractaires où elle enveloppe de toutes parts Tobjet qu'il s'agit de chauffer. Cette lampe à gaz fait fondre le fer en quelques minutes, vitrifie la porcelaine, etc.

Despretz a eu recours à des moyens bien plus énergiques encore; il a condensé dans un creuset de charbon : i^l'arcToltaïque d'une pile de 600 éléments ; 1° la chaleur solaire recueillie par une lentille à échelons ; 3" le dard d'un chalumeau à oxygène et à hydrogène : il a vu alors le charbon se ramollir et couler.

Ces expériences nous autorisent à admettre qu'il n'y a point de corps réellement réfractaires et que tous pourraient dcfenir liquides si l'on pouvait les chauffer suffisamment.

LOIS DE LA FUSION. — Trois lois extrêmement simples résument ce que Ton sait de fccnéral sur la fusion :

1° Chaque substance, définie chimiquement, commenceà?^ liciuéfier (juand elle allcinl une température déterminée t\ constante (jue l'on nonjnie point de fusion , et qui conslilu? l'un des caraclôres spcMîifiques de chaque corps.

i"" La fusion d'une niasse solide ne se fait pas nislanlanémenl : (»lle dure d'autant plus lonf^tomps que celle massée*! plus considérable et que le fovor (lui f échauffe est moins vif; mais, (juelles (jue soient cette masse, ou l'onerf^ie de ce fover, ou en ^^énéral les circonslances extérieures, la températiiH demeure invariable depuis le moment où la fusion commence jusqu à celui où elle est complète,

3^ 11 y a pour chacjue corps absorption d'une certaine quan* lilé de chaleur latente, variable d'un corps à un autre, elconslituant pour chacun d'eux une propriété spécifique.

(') SciiLUESiNG, Sur la production des températures élevées au moren eu ^ds l'éclairage et à l'air, t. LXI, p. i i3i.

N — Les phénomènes observés pendant la fuion se reproduisent en sens inverse pendant la solidification, *est-à-dire que le thermomètre, plongé dans le liquide que Ton exposé au refroidissement, baisse d'abord jusqu'à ce que la •rentière pellicule solide commence à se former, demeure staionnaire aussi longtemps que dure la solidification, et reprend insuite sa marche descendante. 11 faut donc admettre que, penlant Tacte de la solidification, il y a dégagement de chaleur ensible sans abaissement de température.

Les divers liquides se solidifient, les uns à des températures "ès-hautes, les autres à des températures moyennes ou basses ; en est enfin qui n'ont pu être congelés. Mais cette impossibilité ent uniquement à la limitation des moyens de refroidissement ue nous possédons. Aussitôt que nous pouvons étendre ces loyens, nous parvenons à solidifier des substances qui avaient sque-là persisté dans Tétat liquide. Ainsi certains gaz liléfiés ont pu être congelés (Facide carbonique à — 58«, Tamoniaque à — 75*, le protoxyde d'azote à — 100®), et Despretz a oniré que l'alcool, jusqu'alors réfractaire au froid, devient sez visqueux pour ne plus couler, quand on le plonge dans 1 mélange d'éther, d'acide carbonique solide et de protoxyde azote liquide. Il reste encore, il est vrai, certains liquides, •tiime le sulfure de carbone, qui n'ont jamais été congelés ; ais cela ne prouve point qu'ils ne puissent l'être quand nous »urrons les refroidir assez.

IiOU DE LA SOUDinCATION. — En repassant à l'état solide, les

luides nous ofl'rent trois lois qui correspondent à celles que

>us avons trouvées pour la fusion :

1° Le point de solidification d'une substance est fixe, il est

même que le point de fusion.

ti** La température demeure invariable pendant tout le temps

le la solidification met à s'accomplir.

3** La chaleur latente absorbée dans l'acte de la fusion est

stituée dans la solidification.

G0BP8 PATEUX. — GOBPS ARAS. — Les lois générales que nous nons d'énoncer sont sujettes à d'assez nombreuses excep- •ns que nous allons signaler.

Certains corps, le verre par exemple, ne présentent pas, à proprement parler, de température de fusion. A partir d'une certaine température, on observe qu'ils se ramollissent, et au delà ils passent par tous les degrés de la viscosité jusqu'à la fluidité parfaite, qu'ils n'atteignent qu'à une température élevée. On n'observe nulle part d'arrêt bien caractérisé dans la marche ascendante du thermomètre.

Le fer et le platine parmi les métaux, l'acide borique, la résine, la gutta-percha, parmi les corps non métalliques, présentent les exemples les plus communs du passage par Tétat pâteux. On peut y joindre un certain nombre de corps gras(*j. Pour ceux-ci le phénomène est encore rendu plus compleie par la facilité avec laquelle ils demeurent surfondus.

La fusion ordinaire n'est qu'un cas particulier du phénomèae plus compliqué présenté par les corps pâteux. Si l'on admel que l'intervalle de température dans lequel se produit le chaftgement d'état d'un de ces corps tende vers zéro, on retomben sur le cas que nous avons éludié d'abord, c'est-à-dire celui d'au brusque changement d'état et d'une absorption de chaleur l^ tente à température constante.

FUSION DES ALLIAGES. — Les allia^^'es formés de deux ou d'un plus {j;raïKl nombre de métaux se liquéfient à une tempénture qui demeure fixe quand la composilion chimique esl constante, et qui oll're ceci de remarquable qu'elle est généralement plus l)asse (jue les points de fusion des métaux composant Tallinj^'e. Le l^ibleau suivant met ce résultat en évidence; on y remaniuera particulièrement le compose ThSiiBi', fusible à 9 j degrés.

(') Pour les particularités offertes par les corps gras, voir Wimmel. jMilit de Poggendorff, t. CXXXIH, p. lii, et t. CXLH, p. 4;^, et .4nnales df C*" mie et Je Physique, t. XIV, p. /j-q; Rldorff, Annales de Poggendorff, t. Cîl» p. /|20, et t. CXLV, p. 279, et Annales de Chimie et de Phjsique, ^' «n»". t. XXni, p. 78.

Points de fusion des alliages.

Sn'Bi aoo

Sn«Bi 167

SnBi u.. 141

PbSn*Bi» 118,9

Pb«Sn»Bi» 100

PbSnBi* 94

I grande majorité des cas, la fusion complète dont ons de parler est précédée par une fusion partielley >ins par un ramollissement de la masse entière. On :ette propriété en admettant qu^un alliage se partage lent en deux autres, dont la composition chimique înle, et qui fondent à des degrés différents du ther- Si la température augmente progressivement, le plus liquéfie d'abord. Quand il est très-abondant dans le il coule et produit le phénomène connu sous le nom ion. Quand, au contraire, il est en proportion moindre, totale ne fait que se ramollir et prendre Taspect d'un u d'un amalgame. Enfin, si la température s'élève daelle finit par atteindre le point de fusion de l'alliage fusible, et alors la liquéfaction devient complète, xplication se confirme quand on étudie le phénomène 'est-à-dire quand on refroidit un alliage fondu. On obs deux points de solidification distincts, correspondant l'un des alliages mêlés. Au moment où le moins fusible e et où il abandonne sa chaleur latente, le thermovient stationnaire et ne reprend sa marche descenaprès cetle congélation ; mais il s'arrête de nouveau nt où l'on atteint le point de solidification de l'alliage sible. Rudberg (*), à qui l'on doit ces observations, ju'avec deux métaux, tels que le plomb et l'étain par l'un des points de fusion, celui qui est le moins élevé, i\\Q et égal à 187°, quelles que soient les proportions et d'étain combinées. Le second est variable au con-

HG, yénnales de Poggrndorffy t. XVIII, p. 2/|0; t. XIX, p. lal, et Chimie et de Physique, a» série, t. XLVIII, p. 333.

Caiorimétrie, — II. a* fasc. 12

traire avec la composition ; mais il s'approche du premia se confond avec lui quand la formule chimique deralliagec* verge vers PbSn'. Alors la fusion se fait tout d'une pi comme pour un corps simple. En ajoutant ensuite à Pbi des proportions de plus en plus grandes d'étain ou de ploi on voit reparaître le point de solidification variable, qui s'él de plus en plus, jusqu'à atteindre à la limite les points de fus de rétain ou du plomb. Rudberg conclut judicîeusementde fiuts que Talliage PbSn^ est le seul qui ne se dédouble pas, il le nomme Y alliage chimique. Des phénomènes semUil se retrouvent avec les autres métaux. Avec le plomb, le I muth et rétain mêlés en proportions quelconques, on obse toujours un point fixe de 9f° qui correspond à PbSnRS deux autres points mobiles qui dépendent de la composili et qui répondent à des alliages variables. Voici Tun desublei de Rudberg :

Temps du refroidissement de lo® e/i lo".

lEMPl'R.VTlRE.

pi.oun.

Pb'Sn.

PbSn.

PbSn'

PbSn".