MESURE DE LA PRESSION D'UN GAZ

SI donc S représente la surface A en centimètres èarrés, h la différence des niveaux du mercure en centimètres» et 13,69 la densité du mercure, la pression P s'exprimera en grammes par

Dans la mesure que Ton fait de la pression des gaz, on con- Tient généralement de prendre Funité de surface pour étendue pressée; alors la pression est représentée par A. 13,59; puis, comme elle est proportionnelle à la hauteur A, on se contente iitbituellement d'exprimer cette hauteur. On dira donc une pression de o", 10, o*", i5, ù^^io^ et cela devra se traduire ainsi : la pression exercée sur Tunité de surface est égale au poids d*une colonne de mercure qui aurait cette surface pour base et o*, 10» G", 1 5, o°*, 10 de hauteur. Telle est la méthode générale pour apprécier et exprimer la pression d'un gaz, et nous pourrons en particulier l'appliquer à l'atmosphère.

L'appareil figuré ci-dessus [fig* 86) offre d'ailleurs un moyen de bien démontrer l'existence de la pression atmosphérique ; il porte un second lubc DEF en communication libre avec l'air par I) et avec la cloche par F. Quand tout est dans Tair, les deux niveaux 1) et £ sont les mêmes; mais, au moment 011 Ion enlève peu à peu le gaz de la cloche, la pression y diminue et le mercure s'élève en E. En même temps il baisse en B et s'élève en A.

CXPÉUnCB DE TOBBICELU (*). — La disposition qui permet de mesurer la pression exercée par l'almosphère a été imaginée par Torricelli. Ce savant prit un long tube de verre fermé par le bas, le remplit de mercure et le retourna dans une cuvette rontenant aussi du mercure; retirant ensuite le doigt, il cessa de soutenir le liquide dans le tube, et alors il le vit baisser et

(*) Cette expérience, dont l'idée est due à Torricelli, fut d*abord réalisée par \ivtarii, son élèTe, en iG'i'f. TorriccUi ne tarda pas à la répétor, et il indiqua la pression atmosphérique comme la cause du phénomène; il reconnut le premier l'existence des Tariations barométriques accidentelles.

Torricelli avait communiqué le résultat de son expérience au P. Mersenno en i*i|t; celui-ci en fit part à Pascal. Voir TnmoT, Note historique sur Vexpérience de Torricelli (Journal de Physique ^ t. I, p. 171), et les Expériences de Pascal sur le vide et la pesanteur de l'air {ibid,, p. 267).

i58 ÉQUILIBRE DES GAZ.

s'arrêler après quelques oscillations à une hauleur de o", 76 en moyenne [fig, 87). lien conclut que la pression de Taimosphère

fait équilibre à une colonne de mercure de o"*, 76 de hauleur. Elle est donc exprimée en grammes par

Fis. ^7-

76 X 13,59 =:io33«%3 sur !">(*) et par

SX76xi3,59=Sx io33*% 3

sur une surface de S centimètres carres. Cest le poids d'une colonne d*air de base S, s'étendant verticalement depuis la surface du sol jusqu'aux limites de Tatmosphère.

L'expérience de Torricelli a été étendue et variée par Pascal; elle fut faite avec de l'eau, du vin et de l'huile (^), et l'élévation des divers liquides fut trouvée en raison inverse de leur densité, ce qui est conforme à la théorie; elle fut répétée sur le sommet des édifices et des hautes montagnes, et la hauteur barométrique y fut moins grande qu'à leur base, ce que Pascal avait prévu ( ' ) . C'est à cette occasion qu'if posa les principes de l'équilibre des liquides et des gaz tels que nous les avons exposés, et qu'il donna la théorie du baromètre à laquelle

(') Dans le système de rAssociatton britannique, runité de force est

et, par suit», la pression de i"" est exprimée parle nombre ioi3 56o.

(') Ces expériences Turent faites à Rouen. Pascal attribuait alors le phénomène à Thorreur du vide (Pascal, Expériences nouvelles touchant le vuide, Paris, 16^7). 11 ne tarda pas à rectifier cette manière de Toir.

(*) La principale expérience fut faite, le 19 septembre 16^8, à Clcrmont- Ferrand et au sommet du Puy-de-Dôme, par Perier, beau-frère de Pascal, et leP. Chastin. L,a dépression au sommet du Puy-de-Dôme fut de 3 pouces i ligne 5. Le résultat de cette expérience fut publié par Pascal {Réc't de la grande expérience de r équilibre des liqueurs; Paris, i6'|ft). Le Traité de l'équilibre des liqueurs, terminé en i653, ne fut publié qi'en i653, après la m3rt de Tautear.

CONSTRUCTION DU BAROMÈTRE. iSg

il n*y eut plus rien d^essentiel à ajouter. Nous allons entrer dans tous les détails nécessaires poui* ^^ire comprendre la construction de cet appareil.

CONSTRUCTION DU B AROMÈTBE ( ^ ) . — On choisit un tube de verre ou de cristal bien droit, régulier dans toute sa longueur et exempt de bulles ou de stries. Pour le nettoyer, ce qui est essentiel, on le lave à Tacide azotique bouillant, puis on le rince avec de l'eau distillée et on le sèche ; ensuite on ferme un des bouts à la lampe, et Ton souflle à Tautre extrémité une ampoule dont on verra bientôt Tusage. Le tube étant prêt, il faut ensuite choisir et purifier le mercure, afin que sa densité soit toujours la même; il faut surtout le débarrasser d'un oxyde noir qui se forme spontanément à Tair, qui ternit le métal et le fait adhérer au verre. Dans ce but, on le traite par Tacide azotique, qui dissout Toxyde et les métaux étrangers, et Ton prolonge Taction en agitant de temps en temps, jusqu'au moment où l'on voit naître des vapeurs rutilantes; ensuite on lave à grande eau et l'on sèche. Après que l'on a terminé ces préparations essentielles, on emplit le tube depuis la base jusqu^à la naissance de l'ampoule avec le mercure purifié.

En examinant l'aspect du mercure dans le tube, on y remarque de nombreuses bulles d'air interposées, mêlées à des gouttelettes d'eau, et, si l'on retournait l'appareil dans un bain, comme le faisait Torricelli, on verrait une partie de ces bulles

^' ) Ce n'est que bien tard que l'on a connu les précautions nécessaires pour lu construction d'un baromètre exact. Au début, on né{];Ii{jeait de faire bouillir le mercure à l'intérieur du tube barométrique, et ce n'était que par hasard que l'on pouvait rencontrer deu\ baromètres comparables entre eux.

Picard ayant observé, en 1675, que, quand il ajitait son baromètre dans l'ubscuritê, la partie supérieure de la colonne devenait lumineuse , divers physiciens, parmi lesquels Jean Bernoulli, cherchèrent, sans succès, soit à reproduire le phénomène à coup sûr, soit à en découvrir la cause. Dufay an- Dooça, en 1/23, que les baromètres dans lesquels le mercure avait bouilli devenaient lumineux par Tagitation, et l'on fit désormais bouillir le mercure pour se procurer des baromètres lumineux. Ce n*est qu'en i7'|0 , cent ans après la découverle du baromètre, que Le Monnicr et Cassini reconnurent que les baromètres ainsi préparés étaient seuls comparables, et vingt-deux ans se paMèrent encore avant que Deluc {Recherches sur l'atmosphère) en donnât l'expUcation. (Pogc., Geschichte der Physik, p. 5o3-5o6 ).

i6o BAROMËTHE.

'monier dans la chambre barométrique et y exercer conséquemment une pression qui Tausserait les indications de l'instrument. Il est donc essentiel de les chasser compléiement, ce qui nécessite l'opcrallon suivante. On dépose ce tube sur un gril incliné où il est soutenu de distance en distance par des appuis de fer ( fig. 88), et l'on place autour de lui ei dans

Fi(. 83.

toute sa longueur des charbons allumés qui l'amènenl ù une température voisine de celle qui met le mercure en ébullilion ; puis on dispose à la base, en B, sur une longueur de c, lo, un petit las de charbons rouges qui suréchaulTent le mercure aux parties qu'ils touchent et le font bientôt bouillir. A chaque bulle de vapeur qui naît, le hquide tout entier se soulève, et c'est pour le retenir qu'il j a une ampoule au sommet; puis il retombe en produisant l'elTet du marteau d'eau, c'esi-à-dire des secousses répétées qui agitent brusquement le lube et le briseraient ceriainemenl si l'opérateur ne surveillait constamment i'ébullUiou et ne la modérait en reliranl ou remcllant des charbons, suivant qu'elle marche trop vile ou trop lentement. .\u bout de cinq minutes environ, on enlève un à un les charbons qui sont à la base du tas B pour les porter à son sommet, ce qui arrête rébuUition en bas pour la faire naître plus haut, et, en continuant peu à peu ce transport des charbons tout le long du tube, on fait successivement bouillir toutes les parties du mercure qu'il contient, et l'on balaye par la vapeur qui se forme toute l'humidilé et tout l'air qui étaient primilivcinent restés en adhérence avec le verre.

1 complél

changé

Scelle opéralion, le m d'aspect. Non-seulemenl les bulles ont disparu, mais la surrace a pris réclul vif et métallique du miroir le plus parfait : c'est à ^■K signe cjue l'on reconnaît si le baromètre est bien purgé. ^^L.Aprés le rerroidissemeni,.on coupe l'ampoule qui terminait ^^BXtrémité ouverte du lube, on achève de remplir avec du ^Hftercure sec et chaud, jusqu'à ce que le summei liquide dé~ ^Knsse les bords du tube par un bouton convexe; ou Terme avec ^Bb doigl en écrasant le bouton, et l'on retourne l'appareil pour te plonger dans le bain comme le faisait Torricelli. il faut s'assurer (]u'au moment où l'on enlève le doigt aucune bulle d'air ne remonte dans la chambre barométrique. Quand un baromètre a été construit comme nous venons de ^HjB dire, il faut le munir d'une échelle divisée en ^.^ ^^ ^■■rillimêlres pour mesurer à chaque moment la instance verticale des deux niveaux; or, comme (e mercure ne peut s'élever dans le tulie sans baisser d'une quantité correspondante dans la cuvette, il faudra que l'échelle soit disposée pour >)ue l'on puisse à la fois observer les positions des deux sommets, puisqu'ils sont tous deux variables. Celte nécessité complique l'appareil, et l'on a inventé pour j satisfaire diiTérenies dispositions qne nous allons faire connaître.

BASOM£tbe mx, — Si le baromètre est destiné j des eipèrienccs précises de laboratoire, et (ju'il ne doive pas être déplacé, on emploie pour cuveue une auge de fonle qui a la forme d'un piiraOclépipède recLingulaire droit {/ig.f^]- Oii la Axe coiitre une ploiiche épaisse scellée dans le n soutient le tube barométrique par des s B et C, et les mesures des hauteurs sont prises avec un catliétomètre réglé à l'avance et imaïuabloroent établi en face de l'appareil. Pour obtenir ces mesures avec toute l'exactitude pos- •ible, on a dispos/' au-dessus de la cuvetie une vis verticale à ifux pointes \ que l'on manœuvre au mojen d'un bouton

l-ie- 90-

iCa BAROMÈTRE.

filelé, et qui monte ou descend dans un écrou immobile. Au moment où l'on veut opérer, on fait descendre la pointe inférieure jusqu'à loucher le mercure, et l'on réalise ce contict avec une extrême précision, car l'observateur voit à la fois ta pointe el son image réfléchie pat le mercure marclier l'une vers l'autre quand on approche de l'afTIeurement, se loucher quand on l'a atteint, el la surface de mer^ cure se déprimer en ombilic quand on le dépasse. Une fois le contact obtenu, on vise avec le cathétomètre le niveau du mercure dans le tube d'abord, puis la pointe supérieure de la vis, et, pour avoir la hauteur cherchée, on ajoute à la course de la lunette la longueur de la pointe affleurante, qui est constante et que l'on mesure une fois pourioutes. De tous les baromètres, celui-ci est le plu» simple, et de toutes les méthodes pour mesurer les hauteurs, celle que nous venons d'indiquer est la meilleure, car, pourvu que le cathétomètre soit bien réglé, et l'on peut toujours vérifier ce réglage , on trouve directement la différence verticale des niveaux; ensuite on obtient l'affleurement de la pointe avec une grande rigueur, cl, en troisième lieu, la mesure est faite par la plus exacte des méthodes connues, au moyen d'une lunette qui grossit les objets visés, et avec une précision qui dépasse iV de millimètre. Ce baromètre est dû à Rcgnault.

BAHOHËTBE DE FOUTIH. ~ )Iais il n'est pas toujours possible d'installer le baromètre comme nous venons de le faire.

Puisqu'il doit servir à mesurer la hauteur des montagnes, il faut le rendre portatif, el, sans diminuer la précision des mesures, il faut simplifier le moyen de les faire.

BAROMÈTRE DE FORTIN. iG3

Le baromètre de Fortin, que nous allons décrire, satisfait pleinement i ces nécessités. La cuvette, représentée en coupe dans \^fig' 90, est formée : i® par un couvercle de buis CC, doublé de cuivre extérieurement et surmonté d'un tube central BB pour laisser passer le baromètre; 2<* par une lanterne cylindrique de verre DD mastiquée à ses deux bouts, et maintenue par trois tiges de cuivre à vis dont Tune se voit en CH; 3* par un large tube vissé EFGH qui porte une vis ascendante Q; 4* par un cylindre de buis MNMN qui est composé de deux bagues vissées Tune sur Tautre, la première MM Oxéea Tenveloppe, et la deuxième NN qui peut se démonter et qui se prolonge par un sac de peau de chamois lié sur son contour : ce sac est le fond de la cuvette; il soutient le mercure qu*elle renferme, et il est lui-même appuyé sur rextrémité de la vis Q. Toutes ces pièces sont figurées en perspective, démontées et renversées, dans la /ig-. c)3.

On conçoit qu'en élevant ou en abaissant la vis Q on fait monter ou descendre le fond mobile, et par suite le mercure qu'il renferme; on peut, dès lors, profiler de rolto disposition pour amener à un point invariable le niveau dans la cuvette. \ cet effet, le couvercle CC est percé d'un trou latéral qui donne accès à une pointe d'ivoire A invariahlement fixée et dont l'extrémité marque le niveau constant où Ton ramène le mercure au moment de chaque observation, en faisant jouer la vis Q. L'affleurement se règle avec la même précision et par le même moyen que dans l'appareil précédent.

Il nous reste à décrire le tube barométrique qui vient plonger dans la cuvette à travers l'ouverture centrale BB (fig. 90 ). Une pièce de peau de chamois, liée d'une part sur lo tube et de l'autre sur le prolongement BB, fixe ces parties ruiio à l'autre, laisse pénétrer l'air sans obstacle dans la cuvette; mais, étant imperméable au mercure, elle l'empocherait de s'échapper s'il arrivait jusqu'à elle. Pour garantir le tube des <^hocs qu'il pourrait recevoir, on le couvre d'une enveloppe c.vlindri(|ue de cuivre qu(î l'on visse en BB et sur laquelle est tracée en millimètres une division dont le zéro correspond à la pointe d'ivoire, c'est-à-dire a\i niveau constant 011 le mercure est ramené à chaque obser\'ation. Dans le haut, l'enveloppe est coupée Ion-

Mr. 91.

i';4 BAROMÈTRE,

giiudinalemeni par deux Tentes opposées [fig. 91)' à travers lesquelles on voit le sommet A du mercure et où se meut un curseur annulaire D que l'on Tait monter ou descendre au moyen d'un pignon C le long d'une crémaillère. Si l'on veut faire une mesure, on descend le curseur en tenant l'œil dans le plan horn zontal qui passe par ses bords antérieur et postérieur, jusqu'au moment où ce plan devient tangent à la surface supérieure du mercure. Ce curseur porte un vernier dont les

divisions courent le long de celles qu'on a

il ' lll^^l marquées sur le tube. Le zéro fait connatire le 11^^^ nombre de millimètres, et le numéro de la di-

I,|II^^H vision coïncidente exprime les dixièmes; II^^H Tel qu'il vient d'être décrit, le baromètre de

""^^^^ Fortin nous offre un premier avantage : c'est que, le niveau extérieur y étant ramené à une hauteur constante, avec une erreur négligeable, il n'y a qu'une observation à faire et qu'une erreur de lecture à craindre ; mais c'est surtout au moment où on veut le transporter que sa supériorité se révèle. Si l'on incline brusquement un baromètre ordinaire, on voit le mercure se précipiter vers le sommet du tube et le frapper violemment en faisant l'effet du marteau d'eau, et, comme dans les voyages ces cliocs se repéteraient à chaque instant, les dangers de rupture seraient continuels. Outre cela, si l'on retourne le tube ou si l'on agite vivement la cuvette, on y fait pénétrer de l'air, et l'on doit toujours craindre que des bulles gazeuses, arrivées jusqu'à la chambre barométrique sans être aperçues, n'aient faussé l'instrument. Le baromètre de Forlin rend tous ces .iccidents ii peu pn''S impossibles. Quand on veut le transponer, on soulève peu à peu la vis Q; alors le mercure monte dans la cuvette qu'il remplit d'abord en chassant à travers In peau de chamois l'air qu'elle contenait, puis il s'élève dans le tube Jusqu'oit commet, et aussitôt qu'il y arrive l'opérateur en est overti par une résistance subite que la vis lui oppose. Il

BAROMÈTRE DE FORTIN. i63

est «lors «ssuré que le mercure oe peut plus éprouver de bal-

Ffg. 93.

loitemcnts, que l'iniroduction de l'air est devenue impossible,

i66 BAROMÈTRE.

et il peut sans aucun danger incliner, renverser ou agiter Finstrument sans avoir aucune altération ni aucune rupture à redouter. On enferme ordinairement le baromètre dans un étui muni d'une bandoulière, ou dans une canne creuse [fig. 9^) qui se divise en trois parties articulées, lesquelles ont aussi leur utilité, car elles forment un support pour accrocher l'instrument au moyen d'une suspension à la Cardan. Si enGn, malgré toutes ces précautions, le baromètre vient à se briser, il est toujours possible à un voyageur de le reconstruire, et, comme on y est quelquefois obligé, nous devons entrer dans quelques détails sur celte opération.

Après avoir fait bouillir le mercure dans le tube comme nous Tavons indiqué, il faut réunir ce cube à la cuvette. A cet effet, on perce dans un morceau de peau de chamois un trou étroit à travers lequel passe l'extrémité ouverte du tube jusqu'au delà d*une dilatation D(^g'. 93, n® i); puis^ avec un fil ciré, on fixe la peau sur le tube en laliant solidement. Introduisons alors la pointe du tube dans le goulot central BB de la cuvette renversée (n<» ^I; elle y pénétrera jusqu*à la dilatation D,qui a été faite à dessein plus grande que l'ouverture du goulot. Alors nous retournerons la peau de chamois sur elle-même pour la ramener sur le goulot BB, et nous la lierons avec soin ; après quoi nous en couperons les bords/el, le baromètre étant fixé à la cuvette, nous pourrons tout de suite l'introduire dans son enveloppe, que nous visserons sur Técrou BB.

Dans cette position, Texlrémité ouverte 0 du tube s'élève verticalement dans la cuvette retournée. Le fond étant démonté et la deuxième basue NN n'' 3' du cvlindre de buis étant dévissée, on verse du mercure autour du tube jusqu'à recouvrir son extrémité 0 et établir la continuité entre celui que l'on verse et celui qui remplit le tube. Après quoi il n'y aura plus qu'à revisser la pièce NN, puis le tube GllEF n° .\] qui porte la vis Q, à serrer celle-ci sur le fond de peau de chamois, et l'appareil se trouvera précisément dans la situation où on le place quand on veut le transporter.

GORBEGTIORS / ;. — Quand on fait une mesure barométrique.

, ' . La lucessité des corrodions relatives à l'efîet de la température a été iu-