La chaleur est un mode de mouvement

On pourrait multiplier ces expériences ou ces exemples. Tout y est inexplicable si la chaleur est quelque chose de matériel. Il y aurait en effet alors .création de matière, tandis que partout ailleurs, dans la physique, dans la chimie, dans le monde vivant, on n'assiste qu'à des transformations de la matière, mais jamais à sa création. Au contraire, tout dans ces expériences se comprend facilement si la chaleur est un mode parliculier de mouvement. Dans toutes, en effet, les matériaux mis en œuvre sont restés à la fin ce qu'ils étaient à l'origine. Notre cube de plomb et notre marteau n'ont pas

changé; de même le bouton que nous avons frotté, le tourillon et les paliers, qui se sont échauffés, mais sont restés ce qu'ils étaient. De même notre étain fondu, qui ressort du tube à l'état sous lequel il y est entré. Mais partout aussi il y a eu une dépense de force et de mouvement, qui ne s'est traduite par aucun autre effet sensible que la production de chaleur.

89. Demandons-nous comment s'est faite la traduction. La manière la plus simple de la comprendre est évidemment de supposer que l'impression que nous appelons chaleur résulte elle-même d'un mouvement qui, existant dans le corps chaud, se transmet, sous forme de mouvement communiqué, à nos organes, à nos nerfs et à notre cerveau qui seul en a conscience.

La première objection qui vient à l'esprit, c'est que ce mouvement est, sinon invisible (car, en somme, il a pour traduction un phénomène de dilatation), du moins bien peu visible. Mais il y a d'autres mouvements tout aussi peu visibles dont nous avons pourtant conscience, qui se traduisent par des impressions en apparence très éloignées de tout effet mécanique, et qui n'en sont pas moins des mouvements. Je prendrai pour exemple les phénomènes sonores.

90. Assimilation aux phénomènes sonores. Amplitude et durée d'une oscillation. — Une tige métallique élastique que Ton fixe par sa partie inférieure en la mordant entre les mâchoires d'un étau, et que l'on fait vibrer, exécute autour de sa position d'équilibre ab (fig. 73), des oscillations dont l'amplitude, c'est-à-dire l'angle d'écart a'ba'\ va en diminuant peu à peu. Ces- oscillations sont d'abord assez lentes pour qu on puisse les compter et savoir par conséquent quelle est leur durée. On s'aperçoit bien vite de ce premier fait important que la durée de f oscillation est indépendante de l'amplitude^ tant que cette amplitude ne dépasse pas certaines limites, et que, par conséquent, dans ces limites, les oscillations sont isochrones comme celles d'un pendule.

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Comme pour le pendule, la durée de roscillation diminue avec la longueur de la partie vibrante. Si on raccourcit en

efiet la tige en la mordant un peu plus haut, ses oscillations, toujours isochrones, deviennent de plus en plus rapides à mesure que la tige vibrante se raccourcit, et en même temps on entend la tige, d*abord silencieuse dans son mouvement, donner un ronflement sourd qui se transforme peu à peu en un son musical. Quand la tige vibrante est devenue très courte, la main est un organe trop grossier pour la mettre en mouvement, mais en l'ébranlant alors au moyen d'un archet, on peut en tirer des sons de plus en plus aigus. A ce moment, les oscillations autour de la position d'équilibre sont devenues invisibles, mais on peut les manifester par des moyens spéciaux, et d'ailleurs, comme il n'y a nulle part de solution de continuité dans cette série de phénomènes, nous sommes autorisés à conclure que la sensation que nous appelons son résulte d'un mouvement oscillatoire invisible dans notre tige vibrante. Nous pouvons même aller plus loin, et admettre : l^^que ce mouvement oscillatoire est encore isochrone comme au début; 2® que sa durée, c'est-à-dire la période de la vibration, est indépendante de l'amplitude ; 3** que cette durée décroît avec la longueur suivant une loi que nous pouvons nous dispenser de rechercher pour le moment; 4** que la qualité du son que nous appelons sa hauteur y et que l'oreille est capable d'apprécier avec beaucoup de précision quand elle est exercée, augmente h mesure que diminue la durée ou la période de la vibration, et est, comme elle, indépendante de Tamplitude.

C'est ce qu'on vérifie en acoustique, en employant, par

Pig. 73.

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Fig. 74.

exemple, un diapason. En le mettant devant Toreille après l'avoir ébranlé, ou en l'écoutant à distance, pendant qu'il repose sur sa caisse d^harmonie (fig. 74), on entend un son, toujours le même, le seul que le diapason puisse produire, et qui dépend de la longueur et de la section de la barre d'acier qui le forme. Mais ce qu'on entend aussi, c'est que ce son, tout en restant à la même hauteur, diminue d'intensité, r Nous rattachons sans peine ^ cette diminution d'intensité à la diminution d'amplitude, et nous concluons que la hauteur et l'intensité d'un son sont deux qualités indépendantes. La première dépend de la longueur de la partie vibrante, la seconde de son angle d'écart avec sa position d'équilibre.

91. Timbre. — Une notion non moins claire, tant qu'on reste dans les généralités, est que le son a une autre qualité que son intensité et sa hauteur. On peut accorder une corde de violon avec un diapason, s'arranger même pour en obtenir des sons non seulement de même hauteur, mais aussi à peu près de même intensité. Les deux sons n'en restent pas moins fort distincts et présentent des timbres différents, résultant évidemment, comme impression, de la diversité des mouvements transmis à la membrane du tympan. Cette diversité existe évidemment aussi, sous une forme ou sous une autre, dans les vibrations des deux corps sonores, et nous concevons par suite que des vibrations peuvent se ressembler par leur amplitude et leur durée, et s'exécuter pourtant de façons diverses. Pour prendre un exemple concret, si, au lieu d'ébranler la tige dont nous nous servions

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tout à rheure en la laissant dans son plan, nous nous arrangions pour faire décrire à son extrémité supérieure non plus Tare a'a" (fig. 73), mais une circonférence ayant a a" comme diamètre, ou une ellipse ayant aV comme grand axe, nous aurions des vibrations qui, si elles étaient perceptibles à l'oreille, auraient la même hauteur et la même intensité, mais des timbres différents.

En résumé, Toreille reçoit, traduit sous forme d'impression, et analyse même avec précision, en vertu de ses qualités propres, un mouvement tout à fait insensible pour Tœil. Rien ne nous empêche donc d'admettre que l'œil puisse recevoir et traduire sous forme d'impressions lumineuses, et la peau, sous forme d'impressions caloriGques, un autre mouvement invisible comme effet matériel.

92. Transformation du mouvement calorifique en mouvement sonore. — Ces deux sortes de mouvementinvisibles, sonore et caloriflque, peuvent même se transformer l'un dans l'autre, comme nous avons vu du travail dépensé se transformer en chaleur. Assujettissons, avec Rijke, 5 ou 6 disques, taillés dans une toile métallique, à l'extrémité d'un fil de cuivre un peu fort, et après avoir chauffé les toiles m (fig. 75), introduisons-les dans un large tube de verre ouvert aux deux bouts. Nous entendrons un son se produire lorsque les toiles seront arrivées à un certain niveau, et durer aussi longtemps qu'il règne une différence sensible de température entre ces toiles et l'air ambiant.

C'est de la chaleur qui est devenue du son. Ces toiles se refroidissent plus vite qu'elles ne le feraient dans l'air ambiant ou dans une région du tuyau oii elles ne produisent pas de son, parce

Fig.

qu'elles dépensent constamment à produire le mouvement sonore, à mettre en mouvement Tair du tuyau et celui du voisinage, une partie du mouvement calorifique dont elles étaient animées.

93. Hypothèse de Téther. — Notre hypothèse, qui Fait de la chaleur un mode particulier de mouvement, est donc acceptable; mais, sitôt qu'on accepte cette assimilation avec les phénomènes sonores, une objection se dresse immédiatement. Nous avons montré que la chaleur se propage facilement dans le vide ; or, il n'en est pas de même du son, qui peut se transmettre aisément par les solides, les liquides, les gaz, mais qui exige une matière pondérable, si bien qu*il ne passe pas au travers du vide. Il y a une autre différence. L'espace parcouru dans une seconde par le mouvement sonore, ce qu'on appelle la vitesse du son» est de 331 mètres dans Tair sec à 0^ de 1,435 mètres dans l'eau à 8®, et ne dépasse pas de beaucoup ce chiffre dans les corps solides les meilleurs conducteurs du Son. Ce sont là des chiffres qui, pour grands qu'ils soient, ne sont pas disproportionnés avec ceux que nous pouvons mesurer et réaliser dans d'autres mouvements. Mais la vitesse de la lumière atteint le chiffre élevé de 300,000 kilomètres par seconde dans le vide, et Timagination a le droit de reculer devant l'idée d'un mouvement mécanique se propageant avec cette vitesse.

Nous touchons ici à l'un des points les plus délicats de notre conception. La transmission de notre mouvement calorique exige nécessairement un milieu. Ce milieu doit jouir d'une élasticité parfaite pour que la chaleur et la lumière ne subissent pas de pertes en le traversant. Si elles y rencontraient de la résistance, elles devraient se dépenser en partie pour en triompher. Ce milieu doit remplir non seulement le vide des espaces célestes, mais aussi l'air, le verre, les corps transparents ou diathermanes, par lesquels la lumière ou la chaleur peuvent passer. S'il remplit le vide, nous devons le croire impondérable/ car la seule façon que nous aurions d'évaluer son poids consisterait à peserun certainespace

d'abord plein, puis vide de ce milieu. Or, nous ne connaissons aucun moyen de le faire disparaître d'aucune des régions qu'il occupe. 11 est donc peut-être pondérable, mais nous devons le traiter comme s'il ne Tétait pas. S'il est parfaitement élastique et impondérable, on comprend qu'il puisse obéir avec une grande facilité aux impulsions qu'il reçoit, et les transmettre avec vitesse. C'est cette conception que les physiciens ont symbolisée dans le mot éther. L'éther remplit le monde, et ne se révèle à nous que comme agent de transmission des vibrations lumineuses et calorifiques.

94. Relations entre Téther et les molécules pondérables — Nous admettrons donc que le mouvement, calorifique est un mouvement vibratoire qui se propage autour du corps chaud par l'intermédiaire de l'éther : celuici, quand il est excité en l'un de ses points, devient le siège d'ondes sphériques analogues aux ondes sonores, ou encore à celles que Ton voit naître et grandir autour d'une pierre tombant dans une eau tranquille. Ce mouvement ondulatoire se propage avec une vitesse constante de 300,000 kilomètres par seconde dans toutes les directions. Tant qu'il ne rencontre devant lui que le vide et l'éther qui le remplit, il n'estsoumis à aucune perturbation, lesondes sont sphériques, et l'intensité décroît en raison inverse du carré de la distance. Quand il rencontre un corps matériel, il se modifie. Une portion du mouvement se réfléchit à la surface du corps, à la façon des ondes sonores qui produisent l'écho, et l'ensemble des mouvements réfléchis donne naissance au rayon réfléchi. Une autre portion pénètre et se propage au travers de l'éther que nous avons supposé remplir le corps, et cellelà est très diversement traitée. II y a des corps tellement faits que Téther en mouvement dans leur intérieur ne communique pas son mouvement aux molécules matérielles. Au travers de ceux-là, la lumière et la chaleur passent comme s'ils n'existaient pas; ce sont les corps parfaitement transparents et diathermanes. Mais ils sont en petit nombre, et ceux qui ont ces qualités ne les ont que sous une très faible

épaisseur. Le cas ordinaire est que quelques-uns des rayons entrés passent sans difficulté, pendant que d'autres sont sélectionnés, tamisés et si bien arrêtés au passage, qu'au travers d'une épaisseur convenable, ils n'existent plus. Cela veut dire que certains des mouvements vibratoires du faisceau calorifique se dépensent k mettre en mouvement les molécules matérielles du corps; que, pour ceux-là, Téther ne peut se mouvoir entre ces molécules sans les entraîner dans son mouvement. Ces molécules se mettent donc aussi à vibrer, et le corps s'échauffe. Une fois échauffées, la même raison qui fait que Téther ne pouvait se mouvoir entre elles sans les agiter, fait qu'elles ne peuvent pas vibrer sans mettre Téther en mouvement; elles deviennent donc le siège d'une émission plus ou moins rapide, et voilà précisément pourquoi le pouvoir absorbant et le pouvoir émissif marchent toujours du même pas. Ils sont tous les deux la traduction^ d'un même fait, une telle liaison entre l'éther et les molécules du corps que l'un ne puisse vibrer, au moins pour certaines vibrations, sans entraîner les autres. Quant aux corps opaques ou athcrmanes, c'est la totalité du faisceau qui s'y éteint et s'y dépense en mouvements calorifiques, l'éther ne pouvant, dans ces corps, prendre aucun mouvement auquel ne participent les molécules matérielles.

cette conception est exacte, on peut tout de suite en tirer une conclusion vérifiable parrcxpérience. De même qu'il faut une dépense de travail pour en mettre en jeu et en vibration les tuyaux d'un orgue et obtenir une certaine quantité de son, de même il faudra dépenser un certain travail pour obtenir une certaine quantité de chaleur. Nous pouvons même prévoir que si le mouvement calorifique est quelque chose d'invariable et de toujours identique à lui-même, comme l'est le son rendu par un diapason, la dépense de travail à faire pour obtenir une certaine quantité de ce mouvement sera toujours la même, quelle que soit la source à laquelle on emprunte ce travail, de sorte qu'il doit exister une relation

us COURS DE PHYSIQUE.

d'équivalence entre l'élévation de température subie par un corps et la quantité de travail dépensée sur ce corps, quelle que soit l'origine de ce travail, à la seule condition qu'il soit tout entier employé à élever la température du corps. C'est, en effet, ce qu'une expérience, plusieurs fois répétée, a prouvé, 11 faut, pour élever de 1° la température de 1 kilogramme d'eau, dépenser sur cette eau la force mécanique qui résulte de la chute de 425 kilogrammes tombant de i mètre de hauteur, ce qui revient à dire qu'il faut dépenser, sur ce kilogramme d'eau, dans un travail quelconque, 425 kilogràmmètres. Ce nombre 425 est celui qui joue un rôle si important dans la science et l'industrie sous le nom d'équivalent mécanique de la chaleur.

La première réflexion qu'il inspire est que dépenser 425 kilogrammèlres pour élever de 1® seulement la température de 1 litre d'eau, c'est travailler beaucoup pour récolter peu. Cette Iranformation du travail en clialeur est, en effet, peu usuelle dans l'industrie, et il en sera sans doute de même, tant que nous aurons à notre disposition des ressources suffisantes de combustible, c'est-à-dire de force. La transformation inverse de la chaleur en travail est en ce moment beaucoup plus avantageuse, et le chiffre élevé de l'équivalent mécanique de la chaleur nous est alors favorable,, car avec la dépense faibJe de combustible qui correspond à un abaissement de température de 1° dans 1 litre d'eau, on obtient un travail de 42S kilogram mètres.

96. Travaux divers de la chaleur appliquée à un corps. — Travail intérieur. — Cherchons maintenant, de plus près, à quoi se dépense ce travail extérieur, c'est-à-dire tâchons de scruter les effets de la pénétration de la clialeur dans un corps. Nous en rencontrons tout de suite un, c'est 1 effet de dilatation. Sauf quelques rares exceptions, tout corps qui s'échauffe se dilate, c'est-à-dire que ses molécules s'écartent les unes des autres. Or, elles s'attirent très fortement, ou du moins sont fortement unies. Pour obtenir à froid le même écart que sous l'action de la chaleur.

par exemple, pour allonger sans réchauffer une barre de fer, d'une quantité égale à celle qui résulte de réchauffement de i°, il faut dépenser un travail mécanique. Rien ne nous autorise à penser que la résistance à vaincre soit moins grande quand c*est la chaleur qui agit, et voilà, par conséquent en dehors d'un autre phénomène consommateur de force que nous retrouverons tout à l'heure, une première dépense à laquelle il faut suffire à Taide de la chaleur ou du travail dépensé extérieurement sur le corps.

Toutefois, cette dépense, qui correspond au travail d'écartement des molécules, est peu considérable pour les solides et les liquides^ parce que l'allongement d'un fil étant toujours faible, lors même que le poids tenseur est considérable, le travail de chute de ce poids, c'est-à-dire le produit du poids par le chemin parcouru, est toujours très petit. A cause de la valeur élevée de l'équivalent mécanique de la chaleur, la quantité de chaleur nécessaire pour produire ce travail est par suite négligeable vis-à-vis de celle qui est nécessaire pour échauffer le fil. Le travail intérieur est encore beaucoup plus négligeable dans les gaz dont les molécules s'écartent et se rapprochent presque sans effort. En revanche, comme les gaz se dilatent beaucoup, ils ont à produire un travail extérieur, qui étail, à son tour, négligeable dans les liquides et dans les solides.

97. Travail extérieur. — Imaginons, en effet, un litre d'air à 0® (fig. 76), enfermé dans un vase imperméable à la chaleur, et limité à sa partie supérieure par un piston très mobile glissant sans p'^

frottement sur les parois du vase. Supposons cet air à la pression atmosphérique, et imaginons que par un moyen quelconque nous le chauffions de 1°. ^^mmmmëmmm'^

S'il conserve sa pression, ce qu'il fera „. „

si le piston est très mobile, ce piston

s'élèvera d'une quantité mesurable, et tout se passera comme

si le gaz avait dû soulever de la même quantité une colonne

Liire

m COITRS DE PHYSIQUE.

de mercure de 76 centimètres couvrant toute la surface du piston. De là un travail extérieur qui, comme le travail intérieur des liquides et des solides, exigera la consommation d'une certaine quantité de force. Cette force ne sera pas jperdue; quand les molécules du liquide et du solide se rapprocheront par le froid, quand le piston s^abaissera sous rinfluence d'un refroidissement, il y aura restitution, et même restitution intégrale du travail absorbé. Mais il n'en est pas moins vrai qu'une portion du travail dépensé ou de la chaleur appliquée au corps s'immobilise et se dépense dans ce travail mécanique de la dilatation.