CALORIQUE LATENT

La chaleur, en agissant sur les corps, détermine leur changement d’état et les fait passer de l’état solide à l’état liquide et de l’état liquide à l’état de fluide élastique. Nous avons examiné ces trois états et les variations de volume qui en résultent; nous avons cherché à déterminer la quantité de calorique nécessaire pour produire ces variations. Maintenant nous allons revenir sur un phénomène très important qui a lieu lorsque les corps changent d’état.

Pour qu’un corps passe de l’etat solide a 1 état liquide, il faut le chauffer : de même pour le faire passer de l’état liquide à l’état de fluide élastique, il faut lui donner de la chaleur. Pendant le changement d’état, il y a une absorption de calorique plus ou moins considérable, en raison des corps, qui n’est pas rendue sensible au thermomètre et que 1 on appelle, à cause de cela, chaleur latente , calorique latent. On acquiert la preuve de l’absorption de ce calorique qui n’est pas accusé, par le thermomètre, en prenant de la glace pilée, que l’on met sur un feu très ardent. Tant qu’il y a de la glace à tondre,

la température de cette glace qui est ainsi soumise à l’action de la chaleur reste constante, bien que la source de chaleur soit très intense. Si c’était un autre corps, un morceau de fer, qu’on exposât à la chaleur, ce corps prendrait de la chaleur. Si c’était de l’eau simple qui eût déjà changé d’état, sa température s’élèverait progressivement jusqu’à l’ébullition.

Lorsqu’on fait cette expérience, il faut qu’on ait l’attention de bien remuer la glace; car vous concevez que s’il y avait une portion d’eau formée dans un endroit , cette eau s’échaufferait comme un corps qui ne change pas d’état; et alors ce ne serait plus la glace que vous échaufferiez, ce serait l’eau. Lors donc que vous remuez le mélange d’eau et de glace, le thermomètre reste stationnaire : cependant il est évident qu’il y a de la chaleur, puisqu’il en faut nécessairement pour fondre la glace. Oû passe cette chaleur qui n’est point accusée par le thermomètre ? Elle est absorbée par la glace qui passe à l’état liquide.

Si on faisait la même opération sur divers corps solides, on trouverait le même résultat. Ainsi le plomb s’échauffe considérablement et peut aller jusqu’à 5oo° et même plus loin sans se fondre ; mais une fois qu’iî commence à se fondre, et tant qu’il restera en fusion, sa température ne s’élève plus. Le soufre serait dans le même cas ; en général tous les corps solides , quand on les expose à l’action de la chaleur, s’échauffent, et le thermomètre qui est mis en contact avec eux s’élève continuellement jusqu’au point de fusion ; mais une fois que les corps sont parvenus à ce point de fusion, alors le thermomètre reste stationnaire, et il ne reprend sa marche que lorsqu’il n’y a plus de changement d’état à produire.

Si maintenant on prend un corps liquide et qu’on le soumette à l’action de la chaleur, le même phénomène a lieu; ainsi l’eau s’échauffe jusqu’à bouillir, mais une fois qu’elle est en ébullition, sa température ne s’élève plus. L’eau bouillera plus rapidement, mais le thermomètre restera constant. Il en est de même de tous les corps.

Nous pouvons donc regarder comme incontestable que, pendant que les corps passent de l’état solide à l’état liquide et de l’état liquide à l’état de fluide élastique, il y a une absorption de calorique qui est due au changement d’état, pendant lequel changement le thermomètre reste parfaitement stationnaire.

Vous sentez qu’il y a quelque intérêt de pouvoir mesurer la quantité de chaleur ainsi absorbée, dans chaque circonstance, par les divers corps. On n’a pas fait à cet égard beaucoup d’expériences; nous indiquerons seulement la manière dont

,n 0Dère à l'égard de l’eau, qui est le corps qui nous intéresse

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nous en pi , t kilogramme de glace a zéro,

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deux kilogrammes d eau a zéro, tu esi is„ue

le raisonnement très simple qu il taut taire .pi 1 nous avions un kilogramme d’eau i75” et un kilogramme de o-hce à zéro et que nous avons maintenant deux kilogrammes d’eau à zéro, il est évident que la quantité de chaleur contenue dans le kilogramme d’eau, depuis zéro jusqu a ?5 , disparu- elle a été^employée à fondre un kilogramme de glace. Donc un kilogramme de glace a besoin pour fondre d’une quantité de chaleur telle, que si on l’appliquait à un kilogramme d’eau à zéro, cette quantité de chaleur eleverait ce

kllMnsi'T calloriqueht’eiit ou la chaleur latente de la glace est exprimée par Nous entendons par la que si un poids égal d^eau était élevé de o° à 75°, la quantité de chaleur serait é|ale à celle qui est employée par la glace pour se fon . re. clst de cette manière simple qu’on dit que le calorique latent

^N^lTouvlt prendre un autre exemple: soit un kilogramme de glace que je suppose à la te mperat u rc dc ze^ o u au-dessous ; je mêle cette glace avec quatrek logrammes d eau à 25". Lorsque ce mélange est parfaitement Ual , ) que la température du mélange est de 5 . oy ... JLmmes passé dans cette expérience. Nous avions quatre kilogrammes

d’eau à 25°; c’est comme si nous avions un kilogramme à ioo°, cela est évident. Après cemélange, nousavons cinq kilogrammes,des quatre kilogrammes d’eau et le kilogramme de glace fondue, le tout à la température de 5°. Or, cinq kilogrammes d’eau à 5°, c’est comme si nous avions un kilogramme d’eau à 25°. Donc, il y a eu 75° qui ont disparu, et c’est celle quantité de chaleur précisément qui a été employée par la glace pour se fondre.

Si l’on fait des expériences analogues sur d’autres corps, comme le bismuth, le plomb, l’étain, etc.; on trouvera les résultats suivans, dont cependant je ne garantis pas l’exactitude comme pour l’eau.

En prenant le calorique latent de l’eau, et en le faisant

égal à .... . 1,00

On aura pour le calorique latent :

de l’étain. . o,2o5

du bismuth. 0,22

du plomb. 0,08

du soufre 0,10.

Il faut remarquer que puisque les corps en fondant absorbent de la chaleur, lorsque ces corps fondus viendront à se solidifier, ils abandonneront précisément la même quantité de chaleur qu’ils avaient absorbée, parce que rien ne se perd dans la nature. De sorte que toutes les fois qu’il y a une absorption de chaleur par un phénomène, lorsque le corps revient ensuite à son premier état, la chaleur absorbée se reproduit en totalité.

Ce principe posé, venons-en à la démonstration. Pour cela, je prends un procédé inverse de celui que j’ai employé tout à l’heure, c’est-à-dire qu’au lieu de chercher la chaleur absorbée par le corps qui se fond, je vais chercher la chaleur donnée par le corps qui se solidifie. Je prends le plomb pour exemple. Après avoir fait fondre une masse de plomb, je la laisse se congeler en partie pour être bien assuré de sa véritable température. Alors je la fais tomber dans une masse d’eau dont le poids m’est connu, ainsi que celui du plomb; je connais également la température de l’eau avant l’expérience, je puis mesurer celle qu’elle acquiert après le mélange. Cette température communiquée à l’eau par le plomb provient de deux causes: du calorique latent abandonné par le plomb, et en même temps du calorique sensible qui avait élevé la température du plomb jusqu’au point de fusion. Pour distinguer ces deux effets, il faut faire une nouvelle expérience; il faut prendre la masse de plomb qui a servi à échauffer l’eau, la porter à la température à laquelle le plomb

se fond, et la jeter ensuite dans l’eau. Connaissant la chaleur qui élevait la température du plomb jusqu’au point de fusion, on la retranche de la chaleur totale communiquée à l’eau par le plomb qui se solidifie, et la différence donne le calorique

latent que le plomb a abandonné.

C’est par un procédé semblable qu’on a trouve les nombres

dont je viens de parler.

La chaleur latente joue un très grand rû.e dans la nature. Lorsque, par exemple, durant nos hivers, le vent du nord, qui est froid à la glace, Tient à souffler, si les corps sont secs, s’il n’y a pas d’eau dans le voisinage, alors la température des corps environnans tend à se mettre en équilibre avec celle du vent froid; mais s’il y a une masse d’eau considérable, voilà ce qui arrive : l’eau se refroidit jusqu’à zéro; mais une fois qu’elle est parvenue à ce point, sa température ne change plus et reste stationnaire, de sorte que, quoique le vent soit, par exemple, a io’, 1 eau reste a zéro. L excès de froid est employé à congeler une nouvelle quantité d eau . c’est ainsi que les poissons ne sont jamais exposes a une température au-dessous de zéro, a moins que 1 eau ne soit gelee complètement. Mais le froid ne pénètre jamais à une grande profondeur; dans la terre , il ne va jamais jusqu’à deux pieds , et il faut un froid très grand pour qu’il aille à un pied de

profondeur.

En raison du calorique qui est abandonne par 1 eau en passant à l’état solide, et qui n’est autre chose que ce calorique latent rendu sensible parle changement d’état, la température , lorsqu’il gèle , ne baisse pas autant qu elle devrait baisser s’il n’y avait pas d’eau. Réciproquement, quand il fait un froid rigoureux, s’il vient un vent du midi, on ne sent pas de suite la température que l’on devrait sentir, s’il n’y avait pas de glace à fondre, parce que , dans ce cas, tous les corps se mettraient assez promptement en équilibre avec la température de l’air chaud. Mais commedl y a de la glace formée, et que la température de la glace qui se fond est a zéro, tant qu’il y a de la glace à fondre la température reste à zéro dans le voisinage. C’est ce qui. explique aussi pourquoi, après un dégel, l’air est souvent à io° au-dessus des maisons, tandis qu’à la surface de la terre on est dans un bain d’air très froid ; cela vient de ce que l’air du bas est en contact avec la

glace fondante qui est à zéro.

Après avoir parlé de la détermination du calorique latent des corps qui deviennent solides, nous devons parler du calorique latent des corps qui deviennent fluides élastiques ; il est

surtout nécessaire de parler du calorique latent de la vapeur qui se forme lorsque l’eau est en ébullition. Le calorique latent de la vapeur est très considérable, relativement à celui de la glace. La mesure de cette quantité de chaleur, absorbée par l’eau qui se volatilise, est indispensable dans les arts, aujourd’hui que l’on se sert de la vapeur comme moyen de chauffage.

Je vais exposer la manière de parvenir à cette détermination, et je montrerai ensuite comment, d’après les données fournies par l’expérience , on parvient aux résultats que l’on peut obtenir d’ailleurs directement. Imaginez que l’on ait une grande chaudière, ou même, sans prendre des masses aussi considérables , supposons un vase qui contienne une quantité d’eau aussi petite qu’on voudra, car en physique on peut opérer sur de petites masses et parvenir aux mêmes résultats; soit donc une cornue C, fig. 1, dans laquelle on maintient de l’eau en pleine ébullition ; il se produit un fluide élastique qui ne pouvant s’échapper, parce que l’ouverture, A, de la cornue est fermée, vient se rendre dans une masse d’eau froide renfermée dans un vase V, qu’il faut avoir le soin de séparer de la cornue et du fourneau, au moyen d’un écran. Une partie de la vapeur se condensant en traversant le tube T, on pourrait penser que ce tube étant incliné vers la cornue, l’eau provenant de la condensation reviendrait par la pente vers l’eau qui bout. Mais il n’en est pas ainsi; il faut que vous sachiez que quand l’eau est à l’état de vapeur vésiculaire , elle peut être entraînée par le plus léger souffle. Par conséquent cette vapeur condensée ou cette vapeur vésiculaire serait emportée par le courant de véritable vapeur, et vous auriez alors un mélange de vapeur vésiculaire et de vapeur proprement dite. Il faut tâcher d’éviter cet inconvénient et faire en sorte que depuis l’endroit où la vapeur est générée jusqu’à l’endroit où elle va pénétrer dans la masse liquide V , il ne puisse y avoir de condensation. Pourcela il suffit d’envelopper de linges le tuyau T.

Il faut dans cette expérience avoir égard à la perte de chaleur qui est faite par le corps échauffé, et pour cela, se servir du moyen dont j’ai déjà parlé ; c’est-à-dire que si nous avons une température ambiante de io°, il faut ne commencer l’expérience qu’après avoir refroidi la masse d’eau dans laquelle on doit recevoir la vapeur, par exemple à 8°, et s’arrêter lorsqu’au moyen de la vapeur l’eau a été échauffée jusqu’à 12° , qui est autant éloigné de io° en dessus que 8° l’est en dessous. Dans ce cas, pendant que la masse d’eau vient

à io° elle reçoit du calorique des corps environnans et parconséquent elle s’échauffe ; mais une fois qu’elle a dépassé J0% elle donne à son tour; de sorte qu’elle donnera d’un côté ce qu’elle a reçu de l’autre, et qu’il y aura compensation. C’est ainsi qu’on se met à l’abri de la cause d’erreur produite par le refroidissement.

Je retire donc la cornue lorsque la température est marquée à 12°, par un thermomètre qui doit être très sensible, parce qu’une erreur d’un dixième de degré aurait une influence très grande sur le résultat. Je suppose qu’on ait pris toutes ces précautions et que l’expérience nous ait fourni les données suivantes. Nous avions pris, par exemple, un kilogramme ou mille grammes d’eau qui était d’abord à io°, et nous avons fait arriver 10 grammes de vapeur qui en se condensant a formé de l’eau et a augmenté, par conséquent, la masse liquide de 10 grammes; et au moyen de celte vapeur, la température du mélange s’est élevée à io°, im L’opération s’étant faite dans un vase de verre , puisque sa température s’est élevée depuis 8° jusqu à 120, il faut supposer qu’on a converti la masse de verre en eau ou en matière ayant la même capacité que l’eau; de sorte que nous pouvons regarder la masse de verre comme confondue avec la masse d’eau.

Lorsque la vapeur passe à l’état liquide et qu elle echauüe la masse d’eau, il se produit, comme je le disais tout a 1 heure pour le plomb, un double effet. La vapeur qui était à îoo , forme de l’eau à ioo°, et il y a de plus le calorique qui est abandonné par la vapeur qui passe a l’etatd eau a ioo°. \ oila les deux quantités de chaleur contenues dans les dix grammes d’eau à ioo°. Il faut commencer par connaître l’effet qui est produit par ce mélange de îo grammes d’eau à ioo° avec les mille grammes d’eau à io°. 1000 Grammes d eau aio°, plus ensuite îo grammes d’eau a ioo°, vont faire une quantité d’eau égale à 1010 grammes, ayant une température que je ne connais pas, mais qu’il est facile de trouver par la règle des mélanges. Cette température sera égale à io°, 89. Or nous avons 160, 1 5 pour l’effet total ; en retranchant de i6°, i5;io°, 89,1a différence 5°, 26 donnera la température, due à la chaleur latente, de 1010 grammes d’eau. En ramenant à 1 unité d’un gramme, nous aurons un total de 5oi2°, 6; et pour 10 grammes 53i°, 26; c’est-à-dire lorsqu’un poids d eau de 10 grammes, au terme de l’ébullition à 100% se réduit en vapeur, il absorbe une quantité de calorique telle, que si on supposait que l’eau conservât son état liquide indéfiniment, la chaleur

qui est rendue latente serait capable d’élever la température de l’eau de 55 1°, 26 au-dessus de celle qu’elle a au terme de l’ébullition, ou de 65 1° si on prend l’eau à zéro. Cette quantité est énorme relativement au calorique latent de la glace, qui est seulement de ^5°.

Le résultat que nous venons de trouver pour la vapeur peut être considéré comme exact; car Watt et d’autres physiciens, qui se sont occupés de la même question, ont donné des nombres qui diffè ‘ent peu de ceux que nous venons d’indiquer. Ainsi, Watt avait trouvé à peu près 527, Southern avait trouvé 528; par conséquent, on peut regarder 55o comme étant la mesure exacte de la quantité de chaleur qui est absorbée par l’eau en se réduisant en vapeur, et qui est abandonnée en totalité lorsque la vapeur repasse à l’état liquide. Nous avons mesuré cette chaleur latente de la vapeur par un procédé inverse de celui que nous avons employé pour mesurer la chaleur latente de la glace. Au lieu de chercher la quantité de chaleur que l’eau prend pour se volatiliser, nous avons cherché ce qu’elle abandonne en passant de l’état de vapeur à l’état liquide, d’après le principe qu’elle doit abandonner autant en redevenant eau, qu’elle avait absorbé pour devenir fluide élastique.

La chaleur latente est ici prise dans une circonstance déterminée , c’est-à-dire, sous la pression ordinaire de l’atmosphère. Cette chaleur latente est -elle constante, est -elle variable, lorsque l’on augmente la pression? Ainsi, on peut avoir de la vapeur sous un, sous deux, sous dix, sous mille atmosphères. Dans les arts, et particulièrement dans les machines à feu, on va très fréquemment jusqu’à 5, 6, 10 et même 5o atmosphères. Or, comme dans les machines à feu c’est la chaleur qui est le véritable agent, qui par conséquent occasionne la dépense, il n’est pas sans intérêt de savoir comment la vapeur est produite plus économiquement dans telle ou telle circonstance.

Southern, en Angleterre, s’est occupé de cette question, en faisant varier la force élastique de 4° pouces, correspondant à peu près à 28 pouces de France, jusqu’à 80 et à 120 pouces, et voici le résultat auquel il a été conduit; c’est que le calorique latent est constant, mais que la quantité totale de chaleur croît de la quantité dont s’élève la température. Ainsi, prenons un kilogramme d’eau que nous réduirons en vapeur sous la pression ordinaire de l’atmosphère. Dans ce cas, c’est à ioo° que la vapeur se forme, et la quantité de calorique latent est exprimée par 55 1°. Je suppose main-

tenant que Ton porte cette vapeur à une pression double , triple, quadruple; alors, en généralisant le résultat de Southern, la vapeur, dans ces diverses circonstances, en prenant le point auquel elle s’est formée, aurait une chaleur latente constante, on trouverait toujours 53 1°; mais à mesure que la pression s’élève, pour que l’eau bouille, il faut une température plus élevée. Par exemple, à ioo° l’eau bout sous la pression ordinaire; sous une pression double , elle ne bout qu’à 122°, sous une pression triple à i58; de telle sorte que sous une pression double, la vapeur aura une force élastique double, et une température qui sera de 1220; sous une pression triple elle aura une force élastique triple et une température de i38°; de manière que le calorique latent de fa vapeur est constant; mais si l’on compte la quantité de calorique de la vapeur depuis le point zéro, au lieu de la compter depuis le point d’ébullition , il y aura une légère variation. La différence , en passant d’une température à une autre , serait toujours mesurée par la température entre ioo° et le point d’ébullition, ce serait toujours une quantité très petite; de manière qu’on pourrait regarder la quantité de calorique contenue dans la même masse d’eau comme étant constante. Si donc nous prenons un kilogramme de vapeur à ioo°, la quantité de chaleur contenue dans ce kilogramme de vapeur est ioo°, plus la chaleur latente exprimée par 55 1 ; si nous prenons le même kilogramme à 1220, la quantité de chaleur sera 122% plus 53i; si nous le prenons à i38°, la quantité de chaleur sera i38°, plus 53i. Ainsi, la chaleur latente serait constante; mais vous auriez pour la même masse d’eau, suivant la température , des quantités de chaleur différentes ; de sorte que lorsque vous auriez deux atmosphères , il faudrait une dépense en combustible de plus qui serait exprimée par 220.

D’autres physiciens, en France particulièrement, MM. Clément et Desormes ont fait des expériences, d’après lesquelles ils ont cru reconnaître que la quantité totale de chaleur était constante, c’est-à-dire, que si l’on prend une même masse de vapeur et qu’on l’échauffe de ioo° à 120% à 200°, vous aurez dans cette masse de vapeur toujours la même quantité de calorique. Cela peut paraître paradoxal; car puisque nous donnons de plus en plus de la chaleur à une même masse, il semble qu’elle devrait s’échauffer de plus en plus; tandis que la quantité de calorique qu’elle renferme est constante ; ou si ce résultat n’est pas rigoureusement exact, au moins la différence est extrêmement petite.

Le calorique que nous venons de désigner par le nom de calorique latent doit être distingué soigneusement de ce qu’on appelle le calorique sensible. Tant qu’un corps ne change pas d’état et qu’on le soumet à une source de chaleur , il tend à prendre la température de la source, et sa température s’élève. Alors le calorique devient sensible et il est mesuré, accusé par le thermomètre ; mais quand le calorique entre dans un corps, se combine avec lui, et que ïe thermomètre n’annonce pas l’existence de ce calorique, on a alors ce qu’on appelle du calorique latent.