PHÉNOMÈNE DE L’ÉBULLITION

Nous allons passer à présent à un autre phénomène que nous désignons par le nom d 'ébullition „ en étendant ce mot à tous les liquides, et entendant par ébullition ce que tout le monde connaît par ce terme, c’est-à-dire, ce mouvement tumultueux qu’on remarque lorsqu’un liquide est exposé à l’action de la chaleur , et qu’il se produit des bulles qui partent du fond et traversent la masse liquide. Dans le phénomène de l’ébullition, telle qu’elle se présente ordinairement, il y a une observation importante à faire, c’est que l’ébullition ne se manifeste pas aussitôt qu’on échauffe un liquide ; elle ne se manifeste qu’à une certaine température , qui est constante dans les mêmes circonstances , mais variable pour chaque liquide en particulier.

Maintenant que nous connaissons la formation de la vapeur, nous sommes en état de nous rendre raison de toutes les circonstances qui accompagnent le phénomène de l’ébullition.

Vous avez vu que la vapeur qui se forme dans le vide a une tension déterminée correspondante à une température déterminée. Si la pression que l’on fait supporter à la vapeur est plus grande que la force élastique de cette même vapeur, alors elle ne se forme pas. Car si nous prenons une vapeur qui supporte, par exemple, 4 centimètres , et que nous la comprimions par un effort de 5 centimètres seulement, au lieu de 4? nécessairement toute la vapeur va disparaître et se convertir en liquide ou en solide.

Ainsi, en établissant ce principe, que la vapeur ne peut se former quand on lui fait supporter une pression un peu plus forte que sa force élastique , il en résulte que , lorsque dans un espace vide où il n’y a autre chose que de la vapeur , on fait supporter à la vapeur une pression plus grande que sa tension propre , sur-le-champ toute la vapeur passe à l’état liquide.

Dans l’ébullition on remarque que les bulles de vapeur qui se produisent ont toujours leur origine au fond du vase. Cela s’explique, parce qu’on échauffe le liquide par le bas , et qu’on a , par conséquent, une température beaucoup plus élevée dans le fond des vases que dans le haut. Quelle est la pression supportée par la vapeur qui se forme dans le fond ? La vapeur supporte d’abord la pression totale de l’atmosphère qui pèse sur la surface du liquide; elle supporte en

outre la pression de toute la colonne liquide qui est au-dessus de la vapeur. Tant que cette vapeur n’aura pas ijne force élastique suffisante pour vaincre ces deux pressions, elle ne pourra se montrer. Mais comme nous avons vu que la force élastique augmente avec la chaleur; en échauffant le liquide, nous arriverons à une température telle, que la force élastique fera équilibre au poids de l’atmosphère. Ainsi l’ébullition n’a lieu que lorsque la force élastique de la vapeur qui peut se former est plus grande que la pression atmosphérique, ou au moins lorsqu’elle fait équilibre à cette pression.

II faut remarquer que lorsqu’on échauffe de l’eau dans un vase , le liquide fume long-temps avant l’ébullition. Il se produit alors réellement de la vapeur, mais cette vapeur ne part pas du fond , elle part de la surface. Nous reviendrons sur cet objet en parlant de l’évaporation, qui est un phénomène à peu près le même que le précédent , mais qui en diffère par quelques circonstances particulières. Nous n’entendons parler ici que de la vapeur qui part du fond du vase.

Ainsi, en général, il y aura ébullition, non pas seulement pour l’eau , mais pour tout autre liquide , lorsque la force élastique de la vapeur fera équilibre au poids de l’atmosphère et de la colonne liquide qui sera au-dessus. Nous supposerons, pour le moment, cette colonne liquide extrêmement mince, et, par conséquent, nous pourrons la négliger.

Latempérature de l’eau en ébullition reste constante, etvoici pourquoi. Lorsque la vapeur d’eau a acquis une force élastique suffisante pour vaincre le poids de l’atmosphère , sachant que la vapeur prend une certaine quantité de chaleur qu’elle rend latente , vous voyez que la température ne peut s’élever indéfiniment; et, en effet, une fois qu’on est parvenu à 100 degrés, toute la chaleur qui est produite est employée en calorique latent à former de la vapeur.

Puisque l’ébullition n’est autre chose que l’équilibre entre la force élastique de la vapeur et la pression atmosphérique, il est clair que nous aurons autant de points d’ébullition que nous pourrons concevoir de pressions. Si nous prenons de l’eau sous une atmosphère moitié moins dense que celle sous laquelle nous vivons, alors la vapeur qui se formera au fond du vase ne supportant plus qu’une pression deux fois moindre, elle n’aura plus besoin d’être échauffée autant pour que la vapeur puisse vaincre cette pression. L’ébullition, par conséquent, aura lieu plus tôt, et nous pouvons facilement déterminer le point précis de l’ébullition au moyen de la table de

la force élastique de la vapeur. Ainsi je suppose que notre atmosphère au lieu d’exercer une pression mesurée par 760 millimètres, exerce une pression seulement de 38o millimètres. Je trouve dans la table que la pression 382 millimètres correspond à 82° de température ; ce qui veut dire que sous une atmosphère dont la pression serait exprimée par 382 millimètres de mercure, l’eau entrerait en ébullition à 82° au lieu de ioo°. Si nous étions dans une atmosphère dont la pression fût simplement le quart de celle que nous avons , nous chercherions la température à laquelle correspond la force élastique pouvant équilibre au quart de l’atmosphère , c’est-à-dire à 190 millimètres, et nous trouverions que c’est la température 66 ; c’est-à-dire que l’eau bouillirait à 66°, si nous étions dans une atmosphère qui ne fût que le quart de celle sous laquelle nous nous trouvons. lien résulterait que sous une telle atmosphère, il ne serait plus possible de faire cuire un grand nombre de substances, telles que la viande, l’alumine, qui demandent pour leur cuisson au-delà de 66<*. Voilà une circonstance qui paraît assez faible au premierabord et qui, comme vous le voyez, amènerait de très grands résultats.

Cette circonstance se rencontre naturellement sur les montagnes. Ainsi Saussure, dans son voyage au Mont-Blanc, oû le baromètre ne se tenait qu’à 435 millimètres, a remarqué que l’eau bouillait à 85° au lieu de 100% c’est-à-dire i5° plus tôt qu’à la surface de la terre. Ainsi, en raison de la hauteur des montagnes, on aura des degrés d’ébullition différons; et même, sans qu’il soit besoin de s’élever sur une montagne, et en restant à la surface de la terre, nous avons des variations assez grandes dans le degré de température nécessaire pour déterminer l’ébullition. Car nous avons des variations dans la pression de l’atmosphère qui vont de 5 à 6 centimètres sur 76. Voilà pourquoi, dans la graduation des thermomètres, et lorsqu’on veut prendre le point supérieur, il faut avoir le plus grand soin que le baromètre soit précisément à la pression de 760 millimètres.

Ce que nous disons ici de l’ébullition de l’eau, relativement à la pression, est si vrai, que nous pouvons faire bouillir de l’eau tiède dans laquelle nous tiendrions aisément la main , en mettant cette eau dans le vide; car alors la vapeur n’ayant à supporter qu’une pression moindre, elle pourra se dégager du fond du vase, au-dessous de la température de 100°.

Jhn diminuant convenablement la pression, il semblerait

que l’on pourrait faire bouillir de l’eau à zéro. Cependant à zéro vous ne verriez pas de bulles partir du fond du vase. Il faut remarquer ce qui arrive dans cette circonstance. C’est en général sur les parois des vases que la vapeur se forme; il est rare qu’elle se forme dans le milieu , à moins qu’il n’y ait des solutions de continuité.

Or nous savons tous que l’eau mouille les solides , et cette propriété de mouiller ou d’adhérer, indique nécessairement une affinité entre l’eau et le corps solide. Cette affinité s’oppose au déplacement du liquide par la vapeur. Si cette affinité est assez grande, alors l’eau ne pourra bouillir à zéro, parce que la force élastique delà vapeur, à cette température, ne sera pas suffisante pour vaincre la force d’affinité du liquide pour le corps solide dont sont formées les parois du vase.

Il est une autre manière encore de faire bouillir de l’eau au-dessous de ioo°. On fait bouillir de l’eau dans un matras, fig. 2, et le vase étant rempli à peu près, on y applique un bouchon qui le ferme hermétiquement. L’espace qui est audessus du liquide est vide d’air, mais il est rempli par la vapeur. Or, la vapeur se condense facilement par le froid ; par conséquent si l’on verse de l’eau froide sur le matras, la vapeur qu’il renferme se condense aussitôt ; il se fait dès lors un vide, et l’eau du matras n’éprouvant plus de pression, entre en ébullition.

Nous avons vu comment on pouvait accélérer l’ébullition en diminuant convenablement la pression; nous allons voir maintenant comment on peut la retarder, en rendant l’atmosphère plus pesante, c’est-à-dire en augmentant la pression; car, d’après notre définition, l’ébullition est la formation de la vapeur au fond du vase, lorsque la vapeur a une force élastique suffisante pour faire équilibre au poids de l’atmosphère. Par conséquent, si nous avons une atmosphère double, il faudra que la vapeur soit portée à 1220, puisque ce n’est qu’à 1220 de chaleur qu’elle acquiert une force élastique suffisante pour faire équilibre à deux atmosphères. Si nous avions une atmosphère qui exerçât une pression dix lois plus grande , l’eau ne bouillirait plus qu’à 1 73° ; de sorte qu’en augmentant ainsi la pression, l’eau deviendra de plus en plus chaude. On remplit aisément cette condition en prenant un vase dont les parois soient très résistantes, et en le fermant de manière qu’il n’y ait aucune communication entre Pair extérieur et l’air intérieur.

Puisque la vapeur ne peut se former, et par conséquent emporter, sous forme de calorique latent, le calorique communiqué à l’eau, tout le calorique que nous donnons est employé à augmenter la température de l’eau. Tel est le principe sur lequel est construit l’appareil connu sous le nom de marmite de Papin , dans laquelle on peut avoir de l’eau à i io°, à 120°, à iZjo0, cela dépend de la résistance que l’on oppose à la vapeur qui tend à se former. Dans ce cas, il y a au-dessus de l’eau la vapeur, et cette vapeur exerce une pression qui est déterminée par la résistance qu’on oppose à sa sortie.

L’appareil dont on se sert pour cette expérience doit avoir des parois très solides, pour résister à l’effort que fait la vapeur pour s’échapper; et une ouverture extrêmement petite sur laquelle on met un poids qu’on charge par le moyen d’un levier, de manière à avoir la pression à laquelle on désire faire sortir la vapeur. Il est facile de déterminer cette pression quand on connaît l’ouverture de la soupape. Ainsi, pour une atmosphère, nous avons, sur une surface d’un décimètre carré, une pression égale à io3 kilogrammes , et sur une surface d’un centimètre carré , le centième de cette pression, c’est-à-dire 1 kilogramme o5. Parconséquent, en admettant, pour faciliter les calculs , que l’ouverture du vase soit carrée et égale à un centimètre, pour une pression ordinaire, il faudrait pour soulever la soupape une force égale à 1 kilogramme o3. Si nous augmentons la pression , si au lieu , par exemple, d’avoir une pression de i kilogramme o5 nous allons à une pression double , à 2 kilogrammes 06, alors la vapeur , pour s’échapper, pour soulever la soupape, devra avoir une force élastique égale à cette quantité de 2 kilogrammes oG en sus de l’atmosphère. De sorte qu'on peut, connaissant la pression exercée sur la soupape, déterminer le moment où la vapeur doit s’échapper.

Supposons que l’ouverture de l’appareil soit parfaitement fermée de manière que la vapeur ne puisse s’échapper. Supposons, de plus, qu’au commencement de l’expérience il y ait de l’air dans l’appareil; qu’arrivera-t-il lorsque nous aurons échauffé seulement à ioo°? A cette température l’air éprouve une dilatation et exerce par conséquent une pression plus forte que la pression extérieure. Nous négligerons la dilatation produite par les ioo° de chaleur, etnous supposerons que nous avons simplement une atmosphère d’air. Mais indépendamment de l’air, nous avons dans l’appareil la vapeur qui est produite par l’eau à ioo°; vapeur qui, comme

4oq

nous l’avons vu , a une force élastique suffisante pour faire équilibre à une atmosphère. Ainsi, nous aurons clans 1 intérieur de l’appareil deux atmosphères, l’une d’air, l’autre de vapeur. Pour simplifier la question, supposons que la soupape soit ouverte un instant et que l’air ait pu s’en aller, de manière qu’il ne reste qu’une atmosphère aqueuse. Supposons maintenant que la température soit élevée à 1220. A cette température nous savons que la force élastique de la vapeui peut faire équilibre à 2 atmosphères; si enfin nous avons une température égale à 173% la vapeur aura une force élastique exprimée par 8 atmosphères. En un mot, si vous échauffez de l’eau dans un espace fermé , vous pourrez échauffer indéfiniment. Lorsqu’il arrivera que l’eau prendra une température quelconque , la vapeur aura, dans l’espace reste vide, une tension qui sera correspondante à la force élastique qu elle doit avoir pour la température donnée, que nous connaissons

d’avance. . .

Lorsqu’après avoir ainsi obtenu une force élastique de la

vapeur égale à l’atmosphère , par exemple , et qu’011 ouvre la soupape, que doit-il arriver? Nous avions de la vapeur comprimée; elle s’échappe nécessairement par l’issue qu’on lui donne, parce qu’elle ne trouve pas dans l’air une résistance suffisante, et il sort une certaine quantité de vapeur pour que l’équilibre entre les tensions extérieure et inférieure ait lieu. Mais puisque nous avons de l’eau a 17^°, il doit, en raison des 73° en sus, se produire continuellement une quantité de vapeur pour absorber toute cette chaleur : en sorte que la sortie de la vapeur dure, non pas un instant, mais un temps qu on peut apprécier, en raison de ce qui sort, comme étant déjà produit, et, en raison de ce qui est produit, pari abaissement de la température de l’eau, qui finit par descendre a 100 .

Si au lieu d’offrir à la vapeur qui sort de l’appareil une petite

ouverture, nous employons une large soupape, l’eau étant très échauffée, la vapeur qui se dégagerait du fond et des parois du vase le ferait brusquement, et il y aurait comme une explosion dons l’intérieur de la masse. C’est là une des causes des explosions qui arrivent quelquefois dans les machines

à feu. M .

Vous concevez l’avantage qu’il est possible de tirer d appareils où on peut ainsi élever 1 eau a de très hautes tempe ratures. On peut, avec de tels appareils, produire un grand nombre d’effets qui ne sauraient etre produits a une basse

température.

— 4io —

C’est le même principe, sur lequel a été construite la marmitedePapin, qui a conduit à la fabrication de ces vases qu’on a désignés par le nom d’autoclaves. Ce sont des marmites en cuivre auxquelles on donne beaucoup de solidité. Elles servent à faire cuire les substances alimentaires, soit végétales, soit animales, en beaucoup moins de temps qu’on ne le fait ordinairement. Ce procédé est très bon , très économique pour les grands établissemens ; mais pour les ménages, on fera bien d’y renoncer. La conduite de ces petites machines exige des soins et des attentions, que les personnes qui ne connaissent pas les effets de la vapeur croient pouvoir négliger. Ainsi on règle , par un poids qu’on met sur la soupape, le degré de chaleur qu’on veut avoir. Des personnes inconsidérées, ne trouvant pas que l’effet se produit assez vite, augmentent ces poids, et s’exposent ainsi à causer l’explosion du vase.

Si au moment où l’on , ouvre la soupape de la marmite de Papin, on plaçait la main au milieu de la vapeur qui sort du vase, et à un demi-mètre de l’ouverture, on ne sentirait presque aucune chaleur, tandis que si l’on mettait la main tout près de l’ouverture , on se brCderait indubitablement. Cela vient de ce que la vapeur, se dilatant à mesure qu’elle sort, se mêle très promptement avec l’air dont elle prend la température.

Un phénomène semblable a lieu dans le souffle et explique comment on peut souffler chaud ou froid à volonté; en soufflant par une petite ouverture, l’air se refroidit aussitôt; tandis que si Ion souffle, la bouche ouverte, on porte la chaleur beaucoup plus loin , parce qu’alors le cylindre d’air chaud qui sort de la bouche n’a pas le temps de se mêler avec l’air extérieur.

L’ébullition dépendant de la pression que la vapeur qui se forme doit supporter, il est évident que, dans un vase profond, l’ébullition sera plus lente que dans un vase peu profond. En effet, pour prendre les extrêmes , je suppose que nous ayons un vase qui ait 3a pieds ou 10 mètres de profondeur. La vapeur qui devrait se former dans le fond aurait à vaincre la pression d’une atmosphère et d’une colonne équivalente, c’est-à-dire, en tout de deux atmosphères. Par conséquent, dans ce cas, l’eau ne bouillira que lorsqu’elle sera dans le bas à la température de 122 0 , puisque ce n’est qu’à 1220 que la vapeur acquiert une force élastique suffisante pour faire équilibre à deux atmosphères.

Maintenant, quelle doit être la température dans les diverses

couches d’eau ? la température est facile à trouver. En géné~ ral , pour un point quelconque pris dans la masse liquide , la température est celle qui correspond à une pression exprimée par une atmosphère, plus la colonne d’eau qui est audessus de ce point. Si vous consultez la table de la force élastique, vous trouverez que la température est variable depuis le bas jusqu’en haut, surtout quand le liquide bout.

Ainsi, en revenant à notre exemple de tout à l’heure, nous aurions 1220 dans le bas, et dans le haut simplement 100 0 ; et , si nous supposons que nous sommes au milieu , sous une atmosphère et demie, nous aurons 1 12 °, 2 , ainsi de suite.

Maintenant voici ce qui arrive : quand la vapeur part du fond, elle part nécessairement avec une température égale a 1220; supposons qu’elle arrive, sans donner de sa chaleur, justement au milieu delà colonne; une fois qu’elle est arrivée là, elle se dilate, puisqu’elle supporte une pression moindre ; mais ce n’est pas le seul effet produit: la vapeur qui est à 1220, trouvant des couches qui sont moins échauffées, leui communique de sa chaleur, de manière à prendre elle-même la température qui convient à la pression actuelle sous laquelle elle se trouve. Enfin, quand la vapeur arrive à la surface, elle a perdu sa première température et n’a plus que celle de ioo°. Ainsi donc , une bulle qui part du fond va en augmentant à mesure qu’elle s’eleve : premièrement paice qu’elle supporte une pression moindre, d’après la Ici de Mariotte; ensuite parce qu’en communiquant de la chaleur aux couches qu’elle traverse , elle détermine sur son passage la formation de nouvelles bulles qui se reunissent a la bulle piimitive.

Quelle que soit donc la profondeur d’un vase , la surlace du liquide sera toujours à la température de ioo°. J’énonce ce fait en principe, en disant que quand on considère de l’eau ou un liquide quelconque en ébullition, la surface du liquide a toujoqrs la température de son ébullition , quelle que soit la masse du liquide qu’on considère et en même temps la température de la vapeur qui se détache du fond. Voilà pourquoi j’ai recommandé, dans le temps, lorsqu’il s’agit de prendre les points du thermomètre, de ne point plonger le thermomètre dans la masse liquide, et de l’exposer simplement à la vapeur; et même, comme il pourrait y avoir des condensations, je recommande, pour, plus de sûreté, de plonger simplement la boule du thermomètre dans l’eau de la profondeur de son diamètre. De celte manière, on ne peut faire une erreur bien grave.

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D’après ce que nous venons de dire, vous voyez que l’ébullition qui paraît un phénomène ordinaire, est cependant riche en conséquences et en effets assez importans. Nous reviendrons sur cet objet dans la séance prochaine.

IMPRIMERIE DE E. DUVERGER

HUE DE VERNEU1L, K. 4.