CHAPITRE V

CHALEUR RAYONNANTE

MOTIONS PKÉLIM1NAIKUS

184. La chaleur franchit les espaces vides de toute matière pondérable ; nous avons une preuve évidente de ce fait dans la transmission de la chaleur du soleil qui ne parvient à la terre qu’après avoir parcouru le vide des espaces planétaires. La chaleur n'est même pas arrêtée par quelques-uns des corps qui se trouvent sur son passage; elle les traverse comme la lumière traverse le verre. C'est ainsi que la chaleur solaire échauffe le sol malgré la couche d’air glacé des régions supérieures qui fait obstacle à sa marche. — La chaleur se propageant ainsi à distance s’appelle chaleur rayonnante.

485. m*torique. — Les propriétés et les lois de la chaleur rayonnante ont été étudiées au commencement de ce siècle par deux physiciens anglais : Ruinford et Leslie; c’est dans ce but qu’ils inventèrent l’un et l’autre un thermomètré différentiel. Us ont poussé assez loin leurs recherches. Herschell, dans un mémoire publié en 1802, traitant le sujet à un point de vue différent lit d’importantes découvertes. Mais sauf quelques résultats remarquables trouvés par Itelaroche et par Bérard, la science n'a possédé sur la question, jusque vers 1850, que les données fournies par les expérimentateurs anglais.

L’appareil de Leslie était même demeuré le plus délicat que l’on pût employer pour l’étude de la chaleur rayonnante, lorsque, à l’époque que nous venons de citer, •d’heureuses découvertes, réalisées dans une autre branche de la physique, permirent de construire des thermomètres différentiels beaucoup plus sensibles. Avec ces instruments nouveaux, qu’employèrent surtout avec le plus grand succès Melloni, MM. de la Provostaye et P. Dessins, les phénomènes déjà connus ont été étudiés avec une plus grande précision, et d’autres phénomènes sont apparus, i. il

CHALEUR

que les thermomètres anciens auraient été impuissants à dévoiler.

486. Expérience» de Bnmford. — Rumford eut l'idée de montrer, par une expérience directe, que la chaleur peut se transmettre à travers le vide. A cet effet il construisit un baromètre AB ( fig . 200), avec un

ballon qui avait un col étroit d'environ t mètre de longueur. Au centre du ballon se trouvait le réservoir d’un | S\ thermomètre, dont la tige était sou- I déeà la paroi qu'elle traversait. Avec la flamme du chalumeau, le col fut chauffé en C, au-dessus du mercure ; le verre se ramollit, et le ballon vide et fermé put être alors séparé du tul>e

par l’expérimentateur. L’appareil ainsi

préparé fut plongé dans de 1 eau bouillante (fig. 201); Humford vit que le thermomètre s’échauffait immédiatement. L’expérience a réussi tout aussi bien avec le thermomètre suspendu dans le ballon par un simple lil de soie : on ne peut donc pas objecter que la chaleur se serait transmise par l'intermédiaire de la soudure. La chaleur est venue au thermomètre en traversant un espace vide.

487. Propagation . — Dans un même milieu la chaleur se propage en ligne droite.

Celte loi se démontre, en interposant, entre un thermomètre et le loyer qui l'échauffe, un écran métallique ou tout autre corps, qui ne se laisse pas traverser par la chaleur. Toutes les fois que 1 écran employé

iis- an-

Fig. 200.

se trouve sur lu direction de la ligne droite, qui va du foyer au thermomètre, la chaleur de la source est interceptée. Donc la chaleur dans sa marche ne suit ni une ligne brisée ni une ligne courbe : elle se meut eu ligne droite.

188. Rayon de chaleur. — On appelle rayon de chaleur la lignedroite suivant laquelle la chaleur se propage.

489. Vite»»** de propagation . — La chaleur se transporte d un point à un autre, avec une vitesse d’environ 308,000 kilomètres ou 77,000 lieues par seconde. Cette assertion se trouve juslilièe par celte observation bien ancienne que le soleil fait immédiatement sentir sa

CHALEUR RAYONNANTE

chaleur, dès qu’il se découvre el que sa lumière vient à briller. Or on démontre en optique que la lumière se propage avec la vitesse que nous venons de dire, et on admet par analogie que la chaleur se meut avec la même vitesse.

490. intensité. — Si d’un point P comme centre, on décrit une sphère d’un rayon R, la surface de cette sphère sera 4 ir R*. Imaginons qu’au point P soit placée une source d'où émane, à chaque unité de temps, une quantité Q de chaleur, cette chaleurQ arrivera sur la surface 4 r R5 et l’unité de surface située à la distance R en recevra une quantité : q = t ^ y(;

Si, dans celte formule, la valeur de R devient double, R‘ se trouve quadruplé, et par suite q devient 4 fois plus petit. Ce qui donne cette loi : les quantités de chaleur , reçues par une même surface, sont en raison inverse des carrés des distances.

La démonstration qui précède est théorique; elle ne suffit pas : il faut que l’expérience justifie le raisonnement qui vient d’être fait. Nous aurons recours, dans ce but, à la méthode expérimentale (496) ; mais avant tout, il est indispensable de décrire l'appareil qui sert aujourd’hui pour toutes les expériences relatives à la chaleur rayonnante : nous voulons parler de l’appareil de Melloni.

AI'l'ARKII. UC M KL LO M

491. Thermomètre différentiel de Koblll et de Mellool. — Cet instrument qui n’est, au lond, qu'un thermomètre différentiel, se compose de deux parties : l’une que l'on appelle pile thermo-électrique, l'autrequi est le galvanomètre.

Pile thermo-électrique. — La pile tfii/. 202) est formée par une série de barreaux d'antimoine et de bismuth soudés les uns à la suite des autres. Chaque barreau B de bismuth et A d’antimoine, est parallèle au barreau précèdent et placé tout près de lui, mais sans le loucher : il n’y a de contact qu’aux soudures. L'ensemble est disposé de façon que les soudures de rang impair I, 3, 5, 7, se trouvent d’un côté et les soudures paires de l'autre. La figure 202 est un ligure théorique qui représente cette disposition. La figure 203 est le modèle de la pile ellemême. Les couples bismuth et antimoine forment, par leur ensemble, un prisme à hase carrée logé dans un étui de laiton armé de tuyaux de

•V'4 • CHALEUR

même mêlai qui 11e laissent arriver -la chaleur que dans une direction déterminée.

Galvanomètre. — A chacun des barreaux extrêmes {fig. 202) on attache l une des extrémités d’un fil de cuivre qui s’enroule sur un cadre de bois. Au milieu du cadre se trouve une aiguille aimantée horizontale

Fig. SOS.

Fig. 4U.Y

mobile sur un pivot vertical, qui In soutient en son milieu. Le cadre est dans le plan vertical, qui contient l’aiguille ou dans un plan parallèle voisin. Cet ensemble, formé par l’aiguille et par le fil enroulé {fig. 202), constitue le galvanomètre G.

Expérience. — Dans ces conditions, si l’on chauffe les soudures de rang pair, un courant électrique se développe, circule à travers le fil et l’aiguille aimantée dévie ; si l’on chauffe les soudures de rang impair un cour ant inverse a lieu et l’aiguille dévie en sens contraire ; quand ou chauffe à la fois et également les soudures paires et les soudures impaires, l’aiguille reste immobile.

Galvanomètre de Nobili. — Mais si le galvanomètre était simplement constitué, comme nous venons de le dire, l’aiguille ne se mettrait en mouvement que pour des différences de températures assez considérables. Afin de donner plus de sensibilité à l’appareil, Seliweigger enoule le fil de cuivre, non pas une seule fois sur le cadre, comme nous l avons indiqué, mais il lui fait faire un grand nombre •le tours. Alors il faut que ce fil soit recouvert de soie pour que les tours successifs ne viennent pas en contact métallique l’un avec l’autre. De plus, Nobili introduisit un perfectionnement qui contribua plus que tout autre à augmenter la sensibilité de l’appareil. L’aiguille unique fut remplacée {fig. 204) par un système de deux aiguilles NS et S'.Y placées l’une à l’intérieur, l’autre à l’exlé-

Fig. SOI.

CHALtUR RAYONNANTE

r.âr.

rieur du cadre. Ces deux aiguilles, presque identiques, sont fixées à un même axe vertical, rigide et soutenu par un fil de cocon très-fin F. Ce système, constitué de telle façon que le pôle nord N de l’une des aiguilles se trouve du même côté que le pôle sud S' de l’autre, dévie même sous l’influence de courants très-faibles qui circulent dans le fil contourné un grand nombre de fois autour du cadre. La déviation s'observe sur un cercle divisé horizontal placé au-dessous de l’aiguille supérieure.

192. Sensibilité. — L'appareil de Nobili et de Melloni est donc, on le voit, un thermomètre différentiel, puisqu’il accuse et permet de mesurer (nous le montrerons bientôt) la différence de température des soudures correspondant aux deux faces de la pile. Sa sensibilité est si grande, qu’il n’est pas rare de trouver des instruments, tels que si une bougie est placée à 1 mètre d’un côté delà pile, elle fait de suite dévier le système des aiguilles d'un angle de 15". Sous l’action de sources notablement plus énergiques, le thermomètre de Leslie ne donnerait aucune indication.

493. Appareil «le Melloni. — Ainsi était découvert l'instrument destiné à mesurer avec précision les moindres différences de température entre les deux faces de la pile. Il s’agissait dès lors d’imaginer un appareil simple, d’un maniement facile, qui permit de tirer parti de la sensibilité de ce thermomètre pour l’étude des propriétés de la chaleur rayonnante. Ce fut Melloni qui se chargea de ce soin.

Il fallait, en premier lieu, que l'opérateur pût faire intervenir à volonté, dans ses expériences, des faisceaux calorifiques d’espèces trèsdiverses. Les sources principales employées dans ce but par Melloni sont : 1° le cube de Leslie C ( fig . 207); vase de forme cubique rempli d’eau, que l’on maintient à une température invariable, celle de l’ébullition, et dont les faces latérales sont constituées par des lames recouvertes de substances différentes, le noir de fumée, la céruse, etc. ;

2° une lampe deLocatelli S \fig. 215); lampe à mèche prismatique, sans cheminée, alimentée par l'huile d’olives, et dont la flamme peut conserver pendant longtemps une tempéra.

ture constante; 3° un fil de platine maintenu

au rouge par la flamme d alcool qui 1 entoure

(fi ij. 205); 4“ une lame de cuivre (fig. 206) chauffée à 400" environ; enfin, 5° un faisceau délié de chaleur solaire.

Il était nécessaire, en second lieu, de pouvoir faire agir commodément

CIIMK13R.

les faisceaux émis par ces diverses sources sur l’une ou l’autre des deux faces de la pile. Dans ce but la pile P (fig. 207), élevée sur un pied, peut être placée à une hauteur convenable pour que son axe se confonde avec la direction des rayons calorifiques destinés à l’échauffer. Des écrans E,E" formés par de doubles lames métalliques, garantissent chaque face du thermomètre contre tout rayonnement étranger. Enfin, un écran E' est

t’ig. an.

percé d’une ouverture qui limite le faisceau de chaleur qui se rend à la pile. On peut, au moyen d’un diaphragme, rétrécir plus ou moins ce faisceau, selon que l’expérience l’exige. Le pied de chacune de ces pièces embrasse, à sa partie inférieure, une règle divisée LL' le long de laquelle il peut se déplacer.

Pour faire une expérience, on abaisse l’écran E, qui est mobile autour d’une charnière; la chaleur de la source passe et l’aiguille du galvano. mètre dévie.

494. Graduation. — Mais, avant d’expérimenter, il faut connaître î quelles quantités de chaleur reçue correspondent les diverses déviations de l’aiguille du galvanomètre.

Dans ce but, on emploie deux sources de chaleur de petite étendue A et B d’intensité constante et on les place du même côté de la pile, toutes les deux presque sur l’axe, mais l’une un peu à droite, l’autre un peu à gauche. On cache A, la source B agit seule : on note la déviation produite, soit 5° par exemple ; on fait agir la source A toute seule à son tour, et on l’éloigne ou on l’approche jusqu’à ce quelle produise la même déviation de 5U. Il est bien clair que, si ces deux sources viennent à aeir

CHALEUR RAYONNANTE

simultanément, la quantité de chaleur reçue par la pile sera double de ce quelle était dans chacune des expériences précédentes; or, on trouve justement que la déviation est deux fois plus grande, c’est-à-dire delO“. La même proportionnalité se manifeste, pourvu qu'on ne dépasse pas une déviation de 20“ . Par conséquent, nous pouvons dire que, si l'on prend, pour unité, la quantité de chaleur qui, reçue sur une face de la pile, fait dévier l'aiguille de 1°, une quantité de chaleur double produira une déviation de 2°, une quantité triple amènera une déviation de 5" ; en d’antres termes, la déviation, tant qu’elle ne dépasse pas 20°, est proportionnelle ù la quantité de chaleur reçue. Généralement, les physiciens essayent de ne pas dépasser cette limite dans leurs expériences. Quand ils sont obligés d'aller au delà, ils doivent déterminer, à l'avance, par des essais directs, quelles sont les quantités de chaleur, qui correspondent à des déviations plus grandes que 20°, et en déduire des tables qui permettent de connaître l’intensité calorifique correspondante à une déviation quelconque de l'aiguille du galvanomètre. Veut-on, pour la construction deces tables, mesurer la quantité de chaleur qui se rapporte ù 50", on fait agir les deux sources simultanément jusqu'à ce que cette déviation de 30“ soit obtenue, puis on cache successivement chacune d'elles. Ou obtient alors une déviation, par exemple de 15°, quand la première agit seule et de 16" quand la seconde agit seule. D’où l’on conclut qu'une déviation de 50“ correspond à une quantité de chaleur de 1 3 -I- 1 fi , c’est-à-dire à 5t .

493. Résultat» de la Kraduntion. — On forme par cette méthode un tableau à deux colonnes : dans l’une se trouvent les degrés marqués par l’aiguille et dans l’autre les quantités de chaleur qui leur correspondent. Voici quelques nombres extraits d’une graduation exécutée par M. Tyndall : Les déviations 45“ 52“ 70“ 71° 75“ indiquent que la

pile reçoit 50 90 290 500 460 fois la chaleur

qu’elle recevrait si la déviation était égale à 1“ seulement.

On voit que la sensibilité de l’instrument diminue à mesure que les indications sont plus élevées. Quand l’aiguille marque 70°, par exemple, et qu’on ajoute à la chaleur reçue par la pile une quantité égale à 10, la déviation n’augmente pas de 10°, mais de 1" : la sensibilité est 10 fois moindre que si l’aiguille était au zéro. On évitera donc, autant que possible, d’effectuer les mesures aux degrés supérieurs.

496. Emploi de l’appareil pour la vérlüration de la loi Nul) nul laq oelle varie l’IatemltC de lu ehaleur avec la dlatanee. — Une des premières applications que l’on peut faire de l’appareil que nous venons de décrire, c'est de vérifier, à propos de la chaleur, cette loi fondnmen-

CHALEUR

taie que nous retrouvons si souvent dans la nature : loi de la raison inverse du carré des distances, dont il a été déjà question (490). Devant la pile P (fig. 207) et à une distance connue, on place une lampe de Locatelli : on supprime entièrement l'écran E' afin que, dans les différentes expériences, l'une des faces de la pile reçoive librement la chaleur qui émane de la source. Tout étant disposé, on abaisse l'écran E, l'aiguille du galvanomètre dévie de 12° par exemple. On dispose une seconde expérience dans laquelle la source se trouve à une distance double de la face considérée de la pile, et l'on observe que la déviation de l'aiguille n’est plus que de 5°, c'est-à-dire 4 fois plus petite. En somme, on établit, en multipliant les essais, que l’effet calorifique produit par une source d’intensité constante sur l'une des faces de la pile, varie en raison inverse du carré de la distance qui les sépare.

DIVISION DU SUJKT

497. Maintenant que nous avons une connaissance exacte de l'appareil le plus délicat qui ait été employé jusqu'à ce jour dans l’étude de la chaleurrayonnante, nous pouvons aborder franchement notre sujet et donner une idée nette des curieux résultats qui ont été obtenus par son emploi. Mais, avant de commencer cet exposé, il est bon d’indiquer quelles sont les études partielles qui composeront l’ensemble de ce chapitre. Pour comprendre la nécessité de chacune de ces études, il suffit de considérer la chaleur rayonnante dans sa marche progressive depuis la source d’où elle provient jusqu’au corps qu’elle vient frapper.

1“ La chaleur est émise par la source; nous devons nous demander quelles sont les circonstances qui influent sur la quantité de chaleur émise? Tel est l’un des éléments de la question que nous devrons étudier sous le nom d 'Émission.

2° La chaleur émise se propage et peut, en se propageant, traverser certaines substances interposées sur son passage comme la lumière traverse le verre ; il y aura donc à s'occuper des phénomènes de Transmission à travers les différents milieux ; phénomènes importants, car c’est par eux qu’on a été conduit d’abord à reconnaître qu’il existait plusieurs espèces de chaleur.

5° et 4° De plus, quand elle frappe un corps, la chaleur est en partie réfléchie, comme la lumière, vers le côté de l’espace d’où elle vient. La réflexion se fait suivant des lois géométriques très-simples, ou bien elle

f,n A LEUR RAYONNANTE.

a lieu en tous sens; de là deux études différentes à poursuivre : Réflexion régulière et Diffusion.

5® Enfin la chaleur est absorbée, en quantité plus ou moins considérable, par le corps qu’elle frappe; de là une question nouvelle à examiner : l' Absorption.

Tels sont les divers sujets d’étude qui s’offrent à nous, émission , transmission, réflexion, diffusion, absorption et leur développement sera suivi de conséquences théoriques et pratiques. Toutefois nous ne nous astreindrons pas à suivre, dans ce chapitre, pour l’étude des phénomènes, l'ordre même que nous venons de marquer, quoique cet ordre se présente naturellement à l’esprit. Il est plus avantageux, pour faciliter l'intelligence des faits, de traiter d’abord de la transmission de la chaleur dans les différents milieux, parce que nous serons ainsi conduits à reconnaître, dès le début, la complexité des rayonnements calorifiques et qu’il sera dés lors possible, dans les expériences, de démêler la part d’influence qui tient à l’espèce de chaleur employée.

TtussMissios ne i.a chai.rdii — nivenses espèces ne chalkcr

W8. Transparence des eorps pour lu chaleur. — L'air, l'eau et la glace se laissent traverser parla chaleur ; il en est ainsi d’un assez grand nombre de corps gazeux, liquides ou solides : Prévost (de Genève) et Delaroche l’ont démontré par de nombreuses expériences. Pour en citer une seule, mais qui ne laisse aucun doute dans l’esprit, il suffit de dire qu’une lentille de glace, exposée au soleil, concentre la chaleur à son foyer, si bien que l’amadou, le bois peuvent s’enflammer, comme si on se servait d’une lentille de verre. La glace, qui a laissé passer une si forte proportion de chaleur, n’a pas pu cependant dépasser 0°; la chaleur quelle a absorbée n’a servi qu’à déterminer un commencement de fusion à sa surface. Les substances qui se laissent ainsi traverser par la chaleur sont dites diathei mânes. Celles qui ne possèdent pas cette propriété sont appelées athermanes.

■199. Diverse* espèce» de ehnieur. — Toute chaleur, quelle que soit son origine, ne traverse pas également une même substance. Une lame de verre placée devant un observateur n'empêche pas la chaleur solaire de lui arriver abondamment; tandis que, placée devant une source de basse température, un poêle allumé, par exemple, elle intercepte presque complètement la chaleur qui passait avant son interposition. N’est-il pas

naturel dp conclure de ces expériences que la chaleur envoyée par le soleil n'est pas identique à celle qu'émet une surface métallique chauffée à 200 ou 500 degrés? Herschell déjà, en 1803, puis Delaroche en 1814, avaient fait d’excellentes expériences sur ce sujet; mais l'appareil de Melloni a permis de pousser plus loin l’étude commencée.

500. Expérience de melloni. — Voici la méthode de Melloni : L’appareil disposé, comme le représente la figure 207, on abaisse l'écran E ; la source agit alors directement. On note la déviation de l’aiguille, soit 15°. On interpose une lame dialhermane L ( fig . 208), une lame de verre, de cristal de roche, d'alun, ou toute autre, que l'on place derrière E', en fixant en S (fig. 207), le pied qui porte la plaque. On note la nouvelle déviation : elle n’est plus que de 5° par exemple. On en conclut que' par

l’interposition de la lame les ^ ou les 0,53 de la chaleur incidente ont

fétè transmis. Cette conclusion toutefois n'est exacte que si la lame qui est exposée au rayonnement ne s’échauffe que très-peu, assez peu pour que son action soit nulle sur la pile. La sensibilité de l'appareil qui permet de placer la source à une grande distance de la pile, et par suite de la lame, est très-avantageuse à ce point de vue. On constate Fig. sas. d’ailleurs que réchauffement de cette lame est négligeable, en s'assurant que la déviation ne change pas, quelle que soit la durée de l’expérience.

501. Tableau des résultats. — Le tableau suivniit est emprunté au mémoire de Melloni :

CBALEt’K TRANSMISE. A TRAVERS DES LAMES TOUTES d’üNF. MÊME ÉPAISSElr. ÉGALE A î"”,6

(La chaleur incidente étant prise pour unité.)