CHAPITRE III

DENSITÉS DES VAPEURS SATURÉES. NOUVELLES ANALOGIES DES GAZ ET DES VAPEURS.

Les densités de la vapeur d’eau saturée ont été déterminées par Fairbairn et Tate de la manière suivante : Un poids connu d’eau P est placé dans un ballon jaugé qu’on a renversé de façon que l’extrémité du col plonge dans du mercure ; le mercure est placé, ainsi que le ballon, dans un vase hermétiquement fermé avec une quantité d’eau suffisante pour ne pas se vaporiser complètement aux plus hautes températures ; le ballon étant placé à l’intérieur de ce vase, il est bien évident qu’en chauffant celui-ci, on portera le ballon à la même température. Supposons celle-ci T telle que la vapeur du ballon ait atteint exactement le point de saturation, les Tables de Régnault donnent pour cette température la force élastique F de la vapeur d’eau ; le volume V du ballon est connu on a donc :

D= P x 760. (i+aT)

Quant à la limite de la saturation, voici comment elle est déterminée ; tant que la vapeur du ballon est saturée elle fait équilibre à la pression saturée de l’eau contenue dans l’enveloppe, et le mercure ne monte pas dans le ballon ; dès qu’elle n’est plus saturée, elle se comporte comme

un gaz, son coefficient de dilatation diminue brusquement et sous l’influence de l’excès de pression de la vapeur saturée de l’enveloppe le mercure monte dans le col du ballon ; à cet instant on note la température T.

M. Herwig a étudié la dilatation et la compressibilité des vapeurs non saturées, à température constante, en faisant varier la pression p, il a trouvé que le produit p v qui devrait être constant d’après la loi de Mariotte, était variable et devenait d’autant plus petit qu’on s’approchait davantage de la saturation ; à pression constante, en faisant varier la température, il trouva que la loi de Gay-Lussac ne représentait pas la dilatation observée, désignant par v' le volume occupé à t° par la vapeur saturée, par p' la pression correspondante, on aurait d’après Herwig, pour p et v au voisinage de la saturation :

et toutes les vapeurs s’écarteraient également de la loi de Mariotte à la même température : de plus d’après le même auteur « on obtient pour une vapeur déterminée une den- <l sité constante, indépendamment de la température à lace quelle on observe, pourvu que cette vapeur soit assez « raréfiée pour obéir exactement à la loi de Mariotte. <( Ainsi quand cette loi est applicable, la loi de Gay-Lusc sac l’est aussi (Jamin, physique). »

Ainsi, comme nous l’avons déjà dit, les vapeurs s’écartent de plus en plus des lois de Mariotte et de Gay-Lussac à mesure qu’elles s’approchent de leur point de liquéfaction : or ne retrouve-t-on pas la même chose dans les

gaz? Les gaz liquéfiables ne sont-ils pas ceux qui subissent les plus grands écarts, et cèla d’autant plus qu’ils sont plus voisins de leur point de liquéfaction ? Voilà donc une nouvelle raison pour considérer les vapeurs comme des gaz facilement liquéfiables. Poursuivons. La liquéfaction des vapeurs s’obtient soit par refroidissement, soit par augmen-, tation de pression, soit par les deux moyens réunis : or l’acide sulfureux, le cyanogène, l’ammoniaque ont pu être liquéfiés dans un tube en U plongé dans la glace ou un mélange réfrigérant ; le gaz ammoniac a pu être liquéfié par sa propre pression dans les tubes de Faraday, l’acide carbonique dans l’appareil de Thilorier, et par la réunion des deux moyens, pression et refroidissement, Faraday a pu liquéfier tous les gaz connus excepté six qui portèrent jusqu’en ces derniers temps les noms de gaz permanents ; depuis les travaux de Cailletet et Pictet les gaz permanents n’existent plus et, nouvelle analogie, les gaz permanentspeuvent être considérés comme les vapeurs de leurs liquides. Disons enfin que les forces élastiques maximum F de tous les liquides étudiés peuvent être représentées exactement par la formule de Biot.

log F=fl-j-W-f-Cp t ;

et les expériences de Faraday et de Régnault, qui ont déterminé les forces élastiques maximum des gaz en présence du liquide résultant de leur condensation montrent, que pour les gaz étudiés on a aussi

log 'F==fl + &?-f C 0 ‘.

On retrouve quelquefois dans la liquéfaction des vapeurs les mêmes difficultés que pour les gaz et le simple accrois-

sement de la pression ne suffit pas à leur laire prendre l’état liquide. Cagnard-Latour fit en 1822 l’expérience suivante : il prit un tube recourbé à deux branches inégales et fermées renfermant du mercure; la -branche longue et étroite était graduée, contenait de l’air et fonctionnait comme manomètre à air comprimé ; l’autre branche, plus large, graduée également, contenait au-dessus du mercure le liquide qu’on voulait étudier ; cette branche était portée à une certaine température ; le liquide émettait des vapeurs dont la tension était indiquée par l’autre branche. En continuant à chauffer tout le liquide disparut et l’espace primitif qui n’était pas devenu plus de cinq fois plus grand, contenait un fluide homogène, toute démarcation entre le liquide et sa vapeur ayant disparu. L’éther chlorhydrique et l’acide sulfureux liquide donnèrent à Drion des résultats analogues.

Les expériences d'Andrews sont encore plus démonstratives. Ce qui caractérise le passage de l’état gazeux à l’état liquide, c'est une diminution brusque de volume; or Andrews portait de l’acide carbonique à certaines températures et le soumettait à des pressions croissantes ; il a vu que tant que le gaz était à une température inférieure à 31 0 , pour une pression convenable il y avait diminution de volume manifeste et passage net de l’état gazeux à l’état liquide, mais pour les températures supérieures il ne put observer cette diminution de volume et la masse présentait une apparence qui n’était ni le gaz ni le liquide, mais une sorte d’état intermédiaire, comme l’état pâteux est intermédiaire entre le liquide et le solide. Cette température de 31° est la température critique de l'acide

carbonique; pour d’autres ga2 le phénomène se produit également, mais à une température différente, c’est-à-dire que l’on peut passer d’une manière insensible du gaz parfait au liquide qui semblent les limites extrêmes d’un même état de la matière. La véritable définition d’une vapeur sera donc la suivante : Une vapeur est un gaconsidéré à toute température inférieure ci son point critique.

Nous voudrions dans un tel travail éviter tout calcul; nous ne croyons néanmoins, pouvoir nous dispenser de résumer les applications aux vapeurs des principes de la thermo-dynamique. Considérons un kilogramme de mélange de liquide et de vapeur parcourant un cycle de Carnot suivant deux isothermes et deux adiabatiques. L’application à ce cycle du principe de l’équivalence et du principe de Carnot conduit aux équations suivantes :

Dans lesquelles C est la chaleur spécifique du liquide sous pression constante, f la tension maximum de la vapeur à la température t, X la chaleur latente de vaporisation, T la température absolue = 273 + t; v' et v les volumes de l’unité de poids du corps à l’état gazeux et à l’état liquide, m la chaleur spécifique de la vapeur saturée, c’est-à-dire la quantité de chaleur qu’il faut fournir à 1 kilogramme de vapeur pour élever sa température de i° en la maintenant dans un volume tel qu’elle demeure saturée malgré l’élévation de tempéra-

Patein

ture. Les formules précédentes permettent de calculer m ; pour la vapeur d’eau cette quantité est négative ; dans les conditions spécifiées, au lieu d’absorption de chaleur il y a dégagement, et si l’on n’enlève pas cet excès de chaleur la vapeur comprimée se trouve surchauffée; la vapeur d'éther présente le phénomène inverse. La valeur de m étant connue on a pu calculer V’—V et par suite les densités de la vapeur d’eau saturée ; les valeurs calculées concordent avec les expériences de Fairbairn et Tate. Enfin en considérant l’équation (i) on voit que X ne peut devenir nul que lorsque V’ = V ; la différence entre ces deux quantités va en diminuant à mesure que la température s’élève et quant elle devient nulle, on se trouve à la température critique.

Nous ne parlerons pas des vapeurs surchauffées dont on ne connaît les propriétés que très imparfaitement et qui ne nous fournissent aucune application ; ni des déterminations faites par MM. Cailletet et Mathias sur les gaz liquéfiés; mais nous allons rappeler quelques uns des résultats obtenus parM.Pérot dans son travail sur le volume spécifique des vapeurs saturées. L’auteur fait ses expériences en présence d’une quantité finie de liquide ; le poids du centimètre cube de vapeur, et par suite son inverse, le volume spécifique est déterminé en isolant dans une atmosphère de vapeur saturée un certain volume, et mesurant la masse de la vapeur qui s’y trouve contenue ; deux méthodes conduisent à ce résultat. Dans la première on se sert d’un ballon analogue à ceux qu’employait Dumas, et on le place dans une chaudière en fonte munie d’un couvercle boulonné et dans laquelle on peut faire le vide ; à côté du ballon on place

dans la chaudière une ampoule remplie du liquide sur lequel on veut opérer. On fait alors le vide dans la chaudière d’abord avec une machine Carré, ensuite avec la machine pneumatique à mercure ; puis on ferme à la lampe le tube de verre qui établit la communication entre la machine pneumatique et la chaudière ; on porte alors celle-ci à une température connue T ; sous l’influence de la chaleur le liquide se dilate, fait éclater l’ampoule et remplit chaudière et ballon de vapeur saturée, l’excès de liquide restant en dehors du ballon; il s’agit alors de fermer celui-ci sans ouvrir la chaudière; pour cela on a enroulé autour de l’extrémité effilée du ballon, un fil de platine à travers lequel peut passer le courant d’une petite machine Gramme; le fil de platine rougit, fond le verre et la pointe se trouve fermée comme elle le serait au chalumeau. Tout le restant de l’opération se fait comme dans le procédé Dumas pour les vapeurs non saturées.

Monsieur Pérot a employé une seconde méthode dont voici le principe : « Supposons qu’un récipient A soit mis t en communication par un robinet R, avec un réservoir « B contenant du liquide et par un robinet R' avec une « machine pneumatique ou avec l’atmosphère. L’appareil « étant porté à une certaine température et le vide fait en « A, si l’on ouvre R, R' étant fermé, de la vapeur pénè- « trera en A qui se remplira de vapeur saturée, grâce à la « présence du liquide qui reste en B ; si l’on ferme R, on « isole un volume connu de vapeur saturée. On aspire « alors par le robinet R', à l’aide de la machine pneuma- « tique, la vapeur à travers des tubes absorbants, placés

« entre le robinet et la machine. Connaissant le volume « du récipient A et l’augmentation de poids des tubes « absorbants, qui n’est autre que le poids de la vapeur qui « occupait l’espace A, on obtiendra en divisant l’un par « l’autre, le volume spécifique de la vapeur saturée. »

A l’aide de la formule (i) que nous avons indiquée plus haut, Monsieur Pérot a calculé avec différents liquides l’équivalent mécanique de la chaleur : la moyenne de ses résultats est comprise entre 424 et 425.