CHAPITRE III
ACriOR GÉHÉRALE HB LA CUALR1III $Vtl L*BAV ET LA TAPEOR D*EAU
Nous avons dit, à la fm du dernier chapitre, que, la nature de la force à employer étant donnée, il importait de connaître raction que cette force exerçait d'abord sur le corps choisi comme intrriiu''iliaiiv. pour le Iransiiicllif. Dans les inacliincs thermiques, le corps universollemoiit employé est l'eau el la vapeur d*eau ; il convient donc de rappeler en peu de mots les lois qui caractérisent Taction de la chaleur sur Teau et la vapeur d'eau.
% l**. — Transformation de Teau en vapeur. — Mesure de la pression de la vapeur.
giiMBiio» 4e la ▼afM'ur d'emm, — Si dans la chambre d'un baromètre on introduit de l'eau, une partie de cette eau se vaporise immédiatement, c'est-à-dire passe à l'état gazeux non
perinarient.
Ce pliénoiucnc, si l'acile à constater dans le vide d'un baromètre, se produit lorsque la surface de Teau est soumise à une pression quelconque; seulement la quantité de vapeur fournie varie avec la pression et avec la température, mais il y a toujours pruducliuii de vapeur, méiiic aux plus busses lenipéralures.
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42 DES lUGULNËâ A VAPEIR.
La vapeur pure est sans odeur ni saveur, parfaitement in*
colore (il Iransparenle comme l'air. La vapeur qui sort des machiucs sous l'orme de flocons et de nuages est un mélange de vapeur pure et de particules déjà condensées. Cette condensation varie avec Tétat de Tatmosphère ; pendant les grandes chaleurs et lorsque l'air est privé d'eau, il y a peu de condensation cl la vapiMir (jiii sort {Vnnc niaclimo est dissipée dunsl aimosphèrc eu restant presque invisible. Si, au contraire, Pair est saturé d'humidité, la vapeur qui sort des machines est condensée en presque totalité et forme des nuages abondants et persistants.
Dans l'intérieur des niarliiiics liioii construites, la vapeur, avant d'exercer son action, doit rester incolore et transparente; toutes les fois qu'il y a condensation partielle, il se produit des résistances intérieures et une perle de pression dont nous montrerons rimportance.
Le jiassap' do Teau à l'état de vapeur s'obtient par cvaporation ou vaporisation.
ÉvapmaoB. — L'évaporation est la formation lente de la vapeur à la surface de Teau aux températures ordinaires. . Dans les phénomènes physiologiques et météorologiques Tévaporation joue un rôle très-important, mais nul pour ainsi dire, du moins jusqu'à ce jour, dans les machines à vapeur. Rien, du reste, n'indique l'impossibilité d'utiliser la vapeur produite par évaporatîon et obtenue souvent en grande abondance dans ceiiaiiios industries.
Vaporisation. — La vaporisaliou est la formation rapide de la vapeur obtenue soitparrélévationdela température, soit par la diminution de la pression à la surface du liquide. Le premier procédé est celui mis en pratique pour obtenir la vapeur employée dans les niacliines, et la chaleur est hahiluclleinent deniandèe à la combustion d'un certain nombre de corps, c'est-à-dire à leur combinaison avec Foxygéne de l'air.
La vaporisation est accompagnée de VébuUiiion. — L'ébuUition
CONSIDfiRATIOKS GÉN£R\LLS. 43
comprend les divers phéiioiiiènes suivants : dégagomonl deVair contenu dans l'eau ; Ibrniation de vapeur à la partie inlérieure du vase et sur les parois en contact avec la source de chaleur ; mouTement ascensionnel des bulles de vapeur et soulèvement de la masse d'eau : courants verticaux dans la masse du liquide. Ces courants sont ulilisés dans l'industrie pour renlcvcnient des matières que Teau tient en suspension.
Sous la pression deO'fTd de mercure, la vaporisation de Teau a lieu à la température de 100*. (Test précisément cette vaporisation sous la pression moyenne de 0'",70 qui définit la limite supérieure de notre échelle thermonietrique, correspondant à 100"* centigrades.
Dans les localités trés-élevèes au-dessus du niveau de la mer, la température de la vaporisation diminue. Ainsi : A Mexico elle no serait (lue de 92";
Au sommet du mont Blanc, de 85**.
Enfin la température de vaporisation varie avecla composition chimique de Feau, c*e8t-ù-dire avec la nature des sels qu*ellc tient en dissolution.
Ueau saturée de carbonate de soude bout à. . . 1 08" ;
sel marin 110'* ;
sel ammoniac 114**;
carbonate de potasse 1 40* ;
< lilonire de chaux iSO".
Les matières en suspension, pourvu que leur quantité ne suit pas considérable, ne paraissent pas modifier la température de rébuUition de Teau.
ftvsporatlon Vemm émnn éen ytmaem elos. Eau privée d'air.
— Les phénomènes qui acconi[)a^Mient l'ébullilion de Teau à l'air libre et sous la pression de Tatmospiière sont plus compliqués lorsque Tébullition est produite dans un vase clos capable de supporter des pressions supérieures à celle de Tatmo-
sphèn'. Mallienreusenient ces vases sont opacjues, cl il est pour ainsi dire impossible d'observer directement ce qui se passe à
44 DES NACilLNËS A VAP£UR.
leur intérieur. La présence de l*air dans Teau joue un rôle considérable et des expériences récentes sont venues démontrer i\uo Vonu privée d'air poiivjiit ri'stor li(iui(le ii des leinpùralures inlérieures à 0 el lrès-suj)érieures à lUU"; on a pu conserver de Teau liquide de — 12** à -h 188% doublant ainsi l'étendue de réclielte thermométrique.
Lorsqu'une quantité d'air pour ainsi dire infinitésimale était mise en contact avec de l eau iiiainlenue liquide à ces températures exceptionnelles de 150 à i 00", la vaporisation se produisait immédiatement avec une violence extrême ; il suffisait de toucher avec la pointe d'un crayon une goutte d'eau en suspension dans une masse d'huile pour amener la vaporisation inslanlanéc el loudroyanle de celle goutte d'eau.
Expérience* de cirowe. — On a aussi récemment signalé un fait singulier dans Tébullition. M. Growe, après avoir soumis une certaine quantité d'eau à une ébullition prolongée, de manière à en expulser tout l'air iju'elle |)araissait contenir, phn a cette eau dans un tube courbé deux fuis à angle droit au tiers de sa longueur. L'eau n'occupait que le tiers inférieur. Elle fut soumise à une nouvelle et longue ébullition, puis les deux autres tiers du tube furent remplis d*huile d'olive pure, et Tex- Irémité ouverlc du tube plon^-ée dans une clociie remplie d'huile.
Lorsqu'on chauffa l eau de nouveau, les bulles de vapeur se condensèrent dans Thuile, mais chacune de ces bulles laissait derrière elle une bulle beaucoup plus petite ne contenant que
de l'azote.
Il semble donc que, si l'expulsion de l'oxygène s'effectue facilement, il n'en est pas de même de l'azote qui, malgré des ébullilions réitérées, resterait intimement uni à l'eau.
Enfin la forme du vase dans lequel on échauffe l'eau a une induence sur la production el la marche des bulles de vapeur. Nous parlerons plus en délail de ces phénomènes nouvellemenl constatés, dans les leçons sur l'eau et sur les explo-
CO.N^IliKUATlnNS GÉNÉRALES. 45
sîoos; mais nous devons dès maintenant signaler Tiroportance des études à foire sur tout ce qui concerne la vaporisalion de Teau .
Trnslon maxlma. Vapeur fmturée. — NoUS aVOnS (lit qUC, SI
l'on iiiii oduit de Teau dans la chambre d'un baromètre à mercure, il y aura production d*une certaine quantité de vapeur. Ajoutons qu'il y aura dépression du mercure et diminution de la hauteur haroinch i(|ni\
Si Ton augmcnU- la hauteur de la chambre baruiiiciriquc cl qu'il y ait encore de Teau sur le mercure, une nouvelle quantité d'eau se vaporisera, mais la hauteur du mercure ne variera pas. Inversement, si on diminue la capacité de la chambre baromt'ti iqiio, une pni tif; de la vapeiii* redeviendra lu.'iis la hauteur du mercure restera constante. On en conclut que, pour une température donnée, il existe une tension de la vapeur déterminée et invariable. Cette tension se nomme ten- «ton maxhna de la vapeur.
La vaj>eur qui s»- liouve à cet ét;d |)i('iid le nom de vapeur saturée» Kii d'autres tenues, pour une teuipéiaturc donnée, un espace fermé, mis en communication avec Teau, ne peut absorber qu'une quantité déterminée de vapeur. On dit alors que cet espace est saturé de vapeur, l'expression de saluration s*appiiquant ('ijaiemcnt à la va[(('ur (jui remplit une capacité quel** conque et à celte capacité eilc-wémc.
ffcé««ii«M de réuit sfiiéroMai. — L'eau, en contact avec un métal très-chaud, ne se vaporise pas instantanément, elle forme lin plohule fournoyant sur luî-mi>me et paraissant, pendant un l< iii|is plus ou moins lonjjj, comme sns[)endu au-(l(*ssns de la plaque échaulïée ; puis, à un moment donné, la masse entière passe brusquement à Tétat de vapeur. On ignore quelles sont les pressions par lesquelles passent ces quantités de vapeur avant de disparaître dans l'atmosphère; mais on suppose (pie «le la vapeur ain*>i prodnile dans on va^e clos prul ari'iver à des pressions coasidérabics. L'on a vu, dans les expériences
4(î DtS MACIILNES A VAPEI R.
signalées pour la première fois par M. Bouligny (d*Évrcux) sur réiat sphéroîdal de Teau, Tcxplication des productions aboD' danfes de vapeur qui se produisent instantanéiiunl quand,
dans une cliainlii'it* poiU'o au r(m;:(% un chauffeur uôgligeiil laisse entrer de l'eau. On suppose que l'eau, comme dans Télat sphéroîdal, reste liquide à une température très-éievée, puis, que, se transformant subitement en vapeur, elle atteint une |)r(>ssion supérieure ù la résistance des parois de la chau- (lirre.
Mcainrc de U praaloa des gm» et des vapsOTS. — La prcssion
des gaz et des vapeurs se mesure en France en alnmphères et en dixièmes d^ atmosphère.
La pression atmosphérique elle-même s^ovaluc en kilo^
(j ranimes.
Ln temps ordinaire et au niveau moyen de la mer, la pression atmosphérique est contrebalancée par une colonne d'eau d'une hauteur de 10",553, ou par une colonne de mercure de
0"',7C». — Le mèlre cuIjc d'eau pesant exaclenient 1,000 kilog. ou 1 lomie, la pression atmosphérique sur une surface de i métré carré sera de 10,555 kilog.; sur 1 décimètre carré, 103^,53; sur i centimètre carré, 1^,053.
En supprimant les 33 millièmes qui entrent dans cette dernière valeur, on arrive à cette fornuile si pratique :
« La pression atmosphérique est de 1 kilog. par centimètre carré. »
Une chaudière renfermant de la vapeur dont la pression accusée par les manomètres est de 5 atmosphères, subit par con-
s(M|uent de rinlérieur à l'extérieur une pression de 5 l\il<»g. par ccntiméti'c carré, et, si on déduit la pression atmosphérique qui s*exerce de Textérieur à l'intérieur, une pression effective de 4 kilog. par centimètre carré.
Fn An^'hMerre, on déduit toujours la pression nimosphériqui» lui s(jue Ton paile de la pression dans les cliaudiéres. Eu France, au contraire, on évalue la pression intérieure sans
CONSIDÉUATIONS GÉiNKftALES. 47
tenir compte de la pression extérieure. Nous aurons à rappeler oettc différence lorsqu*il s^agira des épreuves à faire subir
aux chaudières.
En Au^Lelcrre, les prcbsions s'cvaluciit en livres pur puuce carré.
La livre anglaise est de 0^,453.
Le pouce carré est de 6^*,45.
La pression do i livre par pouce carré «'•quivaiit donc à a'Ue de 0'',455 sur G*^'*,45 ou de 0'',070 sur 1 ccutimclrc carré.
Les chiffres ci-aprés, extraits des. tables du général Morin, donnent la correspondance des pressions les plus usitées en
mesures françaises el anglaises, et réciproquement :
■EsuRBs rtLxt^xnn. ■isoiu Aseums.
(A<niomÉu«.) (uvau m« mvci.)
7 lO'i.ss
8 Ii7.:..s
En Angleterre, on compte anssi les pressions on atmosphères, et la pression atmosphérique est évaluée à 15 livres par pouce carré, poids d'une colonne de mercure de 30 pouces ou O'tTTë. Cette valeur, plus forte que la valeur française qni ne correspond qn'à 0"',7C de mercure, représente \\i)h i par centimètre carré, tandis que nous avons trouvé pour la valeur française 1^,053.
En négligeant dans les deux cas les fractions 54 ou 35 grammes, on retombe dans la formule que nous avons donnéC) laquelle siiliit lar|^onienl à tous les besoins de la pratique.
48 DES MACHINES A VAi'ElJU.
Enfin on évalue encore les pressions atmosphériques en eentimèlres de mercure ou en pouces de mercure en France et
en Anglclerrc. Il est facile de faire les transforniafions de tous les iiirnles d'rvalualioii, franslbniiatioiis que l'on trouve calculées dans plusieurs ouvratres, et iiotaiiiincnt dans le Traite des machines à vapeur de MM. Tresca et Morin. Le point de départ est toujours le suivant :
Kn France : 1 atmosphère = 1^,035 par cenlimctre carré = 0™,7() mercuiT ;
Kii Angleterre : 1 alinosphcre = 15 livres par pouce carré s=30 pouces de mercure.
g s. — Lois relatives «ui diangements de volume des gaz et des vapeurs, sous des pressions et des températures variables.
Loi de aiarioite. — Lorsqu'un gaz, renfermé dans un espace à parois mobiles, est soumis à une pression extérieure de plus en plus grande, il se réduit à un volume de plus en plus petit.
Dccouverle (huis le milieu du dix-huitième siècle, la loi de ces varialions a élé iui iuulèe pai l'abbé .MarioUc et vérifiée par lui jusqu'à 4 ulmosplières pour Tair. Cette loi csl la suivante :
« Les volumes qu'une même masse de gaz occupe à une température constante sont inversement proportionnels aux pressions que le gaz supporte. »
Ou eu d'autres termes : u Les densités deTair, à température égale, sont proportionnelles aux pressions. »
Ë, £' étant les volumes sous les pressions P, F, la loi de Mariette donne
1 = ^, ou EP=E'F.
Le produit de la pression par le volume est une constaniCé
Il imporlait de savoir si la loi de Mariette s'appliquait à des pressions supérieures à 4 atmosphères. Les expériences fuites
par Dulong et Arago entre 1 et 27 almosplicres, reprises par M. RegnauU pour des pressions comprises entre les mêmes limites^ ne laissent aucun doute à cet égard, et l'expérience n*a révélé, entre les résultats obtenus directement et ceux donnés par la lonimle, que des dilTéreiiecs inférieures à 0,01. Des physiciens étrangers ont vcriiié la loi de Mariottc jusqu à 68 atniosptières. I<îous pouvons donc considérer comme parfaitement exacte la formule EP = constante.
L'expression EP = constante, élant représentée graphiquement, donne une hyperbole : l'axe des X représentant les volumes. Taxe des ï les pressions.
Absolument vraie pour les gaz, la loi de Mariottc s'applique également aux vapeurs, et notamment h la vapeur d'eau, au moins dans des limites suffisantes dans la pratique; elle ne cesse de s'appliquer que dans les circouslances où intervient un autre phénomène, le retour de la vapeur à Tétat liquide.
M 4e Bmj-UÊÊmmm* — « La dilatation de l'air est uniforme deO à 100". Elle est mesurée pour chaque degré par la fraction 0,00575 du volume à G". »
ff
E étant le volume d'une masse de f;az à 0* ;
E', E" étant le volume d'une niasse de gaz à l\ l" ;
a le cocliicientdc dilatation,
on a
L'expression (i al') se nomme module ou binéme de dilatation.
Pour la température <*, on a
E' = E (1 -h al").
Tirant la valeur de L des deux équations précédentes, ou a
50 DES IIACBINBS k VAPECR.
Le volume à 0° esl égal au volume à une température quelconque iliNisé par le binôme de dilatation.
M. Regnaull a cherché si la loi de Gay-Lussac était applicable sous d*autres pressions que la prasion atmosphérique ; poussées jusqu'à S'^^i/S les vérifications ont été complètes, seulement le coellicitMil de dilal;ilion a été de 0,00507 au lieu do 0,(J0575.
YarlatioBii de la prcMion avec la température. — Expériences
ée B^gMiaii. — Un grand nombre de physiciens ont cherché à reconnaître comment variait la tension maxima de la vapeur avec la température, c'est-à-dire quelle était la pression de la
vapeur saliirre à chaque degré de réchelle (hernioniétrique. Ces recherches, tuiles par Walt, Dallon, Dulong et Arago, ont été reprises et amenées à un étal de certitude parfait par M. R^ault, qui a donné de degré en dçgré la tension maxima de la vapeur d'eau depuis 32* jusqu'à 250*. Les tables de M. Regnaull sont publiées dans un grand nombre d'ouvrages; nous en donnons un extrait, en prenant les températures auxquelles on se procure l'eau d'alimentation à l'état ordinaire ou surchauffée, et les températures qui correspondent aux pressions employées dans les machines.
o.nil
ru. 900
