TBMPÉRATDRE DE FUSION PRESSION. DE LA. GLACE

8,1 atmosphères , — 0°,049

En admettant que, dans le vide, la glace fonde à zéro, la moyenne de ces expérience donne 0", 0073 pour l'abaissement du point de fusion de l^glace qne détermine un accroissement de pression d'une atmosphère. Quand on tient compte (les difficultés que présentent des expériences aussi délicates, on doit admettre qu'il y a accord complet entre l'expérience directe et la théorie. Dans les limites où il a été expérimentalement vérifié, le résultat théorique énoncé par M. James Thomson doit donc prendre rang dans la science à titre de vérité démontrée.

M. Clausius a, dans une note importante, complété le travail de M. James ThomsoH, en démontrant qu'un accroissement de pression détermine une diminution de la chaleur latente de fusion de la glace en même temps qu'un abaissement de son point de fusion. Il a estimé que, lorsque la pression est suffisante pour abaisser d'un degré le point de fusion, la diminution de la chaleur latente de fusion de la glace est de 0, 81 .

En 1858, M. Mousson a fait des expériences tort intéressantes qui étendent d'une manière remarquable les observations de MM. James et "Williams Thomson sur l'abaissement du point de fusion de la glace dû à la pression. En les comprimant fortement dans un cylindre creux d'acier, ce physicien est parvenu à fondre complètement des blocs de glace dont la température était maintenue à 18 degrés au-dessous de zéro.

De la discussion des expériences faites en 1794 à Québec par le major Edwards William, dont nous rapporterons plus bas les résultats, Charles Hulton conclut que, renfermé dans un vase dont la résistance des parois excéderait la force d'expansion de la glace, l'eau supporterait, sans se congeler, les plus basses températures. M. Boussingault a publié dans les Annales de physique et de chimie (4* série, t. XXVI, p. 544) une série d'expériences confirmatives de cette remarquable proposition. Il s'est servi d'un cylindre d'acier fondu et forgé long de 46 centimètres, foré jusqu'à une profondeur de 24 centimètres; le diamètre intérieur était de 15 millimètres, et l'épaisseur des parois de 8 millimètres ; le bas du canon était en acier fondu. Refroidi de 4 degrés au-dessus de zéro, ce canon était rempli d'eau à la même température ; puis il était hermétiquement fermé a\ec un bouchon à vis serré au moyen d'une clef à levier. Une balle d'acier préalablement introduite dans le canon indiquait par sa mobilité ou son immobilité si l'eau était ou non solidifiée. M. Boussingault a ainsi pu constater expérimentalement que, dans ce canon d'acier à parois assez épaisses pour résister, sans subir ni rupture ni extension sensible, à la force d'expansion de la glace, l'eau a pu, sans se congeler, supporter pendant plusieurs jours l'action de températures qui sont tombées à 18 et même à 24 degrés au-dessous de zéro. Du reste, dans toutes ces expériences, la masse liquide s'est toujours instantanément et complètement congelée au moment où l'on a diminué la pression en dévissant le bouchon.

Cette influence, surabondamment démontrée, de la pression sur le point de lu-

sion de la glace, donne une très-logique et très-satisfaisante explication du regel, phénomène étudié avec tant de soin par Faraday. Du moment, en effet, où une force, quelque petite qu'elle soit, presse l'un contre l'autre deux fragments de glace, il y a nécessairement fusion aux points de contact. L'eau ainsi formée glisse dans les interstices où elle est soustraite à la pression ; plus froide que la glace elle-même, elle repasse immédiatement à l'état solide et établit un lien d'adhérence entre les deux fragments.

M. Tindall a utilisé ces phénomènes pour réaliser des expériences très-intéressantes. Il accumule des fragments de glace grossièrement concassés entre les pièces d'un moule de bois ou de métal de manière à ce qu'ils maintiennent d'abord ces pièces à une certaine distance les unes des autres. Il soumet ensuite le système à une pression énergique, par exemple à l'action d'une presse hydraulique. A mesure que les pièces du moule se rapprochent, la glace se brise en fragments plus petits, comme le ferait tout autre corps solide. Mais, en raison de l'excès de pression, la glace fond aux surfaces par lesquelles les fragments se touchent; cette eau permet aux fragments de glisser, s'écoule elle-même dans les cavités où, soustraite à la pression, elle se congèle et se soude à la glace qui reste. On obtient ainsi des sphères de glace, des lentilles parfaitement transparentes; la glace s'est moulée comme l'eût fait une substance pâteuse.

Cette expérience de M. Tyndall rend compte de la plasticité de ces masses énormes d'eau congelée, connues sous le nom de Glaciers, qui descendent, d'une manière continue, du sommet des montagnes vers la plaine. Dans leur marche incessamment progressive, ces glaciers remplissent les vallées, se moulent sur la configuration du terrain, se rétrécissent et s'élargissent en même temps que la vallée à travers laquelle ils s'écoulent. Malgré la rigidité de la glace, la masse solide ne se brise pas, ne se réduit pas en fragments; semblable à un immense torrent de matière pâteuse, elle reste continue, obéit à l'action de la pesanteur et descend le long des flancs des montagnes, sans que rien puisse arrêter sa marche lente et régulière.

De ce fait que la glace nage à la surface de l'eau, Galilée conclut que, contrairement à ce que l'on observe pour les autres liquides, l'eau se dilate, augmente de volume en se solidifiant. Ses collègues de l'Académie del Ciniento s'empressèrent d'instituer des expériences variées et concluantes pour vérifier l'exactitude de cette proposition du maître. Ils constatèrent d'abord que des vases de métal et de verre, exactement remplis d'eau, se brisent au moment de la congélation du liquide ; dans une de leurs expériences ils déterminèrent la rupture d'une sphère de cuivre dont les parois avaient huit lignes d'épaisseur. En 1667 Huyghens fit éclater en deux endroits, par la congélation de l'eau, un canon de fer dont les pavois avaient, dit-il, « rm doigt » d'épaisseur. Jaloux d'étudier plus pi'ofondément ce phénomène, les académiciens de Florence essayèrent de déterminer la valeur de la dilatation de l'eau au moment où elle change d'état. N'ayant à leur disposition que des procédés de mensuration très-imparfaits, ils conclurent de leurs essais que l'eau, en passant à l'état de glace, se dilate de la huitième partie de son volume ; cette estimation est évidemment trop forte.

Pendant les mois de décembre 1784 et de Janvier 1785, le major Edwards William fit, à Québec, sur la congélation de l'eau, des expériences dont les résultats furent communiqués à la Société royale d'Edimbourg. Hiiit bombes de 32 centimètres de diamètre extérieur, et dont les parois avaient 38 milhmètres d'épaisseur, furent remplies d'eau et fermées avec des bouchons en fer retenus par des

élriers mé(alliques. Elles furent exposées à i'actioa de la température atmosphérique qui oscilla entre 19 et 28 degrés au-dessous de zéro, et dont la moyenne fut de 24 degrés iiu-dessous de zéro, pendant la durée des observations. Dans sept expériences, les bombes résistèrent à la poussée, mais les bouchons furent projetés à une grande distance qui cependant ne dépassa pas 125 mètres; en même temps des cylindres de glace, dont la longueur varia entre 57 et 216 millimètres, firent sadlie à travers les trous des bombes. Le 4 janvier, par une température de 24 degrés au-dessous de zéro, la huitième bombe creva, se sépara en deux moitiés; en même temps, deux lames de glace, semblables à deux nageoires et d'une épaisseur maximum de 4 centimètres, firent saillie entre les deux fragments. Le bouchon lui-même avait cédé en partie, malgré la résistance des bandes métalliques destinées à le retenir; chassé hors de la hmiière, il faisait saillie de 2 centimètres de plus qu'au début de l'expérience. Évaluant approximativement le volume du plus gros cylindre de glace chassé au dehors et le comparant à la capacité de la bombe, Charles Hutton calcula que l'eaù, en se solidifiant, se dilade de p^- à j^ de son volume; cette estimation est trop faible et n'est pas sensiblement plus approchée de la vérité que celle des académiciens de Florence.

Nous savons aujourd'hui que la densité de l'eau liquide est 1 à 4» et 0,999875 à zéi^Q, et que la densité de la çilace à zéro est seulement 0,918. Il en résulte qu'un poids d'eau dont le volume est 1 à 4" occupe à zéro et à Vétat liquide un volume 1,0001269, tandis qu'à l'étal de glace et à zéro il occupe un volume 1,0893246. En passant de la température de 4" à Vétat de glace a. zéro, un poids donné d'eau se dilate donc du ^ de son volume primitif, et la presque totalité de cette dilatation s'effectue brusquement au moment du changement d'état physique.

Dans ces derniers temps, MM. les professeurs Martins et Chancel ont repris les expériences du major Edwards William, et ont poussé beaucoup plus loin l'étude de ces phénomènes intéressants. Ils ont fait éclater des projectiles creux remplis d'eau et dont la lumière était fermée avec des bouchons en fer solidement assujettis, en les exposant à l'action de mélanges réfrigérants dont la température se maintenait à 20 degrés au-dessous de zéro. Opérant avec une bombe de 32 centimètres de diamètre extérieur et dont les parois avaient 59 millimètres de diamètre, ils ont constaté qu'au moment de la formation d'une couche de glace d'MW centimètre d'épaisseur qui a déterminé la rupture du projectile, la température de l'eau emprisonnée était tombée à 4,2 degrés au-dessous de zéro. Nous devons nous contenter de mentionner les principales conclusions de cet intéressant travail.

Comme Charles Hutton l'avait déduit des expériences du major Edwards William, la congélation ne s'étend jamais qu'à une faible portion de l'eau en expérience; le poids de la couche de glace dont la formation a déterminé la rupture s'est constamment maintenu entre les 20 et les 30 centièmes du poids total du liquide emprisonné dans les projectiles creux.

La rupture des projectiles creux en fonte par la congélation de l'eau s'est toujours effectuée sans projection des fragments. Ce résultat est en contradiction avec l'assertion de Muncke qui, dans la relation d'expériences par lui faites à Milchelstadt, dit avoir vu des fragments de 75 kilogrammes projetés, au moment de la rupture, à la distance de dix pas.

D'après les calculs de MM. Martins et Chancel, la rupture des projectiles creux s'est opérée, dans leurs expériences, sous la pression énorme de 520 atmosphères déterminée par la formation d'une couche de glace autour de l'eau emprisonnée.

Cette dernière conclusion montre avec quel soin les hommes charges de sur-

CIIALHUR.

veiller les grandes constructions doivent éviter de laisser subsister, entre les matériaux, des interstices dans lesquels l'eau pourrait s'accumuler et rejeter les matériaux qui contiennent de l'eau d'imbilùtion; par les hivers rigoureux, cette eau, en se congelant, pourrait déterminer des détériorations très-considérables et même

très-dangereuses.

B. Vaporisation. Condensation des vapeurs. On désigne sons le nom de vaporisation \q. pa?sage de l'état liquide à l'état gazeux; le phénomène inverse, le passage de l'état gazeux à l'état liquide, prend la dénomination de condensation. Ces deux changements d'état se distinguent, par des caractères très-importants, de la fusion et de la solidification que nous venons d'étudier. Ainsi :

Dans une étendue très-considérable, et peut-être même indéfinie, de l'échelle Ihermométrique, bien que la température soit la même, un corps déterminé peut être observé simultanément à l'état liquide et à l'état gazeux. D'autre part, les

expériences les plus élémentaires montrent que la pression joue un rôle prépondérant dans ces phénomènes de vaporisation et de condensation.

Faisons passer quelques gouttes d'un liquide dans la chambre d'un baromètre.

Immédiatement le liquide disparaît en totalité ou en partie, et la colonne mercurielle est constamment déprimée. Il s'est développé, dans la chambre de l'appareil, une vapeur, un gaz, dont la force élastique, la tension, est mesurée par l'éten'dne de la dépression de la colonne barométrique. La température étant invariable, la dépression est maximum quand il reste un peu de liquide en excès à la surface de la colonne mercurielle ; on dit alors que la tension de la vapeur est maximum ; on dit encore que l'espace représenté par la chambre barométrique est sature' de la vapeur du li(juide essayé, qu'il en contient autant qu'il peut en recevoir à cette température. Si l'on place (fig. 29), à côté les uns des autres, des baromètres dans lesquels on la introduit des liquides divers, l'expérience montre qu'à la même température la tension maximum de la vapeur dépend de la nature du liquide qui l'a fournie. Ainsi, à 20 degrés au-dessus de zéro, la tension maximum de la vapeur d'eau est de 17">™,39 ; celle de l'alcool, de44'"",46; celle du chloroforme, de lôO""",/*?; celle du sulfure de carbone, de 298™™, 03 ; celle de l'étber, de 452™", 78 ».

Lorsqu'on fait varier la température autour d'un baromètre dans lequel on a introduit un liquide, la dépression de la colonne mercurielle ne reste plus constante; elle varie dans le même sens que la température. La tension masiimum de la vapeur fournie par un liquide quelconque dépend donc de la température; elle augmente et diminue avec elle.

'Dans la figure 29, le baromètre C est sec, on a introduit une goutte de liquide dans la chambre des trois autres baromètres; de l'eau en D, de l'alcool en E, de l'éther en F.

Opérons avec une cuvette profonde qui permette d'augmenter ou de diminuer à volonlé la longueur du tube barométrique immergé dans le mercure ; deux cas se présentent :

l" La quantité de liquide introduite est assez considérable pour qu'il en reste toujours un excès à la surface de la colonne mercurielle. Dans ce cas, la vapeur est constamment saturée, et la tension reste maximum. Cette tension maximum reste indépendante de l'étendue de l'espace occupé par la vapeur ; en effet, quelle que soit la longueur du tube immergé dans la cuvette, la hauteur de la colonne barométrique au-dessus du mercure de la cuvette reste invariable. Lorsque, en soulevant le tube, on agrandit l'étendue de la chambre barométrique, le liquide fournit une nouvelle quantité de vapeur qui maintient l'espace saturé et la tension constante. Lorsque, au contraire, on diminue l'étendue de la chambre barométrique en enfonçant le tube dans la cuvette, une partie de la vapeur formée se condense, repasse à l'état liquide, la saturation et la tension restent constantes

2" U n'eu est plus de même quand la chambre barométrique ne contient pas de liquide en excès, n'est pas saturée de vapeur; la tension de la vapeur dépend de l'étendue de l'espace qu'elle occupe. Dans ce cas, en effet, la hauteur de la colonne barométrique au-dessus du mercure de la cuvette augmente ou diminue suivant qu'on soidève ou qu'on enfonce le tube, c'est-à-dire suivant qu'on agrandit ou qu'on rétrécit l'étendue de la chambre barométiique occupée par la vapeur non suturée. D'ailleurs l'observation montre que la force élastique ou la tension de ces vapeurs non saturées, dilatées, varie à peu près en raison inverse du volume qu'elles occnpent. Tant que les variations de l'étendue de l'espace qui contient les vapeurs non saturées, dilatées, ne dépassent pas la limite où l'apparition du liquide à la surface du mercure annonce que la chambre barométrique est saturée, ces vapeurs se conduisent donc comme des gaz dont on fait varier le volume, la température restant constante.

Ce n'est pas seulement dans le vide que les liquides changent spontanément d'état et passent à l'état gazeux. Les liquides fournissent aussi des vapeurs dans des espaces occupés par un gaz quelconque, seulement dans ce cas le phénomène de changement d'état est plus lent; la tension de la vapeur ainsi formée s'ajoute à la lorce élastique du gaz qui occupe l'espace. D'ailleurs, à une température donnée, la tension maximum de la vapeur d'un liquide déterminé est la même, que l'espace soit vide ou occupé par un gaz ; dans l'un et l'autre cas, la même quantité de vapeur est nécessaire pour saturer l'espace. L'expérience démontre encore que les vapeurs s«f«rees et les vapeurs dilatées se conduisent de la même manière dans les espaces occupés par un gaz et dans les espaces vides.

Dans son cours de physique de l'École polytechnique, M. Verdet résume l'ensemble de ces faits dans les conclusions suivantes :

« 4" Un grand nombre de substances, sinon toutes, peuvent, dans une trèsgrande étendue de l'échelle thermométrique, exister à la même température sous l'état gazeux et sous l'état liquide.

« 2» A une température donnée, l'état de gaz ou de vapeur est un état d'équilibre stable, tant que la densité de la vapeur, et par suite sa force élastique, n'atteint pas une limite déterminée {point de saturation), qui est fonction de la nature du corps et de la température.

« 5» Lorsque cette limite est atteinte {point de saturation) , l'état gazeux n'est stable que relativement aux perturbations qui tendent à élever la température ou à diminuer la densité de la vapeur ; il est instable relativement aux perturbations

de sens contraire ; quelque faibles que soient ces perturbations, elles ont toujours pour conséquence un retour partiel du corps à l'état liquide.

« 4"" L'état liquide n'est jamais stable dans les molécules constituant la SM?'/ace libre, par laquelle le liquide est en contact avec un espace vide ou rempli d'un fluide élastique. Tant que cet espace n'est pas saturé de vapeur, il y a évaporation sur la surface libre; lorsque la saturation est atteinte, il est à croire que l'évaporation se continue, mais qu'elle est sans cesse compensée par une condensation équivalente. »

Liquéfaction et solidification des gaz. On savait depuis longtemps que certains gaz peuvent être ramenés à l'état liquide ; l'acide sulfureux et l'ammoniaque avaient été liquéfiés, le premier par Monge et Clouet, le second par Guyton deMorveau; plus tard, Thilorier parvint à liquéfier et même à solidifier l'acide carbonique. Dans ces derniers temps, les importantes recherches de Faraday et de M. V. Regnaultont montré qu'il est possible de ramener à l'état liquide la plupart des gaz qui longtemps ont été considérés comme permanents. Ces faits donnent aux conclusions précédentes, empruntées aux leçons de M. Verdet, une extension qui permet de les considérer comme tout à fait générales.

Les procédés auxquels il est nécessaire de recourir pour opérer ces changements d'état varient suivant la nature des gaz soumis à l'expérience. Dans certains cas, il suffit d'abaisser la tempéz'ature ou d'augmenter la pression ; pour les gaz les plus réfractaires, il est nécessaire de recourir à l'action simultanée de la compression et du froid. Six gaz seulement, l'hydrogène, l'oxygène, l'azote, l'oxyde de carbone, le bioxyde d'azote, et le carbure d'hydrogène (C^H*), connu sous le nom de gaz des marais, ont résisté à femploi des moyens puissants dont la science dispose aujourd'hui. Nous indiquons, dans le tableau suivant, les principales données numériques relatives à la liquéfaction et à la solidification des gaz.