DILATATION DES GAZ PAR LA CHALEUR

L’action de la chaleur sur les corps gazeux a Heu sui-

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vant «ne loi aussi générale que celle de Mariotte, et cette loi est d’autaht plus importante pour le chimiste , qu’un grand nombre de phénomènes, qui se reproduisent sans cesse et dont nous avons déjà vu quelques-uns , en dépendent. En chauffant par exemple une cornue ( p. 3), nous avons vu se dégager beaucoup d’air atmosphérique; lorsqu’après avoir plongé le col de la cornue dans l’eau on la laisse refroidir, l’eau s’v élève. On peut examiner facilement et avec exactitude la dilatation de l’air, en remplissant d’air sec un tube de verre, auquel on a soufflé une boule, comme à un thermomètre ordinaire. Le tube doit être bien calibré intérieurement. Il est nécessaire de le choisir dans un grand nombre de tubes; on l’éprouve en y introduisant un peu de mercure, autant par exemple qu’il en faut pour le remplir au dixième. Lorsque la colonne de mercure promenée dans diverses parties du tube jouit partout de la même longueur, des longueurs égales du tube correspondent à des capacités égales. On trouve le rapport de la capacité de la boule à celle du tube en déterminant successivement la quantité de mercure nécessaire pour remplir la boule et celle qui entrerait dans le tube seul. Si la boule et le tube peuvent contenir chacun par exemple lo grains de mercure, il est évident que le tube étant partagé en looo parties égales, chaque division du tube vaudra la i^iooo partie de la capacité de la boule. La vapeur d’eau occupant un espace presque 2000 fois plus grand que l’eau liquide, il faut dessécher soigneusement la boule et le tube et n’y laisser entrer que de l’air sec. On remplit premièrement le tube in etlaboule^ de mercure qu’on échauffe, afin dele dépouiller entièrement d’humidité; à l’aide duhouchon h{fg. 86)

I on y adapte un tube rempli de chlorure de calcium. Si 1 l’on tient cet appareil verticalement, la boule tournée vers le haut, le mercure s’écoule, et de l’air atmosphérique desséché par le chlorure de calcium qu’il traverse se rendra dans la boulej néanmoins on laisse dans le tube une petite colonne de mercure g' qu’il sera facile de transporter en un point voulu du tube au moyen d’un fil de fer servant en même temps à favoriser la sortie du mercure. On dispose alors le tube dans une caisse quadrangulaire en cuivre A {fig. 87 ) placée sur un fourneau B, de manière à pouvoir être échauffée graduellement. On verse de l’eau dans la caisse jusqu’à ce que le niveau de ce liquide soit élevé d’une quantité notable au-dessus de la boule. On introduit dans l’eau deux thermomètres c et ? ou même un plus grand nombre; il est également avantageux de faire passer par le couvercle de la caisse de petites barres plongeant dans l’eau et garnies à leurs bases d’ailes, au moyen desquelles, quand on fait tourner les barres, l’eau soit mise en mouvement et la température rendue uniforme dans tout le vase. On prend d’abord de l’eau à 0°; le bouchon o permet de faire entrer et sortir le tube et la boule. On commence par rapprocher avec le fil dç fer, aussi près que possible de la boule, la petite masse de mercure qu’on a laissée dans le tube et qui a pris la forme cylindrique, de manière que la quantité d’air emprisonné dans la boule par le petit globule de mercure, s’élève à 1000 parties, et que la capacité du tube gradué et ouvert soit aussi à peu près la même. On fait avancer dans la caisse le tube avec la boule justement jusqu’au point où se trouve le cylindre de mercure. Cela posé, si l’on chauffe peu à peu le liquide, l’air se dilatera et poussera

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le globule de mercure en avant 5 on enfonce alors le tube plus profondément dans le vase, afin que toute la masse d’air comprise dans la boule et le tube prenne la température du bain chaud. 11 sera facile d’observer la dilatation de l’air, qui remplissait la boule, et occupait par conséquent 1000 parties, en examinant les progrès du cylindre de mercure. L’eau étant chauffée depuis 0° jusqu’à 100°, le cylindre de mercure s’avancera de 872 parties J si l’on élève la température depuis 0° jusqu’à 5o° seulement, le cylindre de mercure s’arrêtera à la 187® ' partie; la température continuant à s’élever depuis 5o° jusqu’à IOO®, il parcourra les 186 autres parties. En faisant l’expérience de degré en degré, on trouvera que chaque degré de chaleur pousse l’index de 8,72 parties en avant. On pourrait étendre cette observation au delà de 3oo° en remplaçant dans le vase l’eau par de l’huile; et jusqu’à — 36° en refroidissant artificiellement l’air de la boule , on trouverait ainsi que la dilatation uniforme a lieu aussi à ces degrés de température; lorsque, au lieu d’air atmosphérique, on emploie d’autres corps gazeux pour faire l’expérience, on trouve après les avoir introduits dans la boule, que, soumis à la même loi, ils se dilatent absolument comme l’air de o,oo3y5 pour chaque degré du thermomètre, leur volume a 0° étant pris pour unité. Les gaz qui se liquéfient à une basse température ou sous une forte pression font exception à cette loi, mais seulement lorsque la température à laquelle on opère approche du point de leur passage à l’état liquide. Chauffés à partir de ce point ils se dilatent plus fortement jusqu’à ce qu’ils l'aient dépassé de 20 à 3o° et encore un peu davantage; au delà de cette température ils rentrent cependant sous la loi

commune. Le gaz acide sulfureux, qui bout à — ro'», appartient à ces substances. En faisant briller du soufre dans le gaz oxigène on devrait obtenir un volume de gaz acide sulfureux égal à celui de l’oxigène employé, comme nous le verrons dans l’histoire de cet acide , mais l’expérience en a toujours donné un peu moins. Voilà pourquoi la pesanteur spécifique déterminée à la température ordinaire, s’élève aussi trop haut. Car loo parties en poids if oxigène se combinant avec ioo,58 parties de soufre, la pesanteur spécifique devrait être de

aoo,5S V 1,1026 ^ ,, , ' 1* '

= 2,21 10 ; tandis que des pesees directes exécutées à la température ordinaire ont donné 2,247.

Le poids d’un certain volume, par exemple, d’un pouce cube d’air atmosphérique ou de tout autre gaz, tel qu’on l’a déterminé, n’est exact cju’à une certaine température, qu’on fixe ordinairement à 0°. Le volume des corps gazeux augmentant ou diminuant avec la température, lorsqu’on fait des expériences avec des gaz, il faut continuellement observer la température, et faire entrer en ligne de compte les changemens qu’on remarque. A-t-on obtenu, par exemple, 12 pouces cubes d’un gaz à + 20°, la proportion suivante fera connaître ce que serait ce volume à 0° :

I -f 0,00875 X 20 ; I : : 12 p. c. : i r,i6 p. c. A-t-on obtenu la même quantité de gaz , savoir :12 p. c., à — 20°, on la réduira à ce qu’elle serait à 0° à l’aide de la proportion :

Veut-on savoir quel volume occuperaient à 10" 12 p. c. d’un gaz obtenu à-j- 20°, on posera , '

I -1-0,00875x20 : i-p o,oo875x 10 : : 12 p. c. : 1 1,58 p. c. La dilatation considérable de l’air et des corps gazeux

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donne naissance à un grand nombre de pliénomènes intëressans. L’air chaud et raréfié s’élève, et l’air froid en prend la place. En enlr’ouvrant la porte commune de deux chambres 88), dont la température est différente, on observe que la flamme d’une chandelle, placée vers la partie supérieure de l’ouverture est chassée du côté de la chambre froide, que la flamme brûle comme à l’ordinaire , au milieu de l’ouverture , mais quelle s’incline du côté de la chambre chaude, lorsque la chandelle se trouve à la partie inférieure ; ainsi , l’air pesant et froid se porte par en bas dans la chambre chaude, tandis que l’air léger et chaud de la partie supérieure, s’introduit dans la chambre froide. C’est aussi du courant produit par de l’air échauffé inégalement, que dépend le renouvellement de l’air atmosphérique durant la combustion des corps; on augmente et on règle le courant par des appareils particuliers, tels que les cheminées. Nous reviendrons surj ce sujet en parlant de la combustion. — Les moussons ainsi que les brises de terre et de mer, proviennent également de la dilatation de l’air par la chaleur; la dernière espèce de vent règne particulièrement dans les îles de l’océan entre les tropiques. Lorsque pendant la nuit la température de l’île s’abaisse au dessous de celle de la mer, l’air se porte du milieu de l’île vers la mer; le jour au contraire, le soleil venant à échauffer l’île au point que la température de celle-ci s’élève au-dessus de celle de la mer, l’air chaud et raréfié de l’île monte et fait place à l’air froid et lourd qui y afflue de tous les côtés de la mer. Qu’on se rende lorsqu’il fait chaud dans l’ombre projetée par une maison, un nuage ou tout autre objet, on sentira un courant d’air froid, provenant de ce que l’air chaud s’élève

t de la surface echauffe'e par les rayons du soleil, pour

I faire place à l’air froid qui vient du côté de l’ombre.

Il nous reste encore à rapporter ici en peu de mots» une question dont les détails ultérieurs appartiennent à la théorie de la chaleur, et qui embrasse la connaissance de la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température de chaque gaz d’un même nombre de degrés» à partir d’un certain point. On a trouvé que la chaleur qu’exige une quantité donnée d’eau, par exemple, une livre pour s’élever depuis o° jusqu’à ioo° est capable de porter depuis o“ jusqu’à ioo°, 4 ^ois autant d’air ou 4 livres d’air; or, l’air atmosphérique est yyo fois plus léger que l’eau : par conséquent , la chaleur qui élève un volume d’eau d’un certain nombre de degrés, augmenterait la température de 3o8o volumes d’air de la même quantité. On nomme calorique spécifique ou capacité pour la chaleur, la quantité de chaleur qu’un même volume des divers corps exige pour s’élever du même nom bre de degrés; la capacité de l’eau pour la chaleur es donc quatre fois aussi grande que celle de l’air. Lorsqu’on veut exprimer en nombres la capacité des corps pour la chaleur, on prend celle de l’eau pour unité; ainsi la capacité de l’air pour la chaleur est de 0,20, ou d’après les déterminations les plus exactes de 0,2669. La chaleur dilatant les différens gaz de la même manière, il reste encore à résoudre la question de savoir si, pris sous le même volume, ils n’ont pas également besoin de la même quantité de chaleur pour acquérir la même température à partir d’un terme fixe. Les gaz simples présentent cette uniformité; quant aux gaz composés, tel que l’acick;. carbonique, on n’en sait encore rien.

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COMPOSITION DE l’aIE ATMOSPHERIQUE.

L’air atmosphérique est composé de quatre substances, dont deux, l’oxigène et l’azote, s’y trouvent en grande quantité, et les deux autres, savoir, l’acide carbonique et la vapeur d’eau , en quantités plus petites.

Toutes les expériences sur la combustion nous démontrent la présence de l’oxigène dans l’air atmosphérique; pouren déterminerla quantité on a divers moyens, parmi lesquels celui qui consiste dans l’emploi du gaz hydrogène mérite cependant la préférence. On peut, en effet, introduire du phosphore dans une quantité donnée d’air et voir combien l’oxidation du phosphore en fait disparaître; le gaz qui disparaît est l’oxigène absorbé par le phosphore. Mais le phosphore, se dissolvant dans le gaz azote qui reste, et quelques autres incidens pouvant troubler l’exactitude de l’expérience, cette méthode ne donne pas de résultat très rigoureux. L’analyse de l’air au moyen du gaz hydrogène se fait dans un tube (Jig. 89), divisé en parties d’égale capacité et percé supérieurement de deux trous l’un vis-à-vis de l’autre, pour livrer un passage étroit à deux fils de platine qu’on y lute. A sa partie inférieure le tube est percé transversalement d’un grand trou susceptible d’être fermé par un bouchon. Après avoir renversé le tube plein de mercure sur, un bain de même métal , on y introduit un peu d’air atmosphérique. On enfonce le tube assez profondément dans le mercure pour que le niveau de ce métal soit le même dans le tube et dans le bain , et l’on détermine le volume de l’air atmosphérique; cela fait, après avoir introduit, à l’aide d’un petit appareil de décharge, à peu près la moitié de ce vo-

1 lunie d’hydrogène, on évalue exactement le volume du j gaz ajouté, en replongeant le tube jusqu’à ce que le ni- ’ veau du mercure soit le même intérieurement et exté- I rieurement. L’étincelle électrique (on se sert à cet effet I de la bouteille de Leyde , yoj.Jig. 22,) offre le meilleur I moyen pour enflammer le mélange ; on voit très distinc- I tement la manière dont la combustion se propage dans I toute la masse. Lorsqu’on retire le bouchon, ou bien, lorsque celui-ci ne ferme pas exactement, le mercure ' s’élève dans le tube. En enfonçant de nouveau le tube

^ jusqu’à ce que l’égalité entre les niveaux extérieur et in- I térieur du mercure soit rétablie, on trouvera la quan- I tité de ce qui a disparu du mélange; ce qui a disparu est de l’eau liquide, composée de i mesure de gaz oxigène et de 2 mesures de gaz hydrogène. Le tiers du mélange éliminé est donc de l’oxigène qui était contenu dans l’air. Supposons, par exemple, qu’on ait pris 56 parties d’air atmosphérique, et que la quantité de gaz hydrogène ajoutée ait porté celle du mélange à 89 parties, on trouvera après la combustion un résidu de 53 3/4 parties, et la teneur en oxigène des 35 i/4j qui auront disparu , sera de-^^= ii 3/4; 56 parties d’ air contiennent donc 1 1 3/4 parties, et 100 parties d’air très approximativement en volume 21 parties, et en poids 23,1 parties de gaz oxigène, la pesanteur spécifique du gaz oxigène étant de 1,1026.

Pour déterminer la quantité d’acide carbonique contenue dans l’air, on prend un ballon d’une capacité connue, et l’on y agite de l’air avec de l’eau de baryte, qui est une dissolution d’oxide de barium (baryte) dans 1 eau. La baryte est une base énergique et capable de former avec l’acide carbonique de l’air une combinaison

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insoluble, dont on a trouvé la composition par des expériences très exactes. On peut munir le ballon d’un tube recourlié, faire le vide, renouveler l’air, et enlever ainsi l’acide carbonique à une grande quantité d’air. On filtre et l’on pèse le carbonate de baryte, qui s’est formé; il contient 22,34 pour cent d’acide carbonique en poids. Il est facile de réduire, par le calcul, la quantité pondérale en volume, et l’on a trouvé de cette manière, par exemple, que dans le voisinage de Genève, à Chambeisy, loo parties d’air atmosphérique, contiennent o,o4i5 parties d’acide carbonique, terme moyen; le maximum ayant été de o,o5y4 et le minimum de o,o3i5. Cette expérience montre , comme on aurait aussi pu le prévoir, que la quantité d’acide carbonique contenue dans l’air atmosphérique, varie selon la diversité des phénomènes chimiques qui ont lieu dans la nature pendant les différentes saisons. La composition des sources et différentes opérations chimiques qui s’exécutent à la surface de la terre, se trouvant en liaison avec la teneur variable de l’air en acide carbonique, j’aurai souvent l’occasion de revenir sur ce sujet.

En traitant de la vapeur d’eau , je déterminerai la quantité d’eau contenue dans l’air. Quant à la teneur en azote, elle résulte de la manière indifférente dont ce gaz se comporte; ce qui n’est ni oxigène, ni vapeur d’eau, ni acide carbonique, est du gaz azote, de manière qu’abstraction faite de la vapeur d’eau et de l’acide carbonique, l’air est composé de 21 mesures de gaz oxigène et de 79 mesures de gaz azote.

Pour se procurer de l’air atmosphérique d’un endroit quelconque, on remplit de petits flacons de mercure, qu’on fait écouler au lieu, dont on veut examiner lair.

c et l’onfernie soigneusement les flacons. De celte manière on s’est procuré et l’on a analysé l’air des contrées les iplus éloignées de la terre, du voisinage du pôle et des * environs de l’équateur, des montagnes les plus élevées et I des vallées, des hauteurs qu’on a atteintes dans les aéroi statset qui dépassent celle du Cliimboraço, et de la sur- 1 face du globe, et partout on l’a trouvé contenir la même quantité d'azote et la même quantité d’oxigène, à moins que des circonstances locales particulières ne fussent intervenues, qu’on n’eût pris l’air de lieux enfermés, par exemple, de caves ou de fossés infectés par des substances organiques en putréfaction.

La constance de cette composition a donné naissance à l’opinion erronée, que l’air atmosphérique est une combinaison chimique et non pas un mélange. Cependant, nous ne trouvons jamais qu’un mélange possède les mêmes propriétés qu’une combinaison chimique. Un mélange artificiel de 21 parties d’oxigène et de 79 parties d’azote , est analogue quant à ses propriétés physiques et chimiques, à l’air atmosphérique. Toute combinaison chimique donne lieu à un dégagement de chaleur. Si on mêle l’oxigène avec l’azote pour former de l’air artificiel, il ne se dégage pas de chaleur. Nous offrirons encore une autre preuve de ce fait, en traitant des combinaisons de l’azote avec l’oxigène,à l’occasion de l’oxide d’azote , dans la division qui renferme l’histoire des acides.