CAPACITÉ POUR LA CHALEUR

Le thermomètre qui repose sur la dilatation des corps par la chaleur, permet donc d’en déterminer facilemeni la température. Il s’agit maintenant de savoir combier de chaleur chaque corps exige pour passer d’une tempé rature à une autre. On peut voir de suite que cette quan tité n’est pas la même en mêlant une livre de mercun à ioo° avec une livre d’eau à si le mercure et l’eai avaient besoin de la même chaleur, pour s’élever d’ui nombre égal de degrés, le premier de ces deux corp: céderait 46“,5 à l’autre et la température du mélang( serait de 53°, 5. Mais l’expérience montre que cette tem pérature ne s’élève qu’à io°, qu’en conséquence le mer cure a dû se refroidir de go° pour échauffer l’eau de 3° d’où il suit que l’eau exige 3o fois plus de chaleur qu’ui ■ poids égal de mercure pour s’échauffer du même nom bre de degrés. Afin de pouvoir exprimer les rapport des différentes quantités de chaleur que les divers corp exigent sous le même poids, on part de celle nécessaire pour l’eau comme unité; les nombres qu’on obtient ainj se nomment capacité des corps pour la chale,ur (^cà\ox\ que spécifique). La capacité du mercure pour la chaleu s’élève donc, d’après l’expérience précitée, à o,o33. Ei mêlant ainsi diverses substances à des températures dil férentes et en employant la méthode et les calculs qu j’ai exposés lors de la détermination de la chaleur la tente (p. 268), on peut trouver avec assez d’exactitud la capacité pour la chaleur. Une autre méthode consii

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t tant à déterminer la quantité de glace fondue par chaque s substance, portée à une température donnée, ne fournit cque des approximations, La meilleure méthode de dét terminer la capacité pour la chaleur, consiste à laisser rrefroidir différentes substances d’un même nombre de (degrés dans des circonstances parfaitement égales; à les [placer, par exemple, dans un vase poli en argent, au imilieu duquel se trouve la boule d’un thermomètre, et qqu’on introduit dans un ballon , où l’on fait le vide. Le (temps que les diverses substances mettent à se refroidir jipermet de calculer la quantité de chaleur dont elles se ({dépouillent.

D’après les expériences, dans lesquelles on a déteriminé la quantité de glace fondue, la capacité pour la

cchaleur de l’huile est de o,5oo et celle de l’acide sulfu-

rrique de o,33a; d’après la méthode plus exacte, dans l.aquelle on a observé le temps du refroidissement, on a liaxé la capacité pour la chaleur entre o et ioo° des corps 'fiulvans à :

1 soufre 0, 1880

t; mercure o,o33o

zinc 0,0927

[( argent 0,0 5 Sj

15 cuivre 0,0949

li ' platine o,o3r4

m plomb 0,0293

îi fer 0,1100

verre 0,117.

La méthode du refroidissement donne des résultats l'ellement exacts qu’elle a même permis de trouver la jd imanière dont la capacité pour la chaleur augmente avec ÿ aa température. La capacité du fer, par exemple, est de

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0,1100 entre o et ioo“, de o,ii5o entre o et 200° et de 0,1255 entre o et 35o°. D’où il résulte donc, que la capacité pour la chaleur, à l’instar de la dilatation, augmente à mesure que la température s’élève. On pourrait soupçonner que la même chose a lieu pour l’eau dont la capacité sert dans beaucoup de recherches sur la chaleur 5 mais l’expérience a montré jusqu’ici, qu’un mélange d’eau à 0° et d’une égale quantité d’eau à 100° prend à peu près la température moyenne de 5o°. D’ailleurs on évite encore une erreur que lu variation de la capacité de l’eau pour la chaleur à différentes températures pourrait faire commettre, en employant l’eau dans ces recherches en grande quantité, de sorte qu’alors le changement de température n’est que de quelques de- | grés.

Les quantités de chaleur dont les corps simples ont besoin pour s’élever d’un nombre déterminé de degrés sont entr’elles dans le même rapport que les quantités d’oxigène ou d’autres corps pondérables avec lesquels ils se combinent. Je reviendrai sur ce sujet à l’occasion de la théorie des proportions déterminées.

Communication et conductibilité de la chaleur.

Deux substances à des températures différentes qui ont été en contact pendant assez long-temps, ou qui ont pu agir autrement l’une sur l’autre, étant examinées avec le thermomètre, indiquent exactement la même température, de sorte que le corps le plus chaud a cédé de la chaleur à l’autre. Tout corps chaud peut abandonner sa chaleur de deux manières, soit par communication, soit par rayonnement; pour ce qui regarde le premier mode

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d’émission, il suffit de remarquer ici, que la chaleur rayonne des corps chauds comme la lumière émane d’un corps lumineux, et qu’elle traverse sans les échauffer un grand nombre de corps, par exemple, l’air ou d’autres gaz incolores, jusqu’à ce qu’elle rencontre des corps impénétrables, qu’elle échauffe tout comme la lumière se comporte à l’égard des substances transparentes et opaques. Je dois renvoyer à la théorie même de la chaleur pour le développement et les lois de ces phénomènes, qui ne jouent pas un rôle important en chimie; en revanche réchauffement ou le refroidissement par communication offre sous ce rapport un intérêt d’autant plus grand. La communication de la chaleur se fait par le contact immédiat du corps chaud avec le corps froid; les phénomènes diffèrent, suivant que les substances sont solides, gazeuses ou liquides. Dans les corps solides la partie échauffée cède la chaleur à la partie adjacente, celle-ci à son tour à la partie la plus proche; par exemple, lorsque j’élève la température d’une tige, la couche extérieure et échauffée abandonne sa chaleur à la couche la plus voisine, et celle-ci de nouveau à la couche suivante , sans qu’il en résulte un changement dans la position des mollécules. La communication de la chaleur d’une couche à l’autre se fait avec une promptitude inégale dans les différens corps solides; si l’on couvre de cire, par exemple, un fil de cuivre et un autre fil de fer, en les trempant dans de la cire fondante, et qu’on plonge une de leurs extrémités dans la flamme d’une bougie , la cire entrera bien plus vite en fusion au fil de cuivre qu’au fil de fer. On peut faire l’expérience plus exactement, en employant les substances à examiner sous forme de tiges percées à des

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distances déterminées de trous, dans lesquels on place ’ des thermomètres. Un corps est dit bon conducteur ou mauvais conducteur de la chaleur suivant qu’il propage la chaleur avec promptitude, ou lentement. Afin de pouvoir comparer sous ce rapport diverses substances entr’elles, on peut partir du meilleur conducteur de la chaleur, de l’or, et faire = loo la vitesse, avec laquelle il conduit la chaleur; alors on obtient pour les substances suivantes les nombres placés à côté :

argent

cuivre

fer

plomb

marbi’e

argile calcinée et porcelaine

J’ai déjà rapporté ci-dessus 198) la manière

dont la chaleur se propage dans les corps gazeux et les phénomènes qui en résultent, la diffusion s’opère aussi d’une manière tout-à-fait semblable dans les liquides. Si l’on prend un long cylindre de verre {fig^ 142)5 qu’on y verse de l’eau ou tout autre liquide, et qu’on ajoute une poudre fine capable de rester en suspension dans l’eau, par exemple, de la poudre de lycopode, an voit très distinctement, en chauffant le fond du vase, la manière dont s’élève le liquide, qui en prenant de la chaleur du fond du vase, se dilate et devient plus léger, et la manière dont les parties plus froides du liquide s’y substituent, s’échauffent et s’élèvent à leur tour; de sorte que la communication de la chaleur dans le liquide se fait ainsi par le mouvement des mollécules du liquide. En échauffant un liquide par la surface à l’aide d’une ijlaquc chaude, par exemple, ou atteindra à la

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< surface le point d’ébullition tandis qu’on remarquera à ppeine un chan£;ement de température au fond du vase ; cc’est ainsi que l’on peut verser et enflammer de l’éther ssur l’eau sans que celle-ci s’échauffe à une certaine prol'fondeur. Lors donc qu’on veut échauffer ou faire bouil- 13ir dans un vase de l’eau ou tout autre liquide, la corn- Ihustion développe de la chaleur, que reçoivent d’une [part l’acide carbonique et la vapeur d’eau formés et dd’autre part le gaz azote, qui était mêlé avec le gaz tXDxigène consumé. Ces gaz chauds frappent les parois oextérieures du vase et leur communiquent leur cha- Ideur, qui les traverse et se porte sur le liquide. On pourrrait croire, que plus les parois du vase sont minces et nniieux elles conduisent la chaleur, plus il serait possible di’enlever de chaleur aux gaz j mais l’expérience est contraire à cette conjecture. Lorsqu’on n’outrepasse pas uiine certaine épaisseur , il est indifférent que les parois 'Soient beaucoup plus minces, qu’elles soient de cuivre, lie fer ou de plomb, et la même source de chaleur t^échauffera le liquide également j la porcelaine et les l'corps mauvais conducteurs font cependant exception à rcette règle. Ce phénomène provient incontestablement de coe que la quantité de chaleur qu’exigent pour s’échauftéer au même degré les métaux et les gaz pris sous le iiTiême volume, est plusieurs centaines de fois plus grande )Dour les premiers que pour les seconds; en conséqjuence, si de l’eau se trouve à l’intérieur du vase, les imétaux , qui conduisent moins bien la chaleur que les nutres, déversent cependant sur l’eau la chaleur obtenue avec assez de prom2)titude pour acquérir à la surface en contact avec les gaz chauds, une température très basse, capable de leur faire absorber de grandes quantités

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(Je clialeui'. Les gaz chauds, qui arrivent en contact immédiat avec les vases, se dépouillant seuls ainsi de leur chaleur, et celle des gaz qui n’obtiennent pas ce contact, é^nt de la chaleur perdue, l’on a imaginé divers appareils, pour gagner la plus grande quantité de chaleur par un contact aussi multiplié que possible. Ceci n’étant important que pour réchauffement de grandes masses, je décrirai incessamment quelques appareils de ce genre en traitant des opérations dans lesquelles, on les emploie.

Chaleur latente des vapeurs.

En chauffant peu à peu de l’eau dans un vase, on remarque d’abord de petites bulles, qui se forment dans le liquide et s’élèvent; elles consistent en oxigène et en azote que l’eau avait absorbés de l’air. J’y reviendrai plus tard. La température croissant encore , on observe d’autres grosses bulles gazeuses qui se développent sur le fond échauffé du vase, et qui, après s’être élevées un peu dans le liquide, se contractent avec bruit (le chant de l’eau) et disparaissent; la température s’élevant encore davantage, ces bulles, qui sont de la vapeur d’eau, ou, ce qui revient au même, du gaz aqueux, montent de plus en plus haut, atteignent à la fin la surface, sans se condenser, et s’échappent. Cette ascension des bulles dans le liquide occasione un bouillonnement, qu’on nomme ébullition. A ce point la température du liquide ne s’élève plus, toute la chaleur, qu’on ajoute, est employée pour transformer une nouvelle quantité d’eau en vapeur. On détermine à peu près la quantité de cette chaleur en chauffant de l’eau dans un matras a

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i43) au col duquel on a adapté, à l’aide d’un bouchon de liège, un tube de verre courbé h, dont l’autre extrémité s’engage dans un bocal c contenant 5 i/3 lois autant d’eau que le matras. Toute l’eau s’étant évaporée dans le matras, la tempéi’ature de celle qui se trouve dans l’autre vase et qui était auparavant à o°, s’élève à ioo° environ J d’où il résulte, que i partie en poids de vapeur d’eau échauffe en se liquéfiant à peu près 5 i/3 parties d’eau de o — ioo°. Pour faire ces expériences avec exactitude, on prend un vase de cuivre a (^g. i44) îivec deux ouvertures, par l’une desquelles passe un thermomètre , et par l’autre un tube communiquant par l’autre extrémité avec un serpentin ccc placé dans un vase en cuivre d’une capacité de 16000 grains d’eau. Le couvercle de ce dernier vase est percé au milieu d’un trou, par lequel passe un thermomètre très exact e indiquant encore au moins un dixième de degré. On entoure le tube l de laine pour qu’il ne s’y condense pas d’eau, que les vapeurs entraîneraient mécaniquement dans le serpentin c, et l’on place entre les deux vases a et b un écran afin que, pendant la caléfaction, le calorique rayonnant du vase a n’échauffe pas le vase b. Après avoir versé dans le vase«, le liquide dont on veut examiner la ehaleur latente, on le chauffe jusqu’à l’ébvillition ; les vapeurs développées passent par le tube l dans le serpentin c, qui, maintenu à une basse température par l’eau froide qu’on a versée dans le vase b^ condense ces vapeurs. L’eau contenue dans ce vase et dont on connaît le poids, s’échauffe par là insensiblement; on en détermine la température avant et après I opération, et l’on pèse la quantité du liquide qui s est condensé dans le serpentin , quand on a fait cesser

1 ébullition. On trouve ainsi, de combien de degrés la liquéfaction d’une quantité déterminée de vapeur d’eau élève la température d’un poids connu d’eau. Le vase et le tube s’échauffant en même temps, on détermine la chaleur dépensée ad hoc soit en procédant comme je l’ai indiqué ci-dessus {pa-g. 268) soit en pesant le tube et le vase et calculant d’après la capacité du cuivre la chaleur absorbée; le vase se trouve en outre en contact avec l’air extérieur. On doit également prendre en considération la chaleur qu’il abandonne à l’air ou qu’il en reçoit; néanmoins l’on peut lever complètement l’erreur qui en résulterait en commençant l’expérience lorsque la température du vase est de plusieurs degrés au-dessous de celle de l’air atmosphérique, et en laterminantdès qu’elle se trouve du même nombre de degrés au-dessus. Le vase et le tube employés à la détermination de la chaleur latente de la vapeur d’eau pèsent, par exemple, 3 107, 3 grains, qui absorbent autant de chaleur que 295,19 grains d’eau , la capacité du cuivre étant de 0,0960. La quantité d’eau, avec laquelle on remplit le vase, s’élève à 15966,3 grains, de manière que vase, tube et eau, quant à la chaleur absorbée, peuvent être pris pour 16261,49 grains d'eau. Le poids de la vapeur d’eau condensée est de 2o4,8 grains. La température de l’eau dans le vase était de 22” au commencement et de 29°, 58 à la fin de l’opération; la quantité de chaleur abandonnnée est donc suffisante pour élever de y'\SS la température de 16261,49 grains d’eau. Cette chaleur provient en partie de ce que la vapeur d’eau s’est liquéfiée, en partie de ce que l’eau condensée a été refroidie de ioo° jusqu’à 29”,58, de par con-

séquent, quantité suffisante pour élever la température

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jg = iqo2,6 grains d’eau de 7°, 58. Ainsi la li-

. quéfaction de 204,8 grains de vapeur d’eau échauffe de 7°, 58, 14348,8 grains (1625 1,49 — 1902,6) d’eau; une j partie en poids de vapeur d’eau augmente donc d’un ( degre la température de — — = 5oi parties d eau- On a déterminé absolument d’après la même méthode la quantité d’eau qu’échauffent d’un degré les vapeurs (d’autres substances, en se liquéfiant, et l’on a trouvé I que I partie en poids d’alcool, d’éther et d’huile de té- I rébenthine élèvent respectivement d’un degré la tempé- 1 rature de 207,7; 90,8; 76,8 parties d’eau.

Je développerai tantôt amplement le phénomène de i l’évaporation de l’eau à la température ordinaire de 1 l’air déjà connu vulgairement. En sortant d’un bain on (éprouve du froid sur tout le corps, tant qu’il est humide; 1 lorsqu’on humecte le doigt, on remarque une sensation (de froid du côté exposé au courant d’air; lorsqu’on diirige à travers un tube plein de chlorure de calcium 1 un courant d’air (parfaitement desséché par conséquent) ; sur la boule d’un thermomètre enveloppée de batiste 1 humide, on observe un abaissement considérable de I température. Elle descend, par exemple, à 26° de i4“,7 et ^ à 8° de 8°, 26 par conséquent déjà au-dessous du point ( de congélation. Si l’on fait l’expérience de manière à . accélérer l’évaporation en écartant promptement la vaj peur d’eau formée, on peut pi’oduire le plus grand froid ' et congeler de grandes quantités d’eau. Pour faire une I expérience de cette espèce on place une capsule évasée avec de l’eau et une capsule semblable avec de l’acide ; sulfurique, qui a une grande affinité pour l’eau, l’une . au-dessus de l’autre i45) sous la cloche pneuma- ' tique, et l’on y fait le vide; l’espace privé d’air se rem-

plit de vapeur d’eau qui est immédiatement absorbée par l’acide sulfurique, une nouvelle quantité d’eau s’évapore et se condense de même, et ces phénomènes se succèdent avec tant de rapidité, que l’évaporation enlève en peu de temps assez de chaleur à l’eau pour que celle-ci se congèle; en même temps l’acide sulfurique s’échauffe. On peut faire cette expérience encore plus promptement et sans acide sulfurique, en plaçant sous la cloche, de l’eau surnagée d’un peu d’éther et en faisant le vide; on pompe d’ahord de l’air et ensuite de la vapeur d’éther, à mesure que celle-ci se forme, et pendant que la cloche se remplit de nouveau à chaque instant de vapeur d’éther, l’eau se congèle en cédant à l’éther la chaleur dont il a besoin pour prendre l’étal de gaz.

APPLICATION DE LA VAPEUR d’eAU A LA CALEFACTION.

La grande quantité de chaleur qu’émet la vapeur d’eau en se liquéfiant, peut être mise à profit de bien des manières, soit pour économiser le combustible, soit pour se procurer promptement et facilement de la chaleur ; on peut diriger la vapeur d’eau à travers des tuyaux dans des appartemens ou d’autres espaces, qu’on veut échauffer, ce qui est d’une importance particulière lorsqu’on désire une chaleur uniforme et modérée, pour dessécher, par exemple, des étoffes colorées, la poudre et d’autres objets de même espèce. On peut faire passer la vapeur dans l’eau et échauffer ainsi un grand nombre de vases avec une seule chaudière. Je ne décrirai ici qu’une petite chaudière, qu’on peut également employer pour la distillation. Elle est entourée de maçonnerie

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clans lacjuelle est ménagé tout autour de la chaudière un canal b [Jig. i46)j communiquant avec le foyer par l’ouverture a. En d, ce canal est muré de haut en bas ; en e un trou conduit latéralement dans le tuyau de sorte que les gaz chauds , résultant de la combustion et amenés premièrement par une ouverture ronde en contact très parfait avec le fond de la chaudière, ne peuvent entrer dans le canal b que par l’ouverture a. Empêchés par la cloison d de passer immédiatement dans l’ouverture e, ils doivent faire le tour de la chaudière dans le canal b et ne se rendre par le tuyau f dans la cheminée, qu’après avoir déversé leur chaleur sur les parois de la chaudière qu’ils ont pu toucher en beaucoup de points. La grille o est placée au niveau du sol et l’on retire les cendres du cendrier^ à l’aide d’une pelle à tige recourbée. La grille se trouve à cette profondeur afin qu’on puisse arriver facilement à la chaudière. L’entonnoir h permet de remplir la chaudière d’eau; le tube l, par lequel l’eau coule dans la chaudière, est armé supérieurement d’un robinet et descend presque jusqu’au fond de la chaudière. Le tube de verre h, qui communique par ses deux extrémités avec l’espace intérieur de la chaudière, sert à indiquer la quantité d’eau qui s’y trouve. Le tube n conduit la vapeur hors de la chaudière, il est pourvu d’un robinet/?, un peu au-dessus duquel il peut être démonté. Du tuyau àvapeur on peut faire partir des tuyaux de différentes manières, selon que le besoin l’exige. Il va sans dire que le tuyau à vapeur doit pouvoir se fermer par un robinet. Afin de pouvoir monter et démonter facilement les tubes, qu’on fait partir du tuyau à vapeur, celui-ci porte des ajutages munis chacun d’un robinet, au-dessous duquel ils ont plus d’épaisseur et

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sont munis d’un pas de vis a {^fig. 147). Le bout du tube, qu’on veut appliquer, doit aussi avoir une épaisseur un peu plus forte et être applani supérieurement, afin de s’ajuster exactement sur l’extrémité de l’ajutage. Un anneau b, taillé en écrou et glissant sur le tube s, entoure comme un bonnet la partie épaisse de ce tube et se visse àl’ajutage. Pour clore mieuxencorela jonction des deux extrémités, on place entre a etc un petit morceau de cai'tonou de feutre évidé en forme d’anneau. Veut-on employer cet appareil pour la cuisson des légumes, on fait entrer le tube .s en bas par le côté dans le vase. Veut-on (aire servir le tube n à d’autres buts, par exemple, à dissoudre des sels, ou à échauffer de l’eau, on le fait descendre tout droit dans le vase. Lorsqu’on veut faire des dissolutions, on courbe le tube en bas à angle droit et l’on place cette partie inféi'ieure de manière quelle soit parallèle aux parois du vase; ce qui fera naître des tourbillons dans le liquide. Une livre de vapeur qui se condense, échauffant 5,3 livres d’eau de o — 100“, si l’on fait abstraction de la chaleur absorbée par les vases et perdue par conséquent, on devrait obtenir avec une livre de vapeur d’eau 6,3 livres d’eau à 100°; il est évident qu’on ne gagne jamais dans la pratique toute la chaleur de la vapeur d’eau. On emploie des vases à doubles parois, entre lesquelles on fait arriver la vapeur, lorsqu’on ne veut pas conduire celle-ci dans le liquide. L’application de la vapeur à l’évaporation des dissolutions de substances végétales et à la dissolution des huiles volatiles, est tellement importante, que j’y reviendrai plus tard. Lorsqu’on veut nettoyer la chaudière, on enlève le grand couvercle assujetti par plusieurs vis de manière à fermer exactement. Quelque circon-

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stance imprévue pourrait rendre trop forte la pression de la vapeur dans la chaudière ; on remédie à cet inconvénient en pratiquant au milieu du couverele un petit trou, que l’on bouche avec un hémisphère métallique, nommé soupape; une tige mobile autour de e communique avec cette soupape, que les vapeurs peuvent ainsi soulever pour se faire jour. Le poids x suspendu sur des entailles pratiquées le long de la tige à diverses distances du centre de rotation e, exerce sur la soupape des pressions variables. Veut-on renouveller l’eau de la chaudière, on lève la soupape, on ferme le robinet/?, et après avoir ouvert le robinet de l’entonnoir h, on j verse de l’eau.