LA MACHINE A VAPEUR

Il y a deux manières d’utiliser comme force motrice la propriété de l’eau, d’occuper à l’état de vapeur un volume 162 5 fois plus grand qu’à l’état liquide : on peut condenser la vapeur contenue dans un espace par des injections d’eau froide, d’où il résulte un vide, ou bien l’on peut faire affluer la vapeur dans un espace ; dans le premier cas c’est l’air atmosphérique qui produit le mouvement; dans le second, c’est la vapeur. Dans les anciennes machines à vapeur on a suivi la première méthode. L’eau étant échauffée dan&la chaudière a 161) et la coulisse e ouverte, la vapeur se rend par le tube c dans le cylindre en expulse l’air par la soupape j, qui se lève, et s’y substitue. La pièce qu’on nomme le balancier, est contrebalancé suffisamment en /, soit par le poids des tiges des pompes, soit par des poids additionnels, pour faire monter le piston o, qui doit fermer hermétiquement le cylindre^. Lorsqu’on ouvre un instant le robinet 77Z après avoir fermé le tube c par la coulisse c, un peu d’eau froide se précipite du réservoir n dans le cylindre, la vapeur s’y condense et la pression de l’air fait descendre le piston o. L’eau qui se rassemble dans le cylindre s’écoule par le tuyau/?, dans le réservoir^. La caisse « reçoit l’eau froide du tube k dans lequel une petite pompe foulante f fait monter ce liquide. L’air ayant poussé le piston jusqu’au fond du cylindre, si l’on ouvre la coulisse <?, pour y laisser arriver de la nouvelle vapeur

capable défaire équilibré à la pression de l’air, le piston se soulève de nouveau j si l’on rouvre alors le robinet le piston redescend, et l’on obtient ainsi un mouvement de va-et-vient. On voit facilement qu’une tige fixée au balancier, peut ouvrir et fermer alternativement le robinet et la coulisse. On s’est servi particulièrement de cette machine simple pour épuiser l’eau qui se rassemble dans les mines; elle est encore quelquefois en usage actuellement.

L’autre méthode de produire le mouvement par la pression de la vapeur a été modifiée, perfectionnée et réunie avec la première de mille manières différentes. Dans presque toutes les machines, sauf quelques rares exceptions, un piston imperméable opère dans un cylindre fermé de toutes parts. La tige du piston, assujettie au balancier, traverse le couvercle supérieur du cylindre. La vapeur est engendrée dans une grande chaudière où l’on a mis à profit toutes les dispositions avantageuses que j’ai déjà signalées précédemment; un tuyau amène la vapeur de la chaudière dans le cylindre , alternativement au dessous et au dessus du piston , tandis qu’un autre tuyau conduit de nouveau la vapeur, tantôt de dessous tantôt de dessus le piston, à l’extérieur dans le réfrigérant. Parmi le grand nombre des méthodes de faire arriver la vapeur et lui fournir ensuite un écoulement vers le condenseur , je ne rapporterai que les deux principales, dont l’une consiste dans l’usage d’un robinet et l’autre dans l’emploi d’un glissoir. Le robinet est percé de deux trous tels , que lorsque l’ouverture a {fig- 162 ) de l’un des deux canaux se trouve à gauche, l’autre ouverture b soit tournée vers le bas; lors donc que «est en haut, b se trouve à gauche, de telle sorte

que, deux tuyaux étant adaptés l'un au dessus et l’autre au dessous du robinet, et le tuyau e de la chaudière communiquant à gauche avec le même robinet, la vapeur entre durant la première action du robinet au-dessous, et durant la seconde au-dessus du piston p. S’il y a à droite du robinet un autre tuyau d conduisant au. condenseur, suivant que l’ouverture a de l’un des deux canaux est tournée vers la gauche, ou vers le haut, les vapeurs situées au dessus ou celles placées au dessous du piston se rendent par de dans le tuyau d pour gagner le réfrigérant. Le robinet atteint ces positions respectives à chaque quart de tour que lui fait faire la machine elle-même. Le condenseur, dans lequel se rend le tuyau de décharge d^ consiste en une caisse fermée hermétiquement et traversée par une pluie d’eau froide j c’est cette eau qui opère la liquéfaction de la vapeur. On la retire sans interruption du fond de la caisse à l’aide d’une pompe qui s’y trouve adaptée latéralement. Dans quelques machines la vapeur se rend dans un serpentin placé au milieu d’une caisse remplie d’eau froide, qui se renouvelle à mesure qu’elle s’échauffe; on extrait également l’eau du serpentin avec une pompe dont la tige, comme celle de l’autre pompe, est liée au balancier et reçoit son mouvement de la machine. Quoiqu’il n’y ait pas dévidé dans la caisse ou dans le serpentin, la pression y est toujours inférieure à celle d’une atmosphère, de manière que l’on peut travailler au moins avec le ressort d’une demi-atmosphère, lorsque celui de la vapeur dans la chaudière ne s’élève qu’à une atmosphère. Dans ces machines on utilise donc d’une part la raréfaction de l’air comme, dans les anciennes machines, et d’autre part la [)ression de la vapeur.

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Voici le mécanisme de l’autre mode de disti’ibuer la \ vapeur. A côté du cylindre A {fig- i63) se trouve un réiservoir dans lequel la vapeur pénètre de la chaudière jpar le tuyau D , et qui communique avec le cylindre par Jdeux ouvertures carrées w et o. Une tige tt, attachée au [balancier, fait jouer dans ce réservoir un tiroir ou glisssoir GC, qui consiste en une caisse creuse, demi-ronde LfiS- ^^4)) ouverte parles deux extrémités, et si bien aappliquée sur les parois du réservoir, que l’espace d’aucdessus et d’au-dessous du glissoir ne saurait communiqquer avec l’espace «,• le canal Econduit au condenseur, tide sorte que les espaces marquées par a sont en comimunication avec la chaudière à vapeur , et ceux désignés [.par b avec le condenseur. Le balancier ayant soulevé la ttige la vapeur afflue de la chaudière, par l’espace a et 1 l’ouverture pc, au dessus du piston dans le cylindre, ttandis que celle qui se trouve au dessous du piston s’écchappe par l’ouverture o dans le réfrigérant. La tige (•étant de nouveau descendue, la vapeur se précipite de 1:1a chaudière par l’ouverture o au dessous du piston, et œelle située au dessus du piston gagne le canal c et le n’éfrigérant par l’ouverture w.

La ti’ansformation du mouvement de va-et-vient en imouvement circulaire, la régularisation de la marche iides machines à vapeur par un balancier et un volant, l’éllévation de l’eau froide nécessaire à la condensation des wapeurs par une pompe dont la tige est mue par le [balancier, 1 introduction de l’eau sous forme de pluie (idans la caisse du condenseur et l’extraction de beau l'condensée et de l’air hors du condenseur , l’alimentation dde la chaudière par une autre pompe avec l’eau chaude jqui s est condensée, le mécanisme qui donne à la machine

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la propriété d’ouvrir et de fermer régulièrement le robi- ^ net ou la soupape à glissoir, la manière d’empêcher l’ac- ‘‘ cès d’une trop grande quantité de vapeur par un robinet ' particulier, enfin l’introduction du combustible au des- f sous de la chaudière, et la régularisation du tirage par r la machine elle-même, toutes ces questions sortent des limites de ce livre et ne sauraient être traitées ici. On les ^ a résolues de beaucoup de manières plus ou moins par- ^ faites, et on en trouve la description dans plusieurs ^ grands ouvrages sur les machines à vapeur. ►

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PRESSION DES VAPEURS A LA TEMPERATURE ORDINAIRE. l£

La pression qu’exercent les vapeurs, dépendant de g leur température, il va sans dire que la pression de l’air exerce une grande influence sur l’ébullition ou la trans- ^ formation en vapeur des liquides dans un vase ouvert; ^ voilà pourquoi l’on a pris pour second point fixe du j, thermomètre le point d’ébullition de l’eau sous une u pression de o"’-,|76. Plus la pression de l’air diminue, |j| plus la température a laquelle les liquides entrent en j, ébullition, s’abaisse; si la pression de l’air n’est que j, de o“',733,5, l’eau bout déjà à 99“, et l’on observe même l’ébullition de ce liquide à 0°, lorsqu’on le fait congeler „ sous la machine pneumatique. Pour trouver les pressions, que les vapeurs exercent à diverses températures, , on place dans un vase de fer, sur le fond duquel se j, trouve du mercure, deux tubes pleins de mercure et ^ plus longs que la hauteur barométrique ordinaire. On introduit dans l’un de ces tubes un peu d’eau ou d’un j autre liquide qu’on veut examiner. La colonne de mer- ( cure qui était précédemment dans le tube faisr.:t équi-

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1 libre à la pression de l’air; elle s’abaîsse un peu après 1 l’introduction de l’eau. Il faut donc que Teau ait laissé ( dégager quelque corps, qui s’est porté dans l’espace situé aau dessus du mercure pour déprimer la colonne; on [peut démontrer facilement que ce corps n’est autre cchose que de la vapeur d’eau. La pression exercée par lia vapeur d’eau équivaut donc à l’excès de la hauteur cdu mercure dans le tube resté intact, sur celle de ce méttal dans le tube contenant de l’eau. Si l’on dispose mainttenant un cylindre de verre creux, ouvert par les deux eextrémltés, de manière qu’en enveloppant de toutes parts lies deux tubes, ses bords s’enfoncent un peu dans le rmercure du vase de fer, et qu’on verse dans l’espace vide «entre les tubes et les parois intérieures du cylindre de ll’eau, dont on peut élever à volonté la température en «chauffant la chaudière de fer, l’état inégal du mercure «dans les deux tubes de verre, permet de déterminer la [pression que la vapeur d’eau exerce à chaque température ( V oy.Jig. i65). La pression de l’air extérieur étant (de o'"',y6, si l’on a atteint la température de ioo“, le tmercure dans l’un des tubes s’élève au dessus de celui (de l’autre tube de toute la valeur de la pression atmoesphérique; à cette température la vapeur d’eau fait donc (équilibre à la pression de l’air.

En remplissant d’un mélange frigorifique un vase b {fig- percé au fond d’un trou dans lequel s’a-

(dapte hermétiquement à l’aide d’un bouchon l’extrémité ‘supérieure a d’un baromètre contenant un peu d’eau, (on peut déterminer la pression des vapeurs d’eau bien c au dessous du point de congélation; à — 20", par exemple, «elles contrebalancent encore une colonne de mercure de i"”" */3-

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On a construit en partie expérimentalement, en partie par le calcul, une table de la pression des vapeurs d’eau aux diverses températures; je la donnerai à la lin de cet ouvrage, me bornant ici à 1 indication des

pressions relatives à quelq

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On peut déterminer d’une manière semblable les près-

sions que les vapeurs d’autres corps liquides tels que l’éther, par exemple, ou l’alcool exercent à diverses températures. Si l’on reverse sur le mercure et qu’on place les uns près des autres plusieurs tubes pleins du même métal, et qu’on fasse entrer dans le deuxième c {Jig. 167), un peu d’eau, dans le troisième b, un peu d’alcool et dans le quatrième a, un peu d’éther (le premier d, qui reste vide, servant de baromètre), on voit il’une manière très frappante la différence des pressions exercées par les vapeurs de ces liquides, dont le plus volatil surpasse sous ce rapport de beaucoup les autres. On crut pouvoir inférer des premières expériences faites sur la pression des vapeurs de différens liquides, que cette pression était la même pour toutes à égale distance de leur point d’ébullition. Quoique cette loi ne se soit pas confirmée, on peut cependant l’admettre comme une approximation sans commettre d’erreur notable; d’après cela, et de ce que l’alcool entre en ébullition à 78"22,

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n ether à 32o. et l’eau à 100°, la tension des vapeurs d’alicool à 58o,22, et celles des vapeurs d’éther à 12° seraient t’égales à la pression exercée par les vapeurs d’eau à 80°.

De même qu’il a été jusqu’ici impossible soit de sourmettre à une loi l’accroissement que la chaleur fait eéprouver à la force élastique des vapeurs au-delà d’Vine , atmosphère , soit de trouver quelque connexion sous ce rrapport entre les différentes vapeurs, de même ni l’un iini l’autre n’a pu encore se faire pour des pressions inférrieures à celle d’une atmosphère.

La disparition de l’eau exposée à l’air sec , et la fornmation des brouillards et des nuages, montrent que Il’eau peut aussi s’évaporer en présence de l’air, et que la vrapeur aqueuse contenue dans l’air s’en sépare de nouweau. La dépendance des phénomènes météorologiques lies plus importans de cette tenue de la vapeur d’eau dans l l’air, rend très importante la conséquence résultant des eexpériences que je vais décrire, savoir, que la force élast'tique de la vapeur d’eau ou de tout autre liquide est lia même, que l’espace occupé par la vapeur soit vide ou irempli de tout autre gaz. La force élastique sert à déteriminer la quantité de vapeurs que les gaz peuvent conttenir à une température donnée; les expériences sur la ttension des vapeurs aqueuses dans le vide conduisent lidonc à la détermination des quantités de ces vapeurs rrenfermées dans l’air aux diverses températures, si l’on [part de l’hypothèse que les vapeurs se comportent comme lies autres gaz, de manière qu’on puisse calculer d’après Ida loi de Mariotte, leur densité par la pression qu’elles S’exercent (p. 190).

Pour faire voir la manière dont la pression des va- (peurs s’exerce dans le vide et dans un espace rempli

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d’air, l’on doit introduire les liquides dans un espace gradué où l’on puisse mesurer la pression due à leur évaporation. On se sert à cet effet d’un large tube de yerveb{fig. i68), divisé en centimètres cubes et muni en bas dune virole en fer, qui communique latéralement avec un tube long et étroit, et en bas avec un robinet v; au sommet de ce tube large est mastiqué un anneau a , sur lequel on peut visser le couvercle (Jîg. 169). Par le milieu de ce couvercle passe hermétiquement une tige a, à l’extrémité inférieure de laquelle est adapté un disque capable de briser, quand on le fait tourner un tube de verre enfoncé dans le trou k. On verse du mercure dans le tube b, l’on remplit d’éther le tube de verre t, qu’on introduit ensuite dans le trou k, après l’avoir scellé à l’extrémité effilée, et l’on visse le couvercle. Alors on ouvre le robinet y, afin de faire écouler assez de mercure pour que le niveau de ce métal soit le même dans le tube lar^e et dans le tube étroit, et l’on brise le tube ce qui fait sortir l’éther dont une portion se vaporise. La vapeur formée déprime le mercure dans le tube large, de sorte que ce métal s’élève dans le tube étroit ; on verse ensuite dans ce dernier tube assez de mercure pour rétablir dans le premier le même ni veau qu’avant la vaporisation de l’éther, et l’on mesure la différence des niveaux dans le tube l et dans le tube b. Cette expérience fait trouver la hauteur de la colonne de mercure dont la pression balance les vapeurs d’éther mêlées avec l’air dans le tube fermé b. Cette hauteur est absolument la même que si les vapeurs d’étber ï; s’étalent répandues dans le vide. En plaçant cet appareil dans de l’eau qu’on échauffe, ou bien en introduisant dans le tube au lieu d’éther, de l’alcool, de l’eau

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üou tout autre liquide, on trouve la confirmation de cette IJoi pour toutes les températures et pour tous les liquides.

Le même appareil peut démontrer de combien le wolume de l’air ou d’un autre gaz s’accroît, lorsqu’un liliquide s’y évapore et que les gaz peuvent se dilater de nmanière que la pression ne change pas. A cet effet l’on oobserve l'état du mercure dans le large tube avant l’exppérience, et en ouvrant le robinet u, dès que le liquide sVest suffisamment vaporisé, on laisse sortir assez de merccure pour que ce métal soit au même niveau dans les ddeux branches de l’appareil. En employant, par exempple, de l’éther et en opérant sous une pression barométrique de o”’,y6, et à une température à laquelle la vappeur d’éther fait équilibre à une colonne de mercure dde o™,38, on trouve, que le volume occupé par l’air et lila vapeur d’éther, après qu’on alaissé sortir par le robilïiet V une quantité suffisante de mercure pour que le nniveau de ce métal soit le même dans les deux branches dde l'appareil, on trouve, dis-je, que ce volume est le ddouble de celui que l’air remplissait précédemment à lui seeul. Si le volume de l’air était auparavant de 4o p. c., ppar exemple, celui de l’air et de la vapeur d’éther ens«emb!e est de 8o p. c. Lorsqu’on fait cette expérience à ddiverses températures , en plongeant à cet effet l’appareil ddans de l’eau chaude, et avec différentes vapeurs, on ppeut s’assurer, que chaque gaz absorbe une quantité ssuffisante de vapeur pour que la pression de celle-ci jijointe à celle du gaz, dans l’état de dilatation où il se itrouve, fasse équilibre à la tension de l’air atmosphériijque. Si donc les quantités des vapeurs qui entrent dans uun espace, sont proportionnelles aux forces comprimantiles (loi qui est vraie rigoureusement pour les gaz per-

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inanens, et au moins approximativement pour les vapeurs, d’après les observations faites jusqu’ici), la pression exercée par les vapeurs permet de calculer le maximum, que les gaz peuvent en absorber aux diverses températures.Dans l’exemple précité sur la vaporisation de l’éther, l’état du baromètre était de o®,^6 , la pression exercée par les vapeurs d’éther, de o™,38, celle de l’air mêlé avec ces vapeurs, de o™,38 ; ainsi ^760 parties en volume du mélange contenaient 38o parties d’éther gazeux et 38o parties d’air. Ces calculs sont d’une importance spéciale dans l’examen des propriétés de l’eau relativement à l’air. Le baromètre marquant, par exemple, o™,76 et la température étant de io“, 760 parties d’air (p. 33i ), en volume, ne peuvent retenir plus de 9,47 parties, conséquemment pas plus de = i>25 p. c. de

vapeur aqueuse. La température étant la même, si le baromètre marque o™,785 , il ne peut y avoir dans y85 parties en volume d’air que 9,4y parties de vapeur d’eau, ce qui fait 1,206 pour cent pour le même air sous une pression de o"’,76; à 20° et sous une pression barométrique de o'",76, yôo parties d’air peuvent contenir iy,3i parties ou 2,2^8 pour cent de vapeur d’eau, et à une température de oo° et sous la meme pression — — — = 4 pour cent. Si l’air n’a pas encore absorbé la quantité de vapeur aqueuse qu’il peut dissoudre (on dirait de cet air qu’il est sec), l’eau en contact avec lui continue à s'y évaporer. Plus l’air se renouvelle vite plus l’évaporation fait de progrès; mais si, contenant déjà la quantité que comporte sa température, on le refroidit, il se sépare une quantité de vapeur d’eau correspondante à l’abaissement de température. Le refroidissement peut se faire soit par de l’air plus froid soit par d’autres corps froids

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quelconques. Lorsque l’air à lo", contenant 1,206 p. c. de \ vapeur d’eau, se mêle avec de l’air à 3o", contenant 4 p.c. de vapeur aqueuse, le mélange, dont la tempé- 1 rature est de 20", ne peut garder que 2,2^8 de va- [peur; il faut donc qu’au moment du mélange des deux ;gaz il se sépare 2,6o3 — 2,2^8 = 0,325 de va-

peur d’eau , dont une portion se redissout à la faveur de I l’élévation de température résultant de la condensation de l’eau gazeuse. La vapeur d’eau se sépare sous forme de petites vésicules dont le diamètre est au plus de pouce et au moins de — pouce. On les voit très bien à l’aide d’un microscope, lorsqu’étant placé dans un brouillard ou dans un nuage on les fait passer au-dessus d’un fond noir. La brume, qu’elles produisent, quand l’air chaud provenant de la respiration arrive en contact avec l’air froid extérieur; celle, qui pendant l’hiver s’échappe des cheminées pour se redissoudre complètement dans l’air, et celle qui se dégage des fleuves pendant l’hiver et après un orage; les brouillards et les nuages, sont autant de phénomènes de cette nature. Lorsque les vésicules se forment et crèvent il en résulte de la pluie ou delà neige, suivant que la température est au-dessus ou au-dessous de 0°.

Si le corps qui abaisse la température de l’air saturé de vapeurs d’eau est un corps solide, l’eau s’y dépose en gouttelettes et le ternit; un corps froid sur lequel on dirige le souffle de l’haleine, les carreaux de vitre, alors que l’air est froid à l’extérieur de l’appartement, un verre plein d’eau froide, se ternissent de cette manière. Les corps, ceux surtout qui sont raboteux, venant à se refroidir de nuit parle rayonnement delà chaleur à leur surface exposée à un ciel serein, et en contact avec de

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l’air chaud et humide, se ternissent de meme et se couvrent de vapeurs qu’on nomme rosée, et qui en se congelant, lorsque la température est au-dessous de o", forment le givre.

On détermine la quantité de vapeur d’eau contenue dans l’air, en examinant à quelle température un corps doit s’abaisser pour se ternir par l’humidité, et à quelle température l’eau disparaît de nouveau. Ces deux points sont peu éloignés lun de l’autre; on prend le milieu entre les deux pour la température à laquelle l’air est saturé de la vapeur d’eau qu’il contient. Une table que je ferai imprimer à la fm de cet ouvrage permettra de calculer facilement la teneur en eau. Supposons, par exemple, que le baromètre et le thermomètre marquent l’un O™, 76, et l’autre 20°, et que la température, à laquelle le corps se couvre d’humidité , et celle qui dissipe de nouveau le précipité soient respectivement de 9°,5, et io°,5 : la tension de la vapeur d’eau à 10° étant de 0^,00947 , 760 parties d’air contiendront 9,47 parties ou i,25 p. c. de vapeur d’eau. Il est également facile de calculer au moyen de cette table la quantité de vapeur d’eau que cet air peut encore absorber, et celle qui se condenserait par un abaissement déterminé audessous de 10°. L’instrument qui sert à trouver la teneur en eau se nomme hygromètre ( to ùyfèy , l’humidité). On peut employer pour cet usage un vase en fer blanc dans lequel on verse de l’eau froide àdifférens degrés, et dont on détermine la température au moment où il se ternit. L’appareil suivant, dans lequel l'évaporation de l’éther développe le froid, est aussi commode qu’exact. Aux deux extrémités d’un tube de verre bb soude une boule, dans l’une desquelles on place un petit

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thermomètre J le tube de verre e.st recourbé à angle droit en deux endroits, savoir, en b et près de la boule o. On remplit en grande partie la boule a, où se trouve le thermomètre, par la pointe e qu’on scelle ensuite. On entoure la boule o de rnousseline humectée d’éther. Celui-ci en s’évaporant refroidit la boule o et condense la vapeur d’éther qu’elle contient. De la nouvelle vapeur d’éther se développe et afflue de l’autre boule dont la température s’abaisse de cette manière et insensiblement. Pour observer plus facilement l’apparition et la disparition de la ternissure à la boule soumise au refroidissement, on a coutume de dorer une zone de celle-ci. Le thermomètre renfermé dans la boule sert à apprécier la température à laquelle chacun de ces phénomènes se produit.