Des effets du calorique

Quand la chaleur se combine avec les corps, ses effets diffèrent suivant leur nature. La dilatation ou augmentation de volume en est l’effet le plus général; et quand l’accumulation est continuée dans plusieurs corps, leur constitution change, comme lorsqu’un solide se convertit en liquide; et par l’addition d’une plus grande quantité de calorique, lorsqu’un liquide passe à l’état de vapeur. Dans quelques cas, la composition des corps est entièrement changée.

De la dilatation . — Un des effets les plus généraux de l’accumulation de la chaleur est la dilatation des corps; leur contraction correspondante est due à son abstraction. Dans les corps les plus simples, ces effets sont uniformes et inva-

FXÉMENS DE CHIMIF. PRATIQUE

riablcs. Cette expansion, par l’accumulation de la chaleur, a lieu dans les solides, les liquides et les fluides.

Exp. I. — Que l’on prenne une tige de fer, à laquelle on adapte exactement un anneau du même métal , et qu’on fasse rougir la tige ; la dilatation du fer l’empêchera de s’adapter au même anneau; qualité que la tige reprendra par le refroidissement.

Exp. II. — Que l’on remplisse d’alcool le fond d’un petit matras, et qu’on le plonge dans l’eau bouillante; l’alcool montera alors dans le col du matras, et au fur et à mesure que la température diminuera, il reprendra son premier volume.

Exp. III. — Si l’on remplit à-peu-près une vessie d’air, l’application de la chaleur la tendra dans son entiermais, par le refroidissement, elle reprendra sa forme première.

La dilatation est moindre dans les solides que dans les liquides, et elle est la plus grande dans les fluides élastiques. Ainsi, 28 décimètres cubes de fer, élevés depuis o jusqu’à ioo° centigr., ne sont augmentés que d’un dixième du volume, tandis que 28 décimètres cubes d’eau, élevés à la même température, augmentent de 1700 fois leur volume, en prenant la forme élastique, et seulement de 1/2 5 de leur volume à l’état liquide. Enfin 28 décimètres cubes d’air atmosphérique sont augmentés d’une fois et demie leur volume à la même température.

L’usage introduit d’employer des cercles de fer aux roues des voitures, prouve la dilatation des corps solides par la chaleur, et leur contraction par le froid. Le cercle se fait plus petit qu’il n’est nécessaire, et, en le rougissant, sa dilatation en rend l’application possible : on le refroidit aussi tôt avec de l’eau, pour lui faire reprendre, par la contraction, ses dimensions premières. L’effet expansif de la chaleur explique aussi la raison qui fait rompre des vaisseaux de verre, de terre ou de fer coulé, par son application ou sa

soustraction. Lorsque la chaleur est appliquée subitement, cette partie du vase qui reçoit l’accumulation du calorique se dilate inégalement, et le vase se brise.

Dans tous les corps, les degrés de dilatation ou de contraction sont en raison de l’accumulation ou de l’abstraction du calorique. On a saisi l’avantage que présentait la dilatation de différents métaux à une même température , pour la construction du pendule, dont les mesures de temps dépendent d’une longueur uniforme. On emploie des verges de différens métaux dont la dilatation est la même; on les arrange de manière que leur dilatation soit en sens opposé , ce qui force le pendule de rester uniformément de la même longueur.

Lorsque l’eau, quelques substances métalliques, et particulièrement la fonte de fer, passent de l’état liquide à l’état solide, par l’abstraction du calorique, ils augmentent de volume, et font exception à la loi générale de la dilatation. Quand l’eau est renfermée dans des vases , et qu’elle se congèle, elle les brise avec violence, et agit, d’après l’estime qu’on en a faite, avec une force égale à i3,563.59 kilogr. On attribue au même pouvoir l’éclat des tonneaux d’eau; les fentes des arbres et des rochers, et l’élévation des pavés pendant les gelées; c’est aussi à l’augmentation de volume, lorsque le fer fondu se refroidit, que l’on doit attribuer ce que les lignes ont d’aigu, dans les figures d’ornement faites avec ce métal. On a également attribué à la même cause l’arrangement des molécules de ces corps, lorsqu’ils prennent une forme solide , ou à la cristallisation, qui leur fait occuper un plus grand espace que lorsqu’ils sont à l’état de fusion.

La dilatation des solides est à-peu-près la même à la même température) tandis que celle des liquides ne l’est nullement. Les liquides les plus dilatables sont ceux qui passent le plus facilement à l’état de vapeur. Leur dilatation est en raison de la proximité de leur point d’ébullition. A une température quelconque, l’alcool, dont le point d’ébullition est plus bas, se dilate plus que l’eau ; l’eau, plus que le mercure.

3/j- ÉLÉMENS DE CHIMIE PRATIQUE

A une même température, les gaz ont à-peu-près tous la même dilatation.

Thermomètres. — La construction du thermomètre , si important dans la mesure de la température relative des corps, dépend des propriétés dilatables de ceux-ci. L’invention en est attribuée à Sanctorio, physicien italien, qui vivait au commencement du dix-septième siècle; mais on dit que cet instrument était connu en Hollande avant cette époque. Le thermomètre de Sanctorio est un tube de verre , ouvert d’un côté , et ayant une boule creuse de l’autre. L’air intérieur de la boule étant échauffé , une partie en est chassée ; l’ouverture du tube étant plongée dans un liquide coloré, au fur et à mesure que l’air de la boule se refroidit, le liquide s’élève dans le tube , suivant, que l’air contenu dans la boule se dilate ou se condense par l’accumulation ou l’abstraction du calorique, et indique ainsi les changemens de température auxquels l’air extérieur est exposé. Une échelle -de degrés, appliquée au tube, fait calculer ces changemens. Par la suite, on employa différens liquides, comme l’alcool, l’huile de lin et le mercure. La boule et une partie du tube étant remplies d’un de ces liquides, on bouche l’extrémité opposée pour empêcher l’influence de la pression extérieure de l’atmosphère.

Du thermomètre de Fahrenheit . — Pour la construction de ce thermomètre, qui est généralement en usage en Angleterre, on choisit un tube de verre d’un diamètre parfaitement égal dans toute sa longueur, et on souffle une boule à l’une des extrémités. On remplit ensuite la boule et une partie du tube, de mercure, qu’on a fait bouillir pour en chasser l’air; puis on ferme hermétiquement l’extrémité ouverte, à la lampe à l’émailleur; on gradue ensuite le tube. Comme la neige ou l’eau congelée sont toujours à la même température , on y plonge le thermomètre , qui s’arrête toujours au même point. Ce point est marqué 32 sur l’échelle, et il indique la glace. On plonge ensuite le thermomètre dans de l’eau bouillante, et le point où le mercure s’arrête est mar-

(jué 212. L’espace intermédiaire est divisé en 180 degrés, et on continue les mêmes divisions, au-dessus et au-dessous, autajit que possible (i).

Du thermomètre de Réaumur. — Il est presque généralement usité en France; il est marqué zéro au point de glace, et 8o° à celui qui indique l’ébullition de l’eau. Pour convertir les degrés de ce thermomètre en degrés de celui de Fahrenheit, on multiplie par 9, on divise par 4 , et on ajoute 32.

Du thermomètre de Celsius. — Ce thermomètre, usité en Suède, est, comme le thermomètre centigrade de France, divisé en 100 parties du point de congélation à celui de l’eau bouillante. Pour convertir ces degrés à ceux de Fahrenheit, on multiplie par 9, on divise par 5, et on ajoute 32.

Du thermomètre de Delisle. — On en fait usage en Russie. Il est divisé en 1 5o° d’un point à l’autre. L’eau bouillante est marquée zéro, et les degrés sont comptés du haut en bas jusqu’à la glace. Pour réduire les degrés de ce thermomètre, sous le point de l’eau bouillante, à ceux de Fahrenheit, on multiplie par 6 , on divise par 5 , et on retranche 212; et au-dessus du point de l’ébullition, après la même multiplication et la même division, on ajoute 212.

On fait choix du mercure, dans la construction des thermomètres , parce qu’il se dilate plus uniformément que tout autre liquide , quoique cette dilatation ne soit pas rigoureusement égale dans tous les degrés ; dans les parties élevées , la dilatation est plus grande , avec même nombre de degrés.

(1) Pour convertir les degrés de ce thermomètre en degrés de thermomètre de Réaumur, on ajoute 32 pour — o, ou on retranche 32 pour o ; on multiplie le nombre par 4 > et on divise le produit par 9.

Pour convertir les degrés du thermomètre de Fahrenheit en degrés du thermomètre Centigrade, on ajoute 32 pour — o , ou on retranche 32 pour -|o; on multiplie le nombre par 5, et on divise le produit par 9. ( Note du Traducteur.')

3() KI,l' .VI ENS DE CHIMIE PRATIQUE

Du thermomètre différentiel. — Ce thermomètre, inventé par M. Leslie, n’est qu’une modification du thermomètre à air. 11 est formé de deux tubes de verre d’inégale longueur, et se terminant chacun par une boule creuse. On joint leurs extrémités inférieures , après avoir introduit une petite quantité d’acide sulfurique teint en rouge avec du carmin, dans la boule du tube le plus long. Les tubes étant joints à la lampe, on les courbe de manière à leur donner la forme de la lettre U. On souffle les boules aussi égales que possible, et de 10 à 1 2 millimètres de diamètre : les tubes doivent être un peu plus larges que ceux des thermomètres ordinaires, afin que le liquide coloré puisse mouvoir plus rapidement sous toute espèce d’impression. Chaque tube est de 5o à ioo millimètres de long. Il est évident, par la nature de l’instrument, qu’il est seulement affecté par la différence de chaleur des boules correspondantes; de là vient aussi le nom que l’inventeur lui a donné. Aussi long-temps que l’air des boules est à la même température , le liquide coloré reste stationnaire ; mais si l’on chauffe l’une d’elles, l’élasticité de l’air renfermé étant augmentée, elle chasse le liquide, et le fait monter dans le tube opposé, qui porte une échelle graduée, divisée en ioo parties égales entre le point de congélation et celui de l’eau bouillante. Ce thermomètre est particulièrement employé pour s’assurer de la différence de température de deux points contigus d’une même atmosphère, comme pour déterminer la chaleur du foyer d’un miroir, où il a été heureusement appliqué. Ce thermomètre n’est pas propre à mesurer les variations de l’atmosphère environnante.

Du pyromètre de Wedgewood. — Le pyromètre inventé par Wedgcwood, a pour but d’indiquer les hauts degrés de température auxquels le thermomètre ordinaire ne peut atteindre. Il est construit sur le principe de retrait qu’éprouve l’argile pure , lorsqu’elle est soumise à une forte chaleur. On choisit à cet effet de l’argile bien pure, et on en forme de petits cylindres égaux en grosseur et en longueur ; on les expose à une chaleur rouge brun, pour en chasser l’air et l’humidité,

et les rendre propres à supporter les plus fortes températures. On forme une échelle de deux règles de cuivre ou de laiton soudées à une plaque du même métal. Ces règles, qui ont 609,592 millimètres de long, sont divisées en 240 parties égales; à l’extrémité supérieure de l’échelle, elles sont éloignées de 12 millimètres, et seulement de 7.5 millimètres à l’extrémité inférieure. Avant d’introduire un des cylindres dans le fourneau dont on veut apprécier la chaleur, on le placé entre les deux règles pour en marquer le degré ; on fait de même lorsqu’on le retire, et la quantité de retrait que le cylindre a éprouvé, marque la température. On compte les degrés du sommet de l’échelle à partir de celui marqué par le cylindre avant son retrait.

Le premier degré du pyromètre , qui indique une chaleur rouge , correspond au 58o° 55 centigr., ou 1077 du thermomètre de Fahrenheit, et chaque degré du pyromètre comprend, d’après les calculs qui ont été faits, i3o° du thermomètre de Fahrenheit, ou 54-44 centigr. Pour rendre le pyromètre plus intelligible, on joint ici les degrés correspondants des deux instruments.

WEDGEWOOD. FAHRENHEIT. CENTIGR.

Chaleur rouge

Fusion de l’argent

Fusion de l’or

Chaleur du fer battu

Fusion de fer coulé

La plus grande chaleur d’un

fourneau à reverbère de 8 pouces carrés

i2,i36. ii

L’extrémité dé l’échelle ou

la plus grande chaleur observée

Cet instrument est fait pour rendre compte de ces chaleurs intenses qui ne peuvent être mesurées par aucun autre; et il

38 ELÉMENS DK CHIMIE PRATIQUE

a été employé avec avantage dans les arts et manufactures, où de pareilles chaleurs sont nécessaires. Mais néanmoins, l’estimation faite d’après ces cylindres ne peut être qu’approximative , et les difficultés qu’on éprouve dans leur construction et dans la préparation des matières, en rendent toujours le retrait inégal.

Il existe une singulière anomalie dans les propriétés dilatables de l’eau : sa plus grande densité est à-peu-près de 4 . 44 à 5 . 5 6 centigr. ; cependant elle continue de se dilater également, que la température soit élevée au-dessus de ce point ou abaissée, Ce fait curieux, qui a été souvent considéré, reste encore sans être expliqué.

Des fluides. — La matière existe sous trois états différens; savoir: l’état solide, l’état liquide et l’état de vapeur; à peu d’exceptions près, elle peut être convertie de l’un à l’autre, par l’augmentation ou la soustraction du calorique. La glace devient liquide au moyen de la chaleur; et si celle-ci est augmentée, elle passe à l’état de vapeur: d’un autre côté, la soustraction du calorique fait reprendre à une quantité de vapeurs aqueuses, la forme liquide; si la température baisse davantage, elle devient solide, et se convertit en glace. Ainsi , à quelques exceptions près , c’est une loi générale , que la matière peut passer d’un état dans un autre. Parmi les exceptions, on remarque l’air atmosphérique qui existe toujours à l’état aériforme , et l’esprit de vin , qui ne nous est connu que sous les formes liquide et gazeuse. C’est une autre loi générale de la conversion des substances solides à l’état de fluidité , que les changemens ont lieu lorsque les circonstances sont les mêmes, et qu’ils sont exposés à la même température. La glace se liquéfie à o centigr. , et l’eau se convertit en vapeurs à 100 centigr. Quelques corps passent instantanément de l’état solide à l’état liquide, comme la glace ; mais la cire passe par divers degrés de liquéfaction avant d’être entièrement fluide. Cette cause , qui a été expliquée par le docteur Black, peut être rangée parmi les découvertes les plus belles et les plus importantes de la chimie moderne.

Expérience. Deux vases très-minces de verre, contenant chacun 141 grammes d’eau, furent placés dans un hangard dont la température était à 8° 33 centigr. L’eau fut congelée dans un des vases, et dans l’autre elle fut abaissée à la température de +0.56. On plaça un thermomètre dans chacun d’eux, et celui placé dans l’eau monta de o.56 à 4.44 en une demi-heure ; mais celui du vase contenant de la glace ne s’éleva pas au-dessus de o centigr. , jusqu’à ce que toute la glace fût fondue, c’est-à-dire au bout de 21 demi-heures; quelques minutes après , le thermomètre s’éleva aussi à 4° 44 comme dans l’autre vase. Pendant les 21 demi-heures, la chaleur fut absorbée par la glace , et si cette absorption fut de 3 . 89 centigr. pendant chaque demi-heure, sa totalité fut de 21 fois 3.89, ou 81. 69 centigr.; mais cette chaleur ne fut pas indiquée par le thermomètre. Elle resta donc cachée dans l’eau, où, étant absorbée par la glace, elle la réduisit en eau. Cette combinaison du calorique et de la glace est la cause de sa liquéfaction, et parcequ’elle n’est pas indiquée par le thermomètre, le docteur Black lui donna le nom de calorique latent: D’autres l’ont nommé calorique de fluidité.

L’expérience contraire prouve la même chose ; car , de même qu’il y a absorption de calorique, lorsque des corps passent de l’état solide à l’état liquide, il y a aussi dégagement, lorsqu’un liquide se convertit en solide. Quand on refroidit l’eau à 23 ou 24° au-dessous de la glace sans être congelée, ce qui arrive lorsqu’elle est contenue dans un vase fermé , et qu’on ne la remue pas ;%le moment où on l’expose à l’air et qu’on l’agite, elle se convertit en une masse poreuse de glace, tandis que le calorique, qui la retenait à l’état liquide, se dégage; c’est ce que prouve l’expérience suivante.

Expérience. Qu’on remplisse un fiole d’une solution de sel de glauber, autant que l’eau peut en dissoudre, et, pendant qu’elle est bouillante , que l’on ferme fortement avec un bouchon pour en exclure l’air. Si on laisse cette solution en re-* pos, on pourra la conserver liquide; mais après l’abaissement de température à l’état ordinaire de l’atmosphère, si on enlès e

/jO ÉLEMENS DE CHIMIE PRATIQUE

le bouchon, le tout sc prendra en masse, avec un dégagement de chaleur très-sensible à la main.

La température à laquelle l’eau se congèle est à o. On l’oppelle point de congélation, parce que l’eau est presque toujours liquide dans ce climat. On appelle point de fusion des métaux, celui auquel les métaux fondent, parce que ceux-ci sont communément solides. Il diffère suivant les corps, et reste uniformément le même pour un même corps. Le point de fusion du plomb est à 263° (i); celui de l’étain, à 2io° (2); du soufre, ioo°; de la cire, 61 . 11 ; du phosphore, 37.78°, et du suif 32.22 du thermomètre Centigrade.

De la vapeur. — Si, après avoir converti la glace en eau, on augmente encore la chaleur, l’eau passera à l’état de vapeur, et devra ce changement, ainsi que la glace, à l’absorption du calorique. Ce fait fut également reconnu par le docteur Black, et, suivant ses expériences, la quantité de calorique absorbée pour convertir cette eau en vapeur, l’aurait élevée à la température de 432.22 centigr. ; c’est ce qu’il nomme calorique latent de la vapeur, parce qu’il n’est pas indiqué par le thermomètre. D’autres chimistes ont estimé cette température plus élevée, et Lavoisier la fait monter à 543.33 centigr.

Du point d! ébullition. — Le point où les liquides se convertissent en vapeurs, est uniformément le même sous la même pression de l’atmosphère. Pour l’eau, ce point est 1 oo° centigr. Comme la chaleur est généralement appliquée à la partie inférieure des vaisseaux, cette partie du liquide qui est en contact immédiat avec le calorique, se change la première en vapeur , et leur passage au travers de l’eau occasionne l’ébullition.

Il y a des liquides qui prennent la forme gazeuse à toute espèce de température, comme l’eau, les esprits, et d’autres

(1) M. Thénard.

(2) Newton.

APPLIQUÉE AUX ARTS ET AUX MANUFACTURES. 4l

qui se dissipent aussitôt qu’on les expose à l’air. Il y en a qui ne perdent pas sensiblement de leur volume , jusqu’à ce que la température soit parvenue au point d’ébullition. Celui de l’éther, qui est un liquide extrêmement volatil, est à 36.67; ceux d’ammoniaque, 6o°; d’esprits de vins , 78.89; d’eau, 100; d’huile de lin, 5ai . 11 , et de mercure, 337.77 centigr. La pression de l’atmosphère fait varier ces points. Sur le sommet d’une haute montagne, ou sous le récipient de la machine pneumatique dont on a fait le vide, l’eau et les autres liquides entrent en ébullition à une température beaucoup plus basse.

LxPo I. — Que l’on fasse bouillir de l’eau dans un vase de verre, qu’on le bouche ensuite fortement, et que l’on continue l’ébullition pendant quelques minutes, on verra l’agitation diminuer, et l’ébullition cesser en quelque sorte. Si, peu après, on enlève le bouchon, une grande quantité de vapeur se dégagera, et une forte ébullition aura lieu. La vapeur qui se dégage ainsi , est celle qui s’était formée, et dont le dégagement avait été empêché. La cessation de l’ébullition est due à cette vapeur qui remplissait le vide du vase , et dont la pression sur la surface du liquide empêchait l’agitation. Lorsque les vapeurs se dégagent, la température ne s’élève jamais au-dessus de ioo° centigr.; mais, comprimée comme dans la machine de Papin , on peut l’élever de i5o à 2000 centigr., par l’accumulation des vapeurs.

Exp. IL — Pendant que l’eau bout dans le vase employé à la première expérience, si on bouche fortement, et qu’on retire le feu, l’ébullition, après quelques minutes, cessera entièrement. Qu’on plonge alors le vase dans de l’eau froide , lebullition se renouvellera; que l’on plonge ensuite dans de l’eau chaude, elle sera arrêtée. Cette expérience, qu’on nomme la merveille chimique, prouve la conversion d’un liquide en vapeur, par l’addition du calorique et les changemens qu’il subit en revenant à l’état liquide par la soustraction de la chaleur. Quand on ôte le feu , et qu on bouche, la partie vide du vase est remplie de vapeurs invi-

siblcs, dont la pression arrête 1 ébullition; mais quand le vase est plonge dans l’eau froide, les vapeurs, privées de calorique, reprennent leur état liquide; la pression n’existant plus à la surface de l’eau, ce qui reste de chaleur occasionne le renouvellement de l’ébullition : mais, lorsque le vase est plongé dans l’eau chaude, les vapeurs se dilatent, augmentent la pression , et empêchent l’ébullition. La preuve de la condensation de la vapeur est que, si l’on renverse l’orifice du vase dans de l’eau , et qu’on enlève le bouchon , l’eau remplira aussitôt le vase avec la plus grande force.

Exp. III. — Que l’on fasse bouillir de l’eau dans un vase qui communique, par un tube recourbé, avec un autre vase contenant de l’eau froide, celle-ci s’élèvera peu-à-peu à la température de l’eau bouillante; ce qui démontre le pouvoir du calorique latent de la vapeur ; tandis que si on mêle une partie d’eau bouillante égale à celle qui s’est dégagée à l’état de vapeur pendant l’opération, à une quantité d’eau semblable à celle que contenait le second vase, la température ne sera que légèrement augmentée.

De V évaporation. — Le refroidissement des corps par l’évaporation est une autre preuve que le calorique est fortement absorbé par la vapeur. Si on humecte la boule d’un thermomètre avec de l’alcool ou de l’éther, l’évaporation rapide de ces substances, enlevant le calorique du mercure, le fera descendre dans le tube : on peut même congeler de l’eau par ce moyen , car en laissant tomber quelques gouttes d’éther sùr un tube contenant de l’eau, elle se congèlera en peu de temps. D’après le même principe , on refroidit le vin , en appliquant un linge mouillé sur la bouteille , ou en introduisant celle-ci dans un vase de terre , assez poreux pour qu’il subisse une prompte évaporation à sa surface. Dans les Indes, on fait la glace suivant ce principe. On remplit d’eau des terrines basses non vernies, qui laissent suinter l’eau à travers leurs pores; on place ces vases sur les tiges sèches de plantes, qui, étant mauvaises conductrices du calorique, empêchent la communication avec la terre. Un courant d’air facilite l’opé-

ration , car la vapeur , étant enlevée aussitôt que formée, permet à une autre vapeur d’occuper la place. En passant par une pierre à filtrer, l’eàu se refroidit , non-seulement en conséquence de l’évaporation par les côtés de la pierre, mais aussi par la conversion partielle des gouttes d’eau en vapeur, en traversant l’air pendant la chute. Les nombreuses gouttes qu’on trouve en hiver le long des vîtres d’un appartement, celles qui ruissèlent le long des murs, sont la preuve de la conversion des vapeurs en liquides , lorsqu’elles viennent en contact avec ces corps solides.

De la décomposition des corps par le calorique. — La combinaison des corps avec le calorique ne produit pas seulement leur dilatation et leur fluidité ; elle produit encore leur décomposition, en les réduisant à leurs élémens; et ceux-ci, exposés à une très-grande chaleur, sont changés en de nouveaux composés. Ainsi, lorsqu’on expose à une chaleur rouge des substances métalliques qui sont combinées avec l’oxigène, et qu’on nomme alors oxides, elles se décomposent; une partie de leur oxigène, se combinant avec le calorique, paraît sous la forme de fluide élastique ou de gaz oxigène , qui est un composé d’oxigène et de chaleur. Quand on fait passer de la vapeur d’eau à travers un tube contenant du fer rouge, l’oxigène de l’eau se combine avec le fer, et forme un oxide, tandis que l’hydrogène se dégage. Si on fait passer des vapeurs ammoniacales dans un tube rouge, elles se décomposent; l’hydrogène et l’azote, se combinant avec le calorique, paraissent sous la forme de gaz : enfin, si on fait passer un courant d’hydrogène et d’azote dans un tube rouge, ils se combinent et se convertissent en gaz ammoniaque.