SUR LE PASSAGE DES GAZ A TRAVERS LES CORPS POREUX ET LES MÉTAUX
Écoulement des gaz à travers un orifice en mince paroi. — Nous examinerons d’abord le cas très-simple où un gaz traverse un orifice pratiqué en mince paroi. Les vitesses d’écoulement sont alors en raison inverse des racines carrées des densités des gaz, ou autrement les carrés des durées d’écoulement d’un même volume de deux gaz difiérents sont proportionnels aux densités des deux gaz, la pression sous laquelle ils s’écoulent étant la même.
C’est ce qu’exprime la relation — = — dans laquelle d et d' expriment les
densités des deux gaz dont les durées d’écoulement, sont t et V . Dans le cas où l’air est l’un des gaz, d' par exemple étant égal à l’unité, la formule précé- 1 2
dente deviendra d = —.
Cette loi est assez approchée pour qu’on puisse l’utiliser dans la déterminatiou des densités des gaz dont on ne possède qu’un petit volume, ou dont on veut obtenir rapidement le poids spécifique, comme dans le cas du gaz de l’éclairage. On peut concevoir divers appareils propres à atteindre ce but ; nous n’indiquerons ici que celui qui a été employé par M. Bunsen dans ses recherches sur les Méthodes géométriques.
Son appareil se compose d’une petite cloche de verre allongée dont le col, qui porte un robinet, est fermé par une plaque de platine très-mince percée d’un trou extrêmement petit. On remplit la cloche de mercure, et, après avoir fermé le robinet supérieur, on y introduit le gaz sur lequel on veut expérimenter. Un flotteur placé dans cette cloche repose sur la surface intérieure du mercure, et sa hauteur est telle que, si l’on enfonce la cloche dans le mercure jusqu’à un trait de repère X, l’extrémité supérieure du flotteur est au-dessous du niveau du mercure dans la cu\e. En opérant sur une cuve à mercure ayant une des parois en verre, il est facile de viser avec une lunette le niveau du mercure et le trait de repère X. On ouvre le robinet de la cloche, le gaz intérieur pressé par le mercure s’écoule, et bientôt l’extrémité supérieure du flotteur arrive dans le champ de la lunette. On a marqué un trait de repère a, un peu au-dessous de l’extrémité supérieure, et on note, au moyen d’un clirono-
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mètre, l’instant où ce trait coïncide avec le niveau du mercure. Le flotteur continue de s’élever, et l’on note l’instant où un second trait de repère marqué à la partie inférieure du flotteur affleure avec le niveau extérieur. L’intervalle qui sépare les doux instants donne la durée de l’écoulement d’un volume déterminé, soumis, il est vrai, à des pressions variables, mais qui sont identiques pour les divers gaz dans toutes les expériences. On peut donc leur appliquer la loi ci-dessus.
Voici le résultat de plusieurs expériences dans lesquelles M. Bunsen a comparé plusieurs gaz à l’air :
t Hydrogène
t Air.
j Oxygène
t Air
I Acide carbonique. . .
D = ~ =0,0770 D = ^ =1,1140 D=il = 1,5292
Ces nombres, comme on le voit, sont suffisamment approchés lorsqu’il s’agit d’applications techniques.
Endosmose des gaz. — Deux gaz séparés par une membrane ou par un diaphragme poreux se mélangent avec une assez grande rapidité. Nous en avons cité des exemples au chapitre de l’Hydrogène. Si l’on maintient une pression constante de chaque côté du diaphragme ou de la membrane, on trouve que les volumes de gaz qui l’ont traversé dans le même temps ne sont pas égaux, et par conséquent, la vitesse avec laquelle un gaz traverse un diaphragme dépend de sa nature. D’après M. Graham, à qui l’on doit la découverte importante de ce phénomène, le rapport des vitesses de diffusion de deux gaz (c’est-à-dire le rapport des vitesses avec lesquelles deux gaz traversent une membrane ou un diaphragme) est sensiblement égal au rapport inverse des racines carrées des densités du gaz. Si cette loi était exacte, il faudrait admettre qu’un gaz se répand dans un autre de nature différente, dont il est séparé par un corps poreux, comme il le ferait dans le vide s’il traversait un orifice en mince paroi. Or, si une membrane peut à la rigueur être envisagée comme un assemblage d’orifices très-petits en mince paroi, il n’en est plus de même des diaphragmes d’une certaine épaisseur. 11 faut nécessairement considérer ces corps comme des assemblages de tubes capillaires dans lesquels l’écoulement ne suit plus les mêmes lois que pour les ouvertures en mince paroi. C’est ce qui résulte d’expériences de M. R. Bunsen sur les diaphragmes en plâtre séché de 0m,04 à 0,n,05 d’épaisseur. Le rapport des vitesses avec lesquelles l’hydrogène et l’oxygène ont traversé ces diaphragmes, au lieu d’être égal au nombre 4, comme l’indique la loi de Graham, s’est trouvé dans plusieurs expériences égal à 3,3 environ. La vitesse d’écoulement de chaque gaz se trouve en outre plus petite que pour les orifices en mince paroi; ce qui tient à ce qu’il se produit un frottement dans les tubes capillaires qui diminue d’une manière variable la vitesse des différents gaz. D’après les expériences précédentes, le plâtre ralentirait beaucoup plus la vitesse de l’hydrogène que celle de l’oxygène.
Si nous ne savons que fort peu de chose sur les lois qui régissent les plié-
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nomènes de diffusion ou d’endosmose des gaz, nous connaissons au contraire un certain nombre d’expériences remarquables sur ce sujet, et qui nous conduisent à des conséquences pratiques très-importantes.
M. H. Sainte-Claire Deville a appelé le premier l’attention des chimistes sur les phénomènes d’endosmose présentés par les tubes de terre poreux dont on se sert trop souvent dans les laboratoires. Pour montrer la facilité avec laquelle les gaz traversent les pores de ces tubes, il a fait une série d’expériences que nous résumons rapidement.
1° Un tube en terre est traversé par un courant rapide d’hydrogène qui va se dégager sur une cuve à eau par un long tube abducteur dont l’extrémité ' plonge dans ce liquide. Si Ton arrête brusquement le dégagement de gaz (en fermant le robinet de l’appareil à hydrogène), on voit l’eau monter rapidement dans le tube abducteur à 0m,60 ou 0m,70 au-dessus du niveau de la cuve, comme si l’hydrogène était aspiré dans l’intérieur du tube. L’eau redescend ensuite avec lenteur. Le premier effet est dû à la rapidité avec laquelle l’hydrogène se diffuse dans l’atmosphère extérieure au tube en traversant les parois de celui-ci. Le second tient à la rentrée plus lente *de l’air extérieur dans l’intérieur du tube.
Si l’on remplace l’hydrogène par le gaz de l’éclairage, l’aspiration est beaucoup moindre, avec l’acide carbonique elle est nulle.
2° Si Ton fait arriver de l’hydrogène dans l’intérieur du tube avec une certaine lenteur, on ne recueille sur la cuve à eau que de l’air pur.
En portant le tube de terre à la température du rouge et en faisant passer un courant d’hydrogène, on ne recueille qu’un mélange d’acide carbonique et d’azote, ou plus généralement que le mélange des gaz de la combustion dont le tube est entouré. Il est remarquable de voir l’expérience réussir encore lorsqu’on soumet le gaz intérieur, l’hydrogène, à une pression de 0m,07 à 0m,08. On voit donc dans ces expériences l’hydrogène traverser le tube avec une rapidité surprenante, tandis que les gaz extérieurs sont attirés vers l’intérieur du tube, lors même qu’il contient du gaz à une pression notablement supérieure à celle de l’atmosphère, comme ils le seraient par le vide.
L’expérience suivante montre d’une manière saisissante la facilité avec laquelle se fait l’échange des gaz intérieur et extérieur lorsque l’un de ces gaz est l’hydrogène. On entoure un tube de terre d’un tube de verre plus large. On fait arriver de l’acide carbonique dans l’espace annulaire compris entre les deux tubes, et de l’hydrogène dans le tube de terre. Les gaz sortent par deux tubes abducteurs communiquant directement l’un avec l’espace annulaire, l'autre avec le tube poreux. On constate alors que celui qui communique avec l’espace annulaire laisse dégager un gaz inflammable ; l’autre laisse dégager principalement de l’acide carbonique; les deux gaz ont changé presque instantanément d’enveloppe en traversant les pores du tube de terre.
Les expériences précédentes démontrent la nécessité de ne se servir que de tubes vernissés dans les opérations de chimie à l’exclusion de tout tube poreux; elles montrent aussi la supériorité des cornues de fonte sur les cornues de terre dans la préparation du gaz de l’éclairage, si l’on songe surtout que, dans la plupart des cas, il est nécessaire d’aspirer le gaz dans les cornues pour
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le faire passer dans les épurateurs chimiques, ce qui facilite encore l’introduction des gaz du foyer, pour peu que les cornues soient poreuses.
Plus récemment, MM. H. Sainte-Glaire Deville et Troost ont démontré que les métaux eux-mêmes étaient poreux, du moins pour l’hydrogène, à une température suffisamment élevée. On prend un tube de platine très-homogène et sans soudure. On l’introduit dans un autre tube de porcelaine plus large et moins long, et on l’y maintient au moyen de deux bouchons de liège qui ferment exactement l’espace annulaire. Cet espace est rempli de fragments de porcelaine, et on y fait circuler un courant d’hydrogène sec. Dans le tube en platine, on fait passer un courant d’air parfaitement desséché, de telle façon que l’air et l’hydrogène circulent dans deux espaces séparés par une cloison de platine dont l’épaisseur est considérable (plus de 0m,01). A la température ordinaire, l’air recueilli à la sortie du tube de platine possède la composition normale ; mais si on élève graduellement la température des deux tubes en chauffant le système dans un bon fourneau, l’air perd peu à peu de son oxygène, et l’on voit de l’eau se condenser dans le tube de sortie du gaz. A la température de 1100° (environ), le 4ibe de platine qui reçoit de l’air sec ne fournit plus que de l’azote et de la vapeur d’eau que l’on condense dans un tube desséchant. L’hydrogène qui sort de l’espace annulaire est toujours pur, mais il sort moins vite à mesure que la température s’élève. Enfin, si l’on ferme le robinet de l’appareil à hydrogène, il se fait un vide à peu près complet dans l’espace annulaire, l’hydrogène transvasant encore le tube de platine.
En remplaçant l’air par de l’acide carbonique sec, on recueille, en même temps que ce dernier gaz, de l’oxyde de carbone, de l’hydrogène et de la vapeur d’eau.
Ces expériences montrent la facilité avec laquelle l’hydrogène est aspiré dans les pores des tubes de platine qui sont cependant imperméables pour l’azote, l’acide carbonique et l’oxyde de carbone.
11 résulte des faits précédents, que la mesure des températures élevées, au au moyen de pyromètres à air, à boule de platine, employés à cet usage par divers physiciens, ne peut donner que des résultats erronés, car l’hydrogène qui existe en quantité plus ou moins grande dans les gaz du foyer, est sollicité par la porosité du métal à pénétrer dans l’intérieur de la boule du pyromètre, lors même que la pression intérieure est supérieure à la pression extérieure.
Le fer se comporte comme le platine à une haute température, ce qui montre bien que ces propriétés ne tiennent pas à la nature spéciale du platine, qui le rend plus propre que tout autre métal à condenser les gaz. MM. Deville et Troost ont pris un tube en fer d’une épaisseur de 3 à 4 millimètres, aux extrémités duquel ils ont soudé à l’argent deux tubes en cuivre d’un plus petit diamètre. Le tube du fer, ayant été entouré d’un tube de porcelaine, fut chauffé dans un fourneau où l’on pouvait alimenter la combustion avec le vent d’un "soufflet. Un courant d’hydrogène circulait dans le tube et se dégageait par un long tube abducteur plongeant dans le mercure. L’appareil étant porté à une température élevée, on a arrêté le dégagement d’hydrogène et fermé à la lampe le tube qui l’amenait ; le mercure est alors remonté dans le tube vertical jusqu’à une hauteur de 0m,74, peu différente de la hauteur baromé-
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trique. Les parois du fer font donc l’effet d’une pompe parfaite qui aspirerait l’hydrogène dans le tube pour le mettre au contact de l’atmosphère extérieure.
M. L. Cailletet a démontré de son côté la perméabilité du fer pour l’hydrogène par l'expérience suivante. On prend un tube de fer aplati, dont les parois ont une épaisseur de 2 millimètres, on en soude les extrémités. Ce «tube, chauffé dans un feu de charbon de bois, mais séparé du combustible par un tube de terre non vernissé, reprend sa forme primitive.
En ouvrant un de ces tubes, sous un liquide, on constate qu’il est rempli d’hydrogène. Pour mesurer la pression sous laquelle l’hydrogène se condense dans l’intérieur du tube en le gonflant, M. Cailletet a modifié son expérience de la manière suivante : on prend un large tube de fer aplati dont une extrémité est fermée, à l’autre extrémité on soude un tube de cuivre d’un petit diamètre, le tube de cuivre est placé dans un cylindre de terre non verni, chauffé au charbon de bois. On refroidit la soudure et le tube de cuivre. Pendant toute la durée de la chauffe, on voit qu’il sort du tube de cuivre un courant rapide d hydrogène pur. En adaptant à l’extrémité du lube à dégagement un manomètre à air libre, on peut accumuler le gaz sous pression dans le tube de fer, qui gonfle et reprend sa forme primitive. On a constaté ainsi qu’un tube de fer dont les parois avaient 2 millimètres d’épaisseur, gonflait sous une pression de 0m,34 de mercure. En employant un autre tube de 24 millimètres d’épaisseur, le gonflement n’a plus lieu, et l’absorption de l’hydrogène cesse au rouge blanc sous une pression de 0ra,68.
A 210°, l’hydrogène ne traverse pas une lame de fer de ~ de millimètre d’épaisseur; on peut donc considérer ce métal comme imperméable à froid sous une épaisseur quelconque.
Les expériences de M. Cailletet rendent compte d’un phénomène très-fréquent, mais encore inexpliqué jusqu’ici, qui se produit souvent dans le travail des métaux ; je veux parler des bulles qui se manifestent à la surface des métaux laminés ou frappés lorsqu’on les recuit, surtout à une température élevée. Les bulles proviennent évidemment de ce que le métal présentait des cavités ou soufflures qui se sont aplaties pendant le travail. Si l’épaisseur de la paroi extérieure de ces cavités est suffisammént mirice, l’hydrogène du foyer où l’on recuit le métal, pénètre à travers cette paroi dans la cavité et la gonfle en produisant une bulle à la surface.
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