W. OSTWALD

Leipzig, le 3i juillet 1900.

P.-S. — La présente traduction française a été primitivement rédigée d'après la première édition du texte original: mais on a pu y mettre à profit la plus grande partie des corrections introduites dans la seconde édition allemande. L'auteur a relu les épreuves de cette traduction, et a pu se convaincre que sa pensée y est rendue avec une grande précision et une justesse remarquable.

L'ouvrage a déjà été traduit en anglais, en russe et en japonais.

W. OsTWALD.

Février 1904.

DK

PRINGIPKS GÉNÉRAUX.

Phénomènes chimiques. — Les objets et les événements dont se compose le monde extérieur connu à l'homme constituent la matière des sciences de la nature. Il n'existe au fond qu'une seule science de la nature ; elle s'étend à l'ensemble du domaine ainsi défini. Mais le besoin d'embrasser plus facilement la totalité du savoir a conduit de bonne heure à créer des divisions secondaires, comprenant des phénomènes en rapport plus étroit les uns avec les autres, en d'autres termes, plus particulièrement semblables. La chimie est une de ces subdivisions.

Il est impossible de définir ici d'une manière précise le contenu de la chimie, et de marquer ses limites par rapport à des domaines voisins et différents : cela suppose des connaissances que le présent ouvrage a pour but d'exposer. Cependant, ce sera rendre service au débutant que de lui fournir un critérium qui lui permette de reconnaître la plupart des phénomènes chimiques, et lui indique en mémo temps dans quel sens il doit surtout diriger son attention.

Nous apercevons dans le monde extérieur des portions d'espace limitées qui se distinguent du milieu environnant, et nous appelons ces objets distincts des corps. Si nous fixons nos yeux sur un corps déterminé, nous constatons souvent qu'il éprouve un changement quelconque, que ses rapports avec nos organes et avec le milieu ambiant se modifient. Ces modifications peuvent être divisées en deux O. I

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grands groupes, distincts en gros, sinon en toute rigueur. Ou bien elles se rapportent seulement à un seul ou à un petit nombre des caractères et des propriétés du corps considéré; ou bien elles sont radicales, de telle sorte que le corps considéré s* évanouit et qu^à sa place apparaissent d^ autres corps doués de propriétés différentes.

Les phénomènes du premier genre appartiennent à la physique; ceux du second genre à la chimie.

Prenons comme exemple un corps déterminé, soit un morceau de soufre. Si nous le poussons, il change de place, il se meut et roule sur la table. Mais cela ne modifie aucune de ses autres propriétés : il conserve sa couleur jaune, sa forme, son poids, etc. Le mouvement est donc un }p\iénombne physique.

Nous pouvons placer ce morceau de soufre dans Teau chaude; il acquiert ainsi la propriété de provoquer sur la peau la sensation de chaleur; nous ne constatons aucun autre changement. Si nous frottons le soufre avec un morceau de drap, il acquiert la propriété d'attirer des objets légers, par exemple les petits bouts de papier : il est électrisé. Dans ce cas également on ne perçoit aucune autre modification de ses propriétés. On placera donc ces phénomènes, eux aussi, dans le domaine de la physique.

Mettons un morceau de soufre en contact avec un corps enflammé. Il s'allume et commence à brûler avec une flamme bleue. L'odeur bien connue du soufre qui brûle se fait sentir, et, au bout d'un certain temps, le soufre a disparu : il est consumé. Ce processus ne modifie pas seulement certaines propriétés spéciales du soufre : le soufre disparait tout à fait, nous ne le voyons plus du tout. II a donné naissance à quelque autre corps; c'est ce que nous concluons de l'odeur qui vient de se manifester, et qui n'existait pas auparavant. Cette fois le soufre a été le siège d'un phénomène chimique.

De semblables processus chimiques se présentent de toutes parts autour de nous. Ainsi, la combustion du pétrole cl de la stéarine dans les lampes et les bougies, celle de la houille dans les poêles, la transformation des aliments dans les organismes des animaux, les phénomènes de la germination et de la croissance des plantes, la rouille du fer, la fermentation du lait, la putréfaction des cadavres et des plantes mortes, et d'innombrables phénomènes du même genre sont d'ordre chimique; on le reconnaît à cette circonstance commune que des corps présents disparaissent et qu'il apparaît des corps nouveaux, doués de propriétés nouvelles. La science chimique a pour objet d'établir les lois de tous ces phénomènes.

Qoo^Q:

L'expérience. — Pour décrire les phénomènes simples dont nous venons de nous occuper, nous avons mis en œuvre des notions et des modes de pensée qui nous servent dans la vie de chaque jour cl qui sont pour nous d'un emploi courant. Mais, au point de vue scientifique, on ne peut se contenter des idées plus ou moins indéterminées et arbitraires qui dans la vie quotidienne s'associent à ces mots. Il y a lieu d'examiner le contenu de ces notions et d'en fixer le sens avec précision.

Ce qui, pour l'individu, est donné d'une manière immédiate, ce sont les états de son esprit, états sans cesse changeants. Nous apprenons vite à distinguer les événements en intérieurs et extérieurs; les uns dépendent de notre volonté, les autres n'en dépendent pas, du moins d'une manière immédiate. En raison de cette indépendance, nous admettons que les états de conscience de ce genre sont produits par des causes distinctes de notre personne, et nous appelons monde extérieur l'ensemble de ces causes.

Toutes nos représentations forment une série d'états et d'événements variés et distincts les uns des autres. Jamais un événement ne se produit deux fois d'une façon absolument identique.

Nous serions donc dans la vie comme un voyageur dans les ténèbres d'une contrée inconnue et sans chemins, si nous ne nous apercevions qu'un grand nombre d'événements, sans se répéter absolument, se reproduisent semblables à eux-mêmes dans une large mesure. Quand nous avons perçu un certain nombre de ces événements analogues entre eux, et qu'il s'en reproduit un, nous sommes capables de prévoir la suite de son cours avec quelque ^vraisemblance. Et si cet événement a une influence quelconque sur notre état personnel, nous pouvons prendre des mesures pour qu'il nous amène le plus de profit ou le moins de dommage possible.

La connaissance de ces événements qui se répètent en grande partie est ce qu'on appelle Y expérience. L'expérience consiste, d'une pari, en ce que nous savons dans quelles conditions des phénomènes déterminés se produisent; d'autre part, en ce que nous connaissons le cours des phénomènes, l'ordre de leurs parties successives.

Notions et lois naturelles. — L'acte de réunir de telles analogies et de les distinguer les unes des autres constitue le commencement non seulement de la science, mais même de la vie en général. L'animal qui cherche dans la forêt un refuge contre la pluie, ou contre l'adversaire qui le poursuit, agit de la sorte parce qu'en des cas analogues il s'est sauvé par des procédés analogues. De toutes ces rela-

Qoo^Q:

CIIAPITRU I.

lions, les plus générales ont trouvé leur expression dans le langage. Tout nom commun, chien ou pierre par exemple, exprime une longue série d'expériences concordantes, qui présentent des ressemblances déterminées et constantes. Aussi le mot soufre ne désigne pas une impression bien déterminée que j'aurais éprouvée à un moment précis et une seule fois, il exprime un ensemble d'impressions renouvelées dans lesquelles se sont fait chaque fois remarquer divers caractères constituant un groupe. L'ensemble des caractères concordants, avec exclusion des éléments non concordants, est ce qu'exprime le nom commun.

Ainsi, le mot soufre me fait penser à une matière jaune, solide, qu'on peat enflammer, qui devient fluide à température peu élevée, qui s'enfonce dans l'eau sans s'y dissoudre et s'électrise par frottement. 11 ne me fait pas penser à une forme ni à une grandeur déterminées; au contraire, je désigne de ce nom, quelle qu'en soit la grandeur, tout objet dans lequel je reconnais les propriétés en question. Pour former le mot soufre, on n'a pas pris en considération la totalité des propriétés d'un corps particulier présent aux sens ou à la mémoire. Il n'a pas été tenu compte de la grandeur, de la forme et de la provenance des corps particuliers auxquels je donne le nom de soufre, mais seulement des propriétés qui se retrouvent les mêmes dans tous ces corps, indépendamment de leurs particularités.

Laisser de côté les caractères spéciaux des phénomènes qui, à d'autres égards, sont semblables, c'est faire une abstraction; et le résultat de l'abstraction, qui dans les cas simples se condense en un mot, est ce qu'on appelle un concept.

Un seul et même phénomène peut évidemment être rangé sous des concepts très difi<érents selon les analogies que l'on considère. L'extension d'un concept, autrement dit le nombre des phénomènes particuliers qu'on lui peut subsumer, est d'autant plus grand que le nombre des analogies qu'il exprime est plus petit. A l'un des extrêmes se trouvent les noms propres qui désignent des individus, c'est-àdire des êtres qui ont pour caractère de n'exister qu'une fois. Ici l'on est en présence de la plus grande diversité, et la généralisation porte seulement sur ce que l'objet, pendant un certain temps, celui de son existence, conserve essentiellement les mêmes propriétés.

A l'autre extrême se trouvent les notions générales comme chose ou objet, qui n'expriment pas d'autre caractère que la propriété de se distinguer des autres choses.

Constituer des notions adéquates est le but principal des sciences. Une notion adéquate est une notion qui embrasse un nombre de phé-

Qoo^Q:

PRINCIPES céNÉllAtX. 5

nomènes particuliers aussi grand que possible, en donnant sur chacun d'eux le plus de renseignements précis possible. Le contenu des notions a pour expression les lois naturelles»

L'espace et le temps. — Une des premières connaissances que nous acquérions est celle de ralternance du jour et de la nuit. Cette alternance de la clarté et de Tobscurité, qui se reproduit régulièrement dans le milieu où nous vivons, a amené Thomme à une notion fondamentale, celle du temps. Étant absolument indépendante de notre volonté, elle nous sert de mesure objective pour les phénomènes, et nous rapportons les événements aux signes et aux points de repère que nous fournit la succession alternée des jours et des nuits.

Cette mesure se trouvant trop grande pour beaucoup de phénomènes, on r.a divisée en parties plus petites. Le j^ de la période diurne sert d'unité sous le nom d'Aewre, pour les besoins de la vie pratique. Pour les besoins scientifiques on emploie comme unité, sous le nom de seconde^ le j^ de l'heure, autrement dit le -gëTôô ^^ ^^ période diurne totale.

D'autre part, l'expérience nous montre qu'une multiplicité innom-\ brable de choses diverses peut exister à la fois dans le même temps, f* Cette pluralité a donné lieu au concept à^espace. On entend par espace le milieu commun et homogène qui sert à ranger et à voir d'un seul coup les choses simultanément données.

La multiplicité qu'on appelle espace est triple et présente les trois dimensions : longueur, largeur et hauteur; les mesures spatiales ont lieu suivant une dimension (lignes ou longueurs), ou suivant deux (surfaces), ou enfin suivant trois (volumes).

On emploie comme unité de longueur la longueur d'une règle de platine qui est conservée à Paris. Elle mesure à peu près le 40000000 du méridien terrestre, et primitivement elle était censée le mesurer exactement. Mais, comme on est eji état de comparer deux étalons de cette longueur avec bien plus de précision que n'en comporte l'éyaluation du rapport de l'un d'entre eux au méridien terrestre, on a, avec raison, abandonné ce point de vue, établi un grand nombre d'étalons semblables, et comparé soigneusement ces étalons avec l'étalon primitif.

On conserve ces étalons en différents lieux de la terre, de sorte que si par quelque hasard l'un d'entre eux était anéanti, l'unité ne serait pas perdue pour cela.

Cette unité s'appelle mè/re; elle vaut un peu plus que la moitié

Qoo^Q:

de la hauteur d'un homme adulte de taille moyenne. Pour l'usage scientifique on divise le mètre en centièmes, qui sont dénommés centimètres et s'écrivent en abrégé cm. Les subdivisions en décimètres (lo pour 1 mètre) et millimètres (looo pour i mètre) ne sont pas en usage dans la science. Quand les grandeurs à exprimer sont beaucoup plus grandes ou plus petites que le centimètre, on les écrit sous la forme m x lo"*^"*. Les exposants le plus souvent utilisés sont -}- 5 et — 4- La longueur de looooo*^™, autrement dit lo**", est ce qu'on appelle un kilomètre, La longueur de lo"**^*" s'appelle un micron; elle vaut un millième de millimètre et elle est à la limite des longueurs qu'on peut distinguer au microscope. On la désigne encore par le caractère grec [jl.

Les unités de surface et de volume se déduisent de l'unité de longueur : on prend pour unité de surface un carré de i*^"* de coté, pour unité de volume un cube de i*^" d'arête. î^a première s'appelle ce/itimètre carré (en abrégé cm^), la seconde s'appelle ce/i^imé^re cube (en abrégé cm'). Dans les usages purement scientifiques on se tient strictement à ces unités; pour les besoins de la vie quotidienne, et même dans les recherches scientifiques, on se sert souvent du litre (en abrégé 1) comme unité de volume ; le litre contient looo*^"* et est égal à un cube de lo*^"* d'arête (*).

Corps et matières. — On reconnaît facilement que dans le monde extérieur certains objets ont une délimitation, une forme déterminée : ils se distinguent par leurs propriétés du milieu environnant. Nous appelons ces objets des corps ; chaque corps est caractérisé par les propriétés grâce auxquelles on peut le distinguer de son milieu.

Représentons-nous un grand nombre de corps différents placés les uns à côté des autres, prêts à être comparés ; nous pouvons étudier leurs rapports à différents points de vue. On peut les considérer suivant leur grandeur et leur forme, et les classer d'après ces propriétés spéciales. Mais on peut aussi faire abstraction de ces propriétés et prendre en considération les autres caractères.

Quand on fait abstraction de la grandeur et de la forme, et qujon

(*) La déduction des unités de surface et de volume à Taide du carré et du cube n'est nullement un procédé unique ou nécessaire. On pourrait, par exemple, prendre pour unités le triangle et le tétraèdre d'un centimètre de côté, ou le cercle et la sphère d'un centimètre de rayon ou de diamètre. Mais le choix du carré et du cube est le plus pratique, parce que ce sont ces mesures qui permettent le plus aisément d'évaluer la valeur des surfaces et volumes à l'aide de grandeurs linéaires déjà connues.

Qoo^Q:

range les corps en mettant dans la même catégorie ceux qui se ressemblent par leurs autres propriétés, on appelle les corps du nom de matières. La lime, le couteau, le foret et les divers autres objets d'un établi sont autant de corps distincts. Mais si on laisse de côté leur forme, et qu'on les considère au point de vue de leurs propriétés indépendantes de la forme, on les trouvera semblables, car ils sont tous faits du même produit dur, lourd et résistant que Ton appelle acier. L'acier est la matière dont sont faits les corps en question.

De même, tout le monde donnera le nom de soufre à ces fragments jaunes, friables, brûlant avec une flamme bleu pâle, dont nous avons parlé, qu'ils soient grands ou petits, de forme régulière ou irrégulière. Le mot soufre est le nom d'une matière.

Le fait que la langue possède un assez grand nombre de noms désignant des matières différentes répond à une expérience générale, à une loi de la nature. Comme les animaux et les plantes, les divers corps inanimés se classent en espèces déterminées, dont chacune comprend un très grand nombre d'êtres particuliers, d'individus de propriétés concordantes. Pour les animaux et les plantes, le nombre des espèces est, comme on le sait, très grand, mais incomparablement plus petit que celui des individus. De même, le nombre des matières à propriétés distinctes est très grand, mais plus petit sans comparaison que celui des corps particuliers.

Le même fait d'expérience peut encore être exprimé de la façon suivante : les corps ne présentent pas toutes les combinaisons de propriétés imaginables, mais seulement certaines combinaisons déterminées. Chaque combinaison de propriétés réalisée dans la nature définit une matière déterminée; et ce fait que les corps existants peuvent être ainsi rangés en classes ou espèces, exprime une loi naturelle importante, la loi fondamentale de la chimie. Connaître les diverses matières dans leurs propriétés et leurs rapports réciproques, tel esl Fobjet de la chimie en tant que science.

Les propriétés. — Ce que nous avons appelé propriétés d'une matière déterminée peut comprendre des éléments très divers. Puisque le concept de matière ne tient pas compte des différences de quantité et de forme, la quantité et la forme ne peuvent être considérées comme des propriétés de la matière ; ce sont des propriétés qui appartiennent à un corps déterminé (* ), mais non à une matière,

( ' ) L'emploi malheureusement très répandu d'expressions peu rigoureuses fait que, dans beaucoup de traités et d'ouvrages scientifiques, les deux notions de corps

Comme propriétés qui au contraire appartiennent à une matière, il y a la couleur, la densité, Tindice de réfraction, la conductibilité électrique et beaucoup d'autres. Ces propriétés se rencontrent toujours dans une matière déterminée sous un mode et a\ec une valeur déterminés; nous les appellerons à l'avenir /7ro/?r/^^e5 tout court.

A côté d'elles il est encore d'autres particularités que peut présenter un corps donné, fait de la matière considérée; ce sont par exemple la température, la charge électrique, la pression, Téclairement, etc. Nous appellerons ces particularités non pas propriétés, mais états de la matière. Elles se distinguent des propriétés au sens strict en ce qu'elles peuvent être arbitrairement introduites ou luodiliées dans le corps donné sans que la matière devienne autre; les propriétés au contraire restent présentes tant que la matière subsiste.

Les propriétés optiques d'une matière, savoir sa couleur et son éclat, c'est-à-dire la façon dont elle renvoie la lumière, sont accessibles à l'observation immédiate. Je vois au premier coup d'oeil que mon morceau de soufre est jaune et qu'il renvoie modérément la lumière qui frappe sa surface.

Au contraire, le fait que la densité du soufre est plus grande que celle de l'eau m'apparait seulement quand je mets le morceau de soufre dans l'eau et que j'observe s'il Hotte ou s'il s'enfonce; de ce qu'il s'enfonce, je conclus que le soufre est plus dense. Dans quelle proportion est-il plus dense? C'est ce que j'apprends seulement par une expérience de mesure.

Il en est de même des autres propriétés du soufre : pour les déterminer il faut toujours instituer une expérience. C'est-à-dire qu'il faut placer la matière dans certaines conditions, différentes des conditions habituelles, et déterminer la façon dont elle s'y comporte. J'apprends par exemple que le soufre ne conduit pas l'électricité en louchant avec un morceau de soufre un électroscope chargé, et en constatant que les feuilles d'or ne retombent pas; ou bien je relie une pile avec une sonnette électrique en intercalant un morceau de soufre dans ce circuit, et je constate que la sonnerie ne retentit pas. J'apprends de plus qu'à une température peu élevée le soufre fond

(ît de matière ne se trouvent pas aettement distinguées; on les confond au contraire si bien qu'on emploie souvent le mot corps là où l'on voudrait dire matière,On trouve très souvent des expressions comme: le soufre est un corps jaune et friable, etc., alors qu'il faudrait le mot matière. Dans le présent traité la distinction entre les deux notions sera maintenue avec rigueur, et il est à souhaiter que, d'une façon générale, la langue scientifique devienne plus fixe à cet égard.

PRINCIPES GKNKR AUX. 9

(c'esl-à-dire qu'il passe à l'état liquide), en faisant chauffer dans un lube à essai un morceau de soufre.

Cette dernière expérience, celle de la fusion du soufre, nous sert de transition pour arriver k une autre série de propriétés, qui ont ceci de caractéristique que par elles la constitution même de la malière se modifie, ce qui n'arrivait pas dans les premières expériences.

La faculté qu'a le soufre de s'enflammer, quand il est chauffé au contact de l'air, est une propriété de ce genre. Mélangeons un peu de soufre avec du fer pulvérisé; mettons le mélange dans une éprouvette, c'est-à-dire un petit lube de verre à paroi mince, fermé en bas, et chauffons; brusquement il se reproduit une flamme; après refroidissement, le soufre, ainsi d'ailleurs que le fer, a disparu, et à sa place s'est formée une matière noire, douée de propriétés toutes différentes.

Ces phénomènes, dans lesquels certaines matières disparaissent et d'autres apparaissent, sont ceux que nous avons déjà distingués, sous le nom de chimiques, des phénomènes physiques au cours des- <|uels les matières subsistent. Nous distinguerons donc les propriétés d'une matière donnée en physiques et chimiques. Les premières s'observent quand la matière reste invariable ; les dernières se manifestant quand des matières se transforment en d'autres matières.

On demande souvent si des phénomènes comme la fusion par échauffement, ou la dissolution dans un liquide approprié, doivent être considérés comme chimiques ou comme physiques. Rien d'essentiel ne dépend de la solution qu'on donne à ce problème; manifestement, il n'a d'importance qu'au point de vue de la classification théorique, toujours plus ou moins arbitraire. Aussi est-il inutile de discuter à ce sujet. Si nous nous tenons à la définition donnée plus haut, nous reconnaîtrons que le soufre, avec ses propriétés, disparaît en effet quand, par la chaleur ou l'action d'un dissolvant, nous le faisons passer à l'état fluide, et que, par conséquent, il subit une transformation chimique.

Comme il est très facile de faire revenir le soufre à son état solide avec toutes les propriétés correspondantes (soit par refroidissement, soit par évaporation du dissolvant), beaucoup de savants ont considéré ces modifications comme physiques. Mais, d'une manière générale, quand une matière a été chimiquement transformée, il est également possible de la faire revenir de son état nouveau à l'état primitif, par des méthodes qui, à vrai dire, sont souvent compliquées. Il vaudra donc mieux en somme ranger les modifications en question parmi les phénomènes chimiques.

Qoo^Q:

Matières homogènes et mélanges. — Dans la vie courante on se sert, pour caractériser une matière, de ses propriétés immédiatement sensibles, qui ne permettent d'apprécier que les différences grossières.

Au contraire, la chimie a le devoir de déterminer avec la plus grande précision pos^sible toutes les propriétés qui peuvent servir à caractériser une matière; mais une telle détermination n'est possible que si chaque partie de la matière présente exactement les mêmes propriétés que n'importe quelle autre partie. Si nous considérons par exemple un morceau de granit, nous nous apercevons aisément que cette roche se compose de parties douées de propriétés dissemblables. A côté de grains blancs et très durs il s'en trouve d'autres moins durs et de couleur rougeâtre; entre les deux il y a de plus des feuillets brillants cl de couleur plutôt blanche. En déterminant les propriétés d'un corps de ce genre, on obtiendrait des résultats différents selon le fragment que l'on soumettrait aux recherches.

Nous ne considérerons donc pas le granit comme une matière au sens chimique de ce terme ; c'est au contraire un mélange de diçerses matières. Un caractère indispensable de toute matière au sens chimique du mot sera qu'elle présente les mêmes propriétés dans toutes ' ses parties séparables. De telles matières à parties semblables portent le nom à^ homogènes, et la chimie est par conséquent la science des matières homogènes. Si simple que paraisse cette notion, il a fallu une longue période, qui compte des centaines d'années, pour qu'elle ' pût se constituer et qu'elle prît une clarté suffisante; et l'on peut dire ^ Ique l'histoire ancienne de la chimie en tant que science, est l'hisitoire des efforts accomplis pour dégager et établir cette idée. L'obstacle essentiel au progrès était qu'on ne distinguait pas suffisamjment les mélanges des matières homogènes, et que, par suite, on passait à côté des lois qui s'appliquent à ces matières, mais non aux I mélanges.

Degré de rigueur de la loi des propriétés. — Le fait que le soufre est plus dense que l'eau et le fait qu'il fond si on le chauffe modérément deviennent bien plus précis quand on peut dire de combien la densité du soufre est plus grande que celle de l'eau, et à quelle température a lieu la fusion du soufre.

D'une manière analogue beaucoup d'autres propriétés des matières homogènes, notamment des propriétés physiques, peuvent être exprimées par des mesures. Il y a lieu de se demander quels rapports on

Qoo^Q:

PRINCIPES GÉNÉRAUX. Il

trouve entre des échantillons distincts d'une même matière en soumettant leurs propriétés à la mesure.

On pourrait penser qu'il existe entre eux une simple analogie, comme cela a lieu pour les espèces animales ou végétales. Les différents représentants d'une espèce, par exemple de celle de la souris, sont analogues en grandeur, en pelage, en couleur, en forme, etc., mais ils ne sont pas parfaitement concordants; au contraire, ils se distinguent les uns des autres, quant à leurs propriétés, entre de certaines limites. On pourrait supposer que de même les propriétés de divers échantillons d'une certaine matière présentent des valeurs voisines, mais que ces valeurs ne sont pas absolument déterminées, qu'elles oscillent entre de certaines limites.

Les innombrables recherches entreprises à ce sujet ont montré que la formule qui exprime les propriétés d'une matière est valable non d'une façon approchée, mais en toute rigueur; et qu'ainsi tes propriétés mesurables de divers échantillons de la même matière concordent d^une manière non pas approximative, mais exacte. Il faut faire remarquer tout de suite qu'on ne peut attribuera cette loi une \2\e\iv absolue. L'absolu ne peut être objet d'expérience, et, d'une manière générale, il n'est pas légitime d'employer le mot absolu au sujet d'aucune relation expérimentale. Le vrai sens de la formule est que les expériences exécutées jusqu'à présent n'ont pas manifesté d'écarts qui soient en dehors des limites des fautes d'observation possibles. Car une mesure quelconque n'est pas précise au delà d'une certaine limite, et toutes les conclusions qu'on peut tirer des mesures ne sont valables que jusqu'à cette limite. Ainsi l'on ne peut mesurer la densité du soufre qu'avec une précision limitée, et quand on l'a trouvée égale pour différents morceaux de soufre, l'égalité n'est certaine que jusqu'à cette limite. Le sens de cette formule : les propriétés de tout échantillon dUine même matière sont identiques, est seulement que, jusqu'aux limites d'erreur atteintes, il n'a pas été constaté de divergences de propriétés.

Il convient d'exprimer le degré de précision avec lequel est connue une quantité en fractions de cette quantité, et non en nombres absolus. Si dans la mesure d'une ligne l'erreur possible est de o*^", i , cela représente une précision grande ou faible, selon que la ligne est longue ou courte. Si l'on mesure une longueur de 20" à o*^"*, i près, la mesure est très précise, car l'erreur s'élève à âôïïïïô' ^" plus, de la vdeur totale. Au contraire, si avec la même limite d'erreur on mesure une ligne de 3*=", la mesure est peu précise, car l'erreur peut s'élever au -^ de la valeur mesurée.

Matières pures et solutions. — On pourrait faire à la loi qui vient d'être énoncée l'objection suivante : la matière qu'on désigne sous le nom d'ecrw, par exemple, a bien d'ordinaire, en gros et au total, les mêmes propriétés; cependant ses différentes espèces : eau de source, de pluie, de rivière, de mer, présentent des différences de propriétés manifestes. En réalité, ces différences ne doivent pas être attribuées à l'eau elle-même, mais à d'autres matières qui se sont ajoutées à l'eau et proviennent du milieu où elle se trouve. In procédé simple permet de séparer l'eau de ces éléments additionnels. Si en chauffant ces différentes espèces d'eau, on les transforme en vapeur et que par refroidissement on ramène cette vapeur à l'état d'eau liquide, on obtient dans tous les cas de l'eau pure à propriétés pleinement concordantes. Quant aux « impuretés », elles demeurent dans les récipients d'où l'on a fait évaporer l'eau.

Toutes les autres matières dont s'occupe la chimie se comportent d'une façon analogue. Par un traitement convenable, qui varie selon la nature de la matière, on arrive à les débarrasser des éléments étrangers, et alors elles présentent, quelle que soit leur provenance, drs propriétés parfaitement semblables.

Entre le cas cité plus haut des mélanges mécaniques, comme le granit, et celui de l'eau impure, il existe une différence importante. En ce qui concerne le granit, les éléments du mélange peuvent être distingués à l'œil nu; dans d'autres mélanges qui paraissent homogènes à l'œil non muni d'instruments, on distingue au microscope les parties constituantes. Au contraire, dans l'eau impure, telle que par exemple l'eau de nier quand elle est propre, il est impossible d'apercevoir l'impureté; le microscope le plus fort ne nous fait voir ici que de l'eau transparente, et il n'est pas de moyen qui nous permette d'apercevoir des parties distinctes. L'eau de mer est donc une matière homogène; ce n'est cependant pas une matière une au sens chimique du mot. Car, par le procédé simple cité plus haut de l'évaporation, on divise l'eau de mer en eau pure et en sel. Cette eau a exactement les mêmes propriétés que n'importe quelle autre eau pure.

I Aux matières qui paraissent homogènes, mais qui ne sont pas unes ou pures au sens que nous venons d'expliquer, on donne le nom de

I solutions. Elles se distinguent des matières pures avant tout en ce (pie Jeurs propriétés, tout en restant très analogues d'un cas à un autre, présententcependantdesdifférences mesurables. Ces différences peuvent prendre toutes les valeurs possibles entre certaines limites, et par là les solutions peuvent être distinguées des matières unes. On

PRINCIPES GéNÉR4UX. l3

peut préparer les solutions en mélangeant aux matières pures d'autres matières dans des proportions arbitraires (entre certaines limites), et leurs propriétés changent d'une façon continue avec les proportions du mélange.

D'autres différences apparaîtront quand nous expliquerons les lois auxquelles sont soumises les matières unes, ou matières au sens chimique du mot.

Combien faut-il de propriétés pour caractériser une matière? — Comme le nombre des propriétés distinctes appartenant à une matière donnée est très grand, et comme, d'autre part, deux choses ne sont de même matière qu'à la condition de concorder complètement dans toutes leurs propriétés, ilsemblerait impossible d'établir si deux corps sont de la même matière. Cependant d'habitude les chimistes reconnaissent les matières d'un façon sûre par l'épreuve d'un petit nombre de propriétés.

La loi fondamentale de la chimie, qui a été énoncée plus haut (p. 7), permet de résoudre cette difficulté. Dans son application à la question présente cette loi peut s'énoncer ainsi : Quand deux 1 matières sont parfaitement concordantes dans quelques-unes de L leurs propriétés, elles concordent aussi par rapport à toutes les \ autres, -^ <

Cette loi, comme toutes les lois de la nature, ne fait que résumer des faits d'observation. Elle n'ordonne pas que les choses se passent d'une certaine façon, elle expose seulement comment les choses se passent. Aussi le terme de loi, emprunté à la langue juridique, n'exprime-t-il pas d'une manière tout à fait juste les relations régulières qu'on observe dans les phénomènes naturels; et pour l'employer sans inconvénient, il faut s'être rendu compte une fois pour toutes de la différence que nous venons de signaler entre une loi naturelle et une loi juridique.

L'induction. — L'ensemble des cas particuliers qui rentrent dans une loi naturelle se divise évidemment en deux parties : une petite, celle des cas vérifiés, et une très grande, dans laquelle rentrent les cas qui n'ont pas été soumis à la vérification. On ne peut entreprendre, en effet, de vérifier une loi d'une manière générale dans tous les cas auxquels elle s'applique; le travail serait trop grand.

Pratiquement, le besoin d'une semblable vérification totale ne se fait pas sentir : car, du fait que la loi s'est montrée exacte dans tous les cas soumis à l'observation, on peut conclure avec un haut degré de vraisemblance qu'elle se vérifiera également dans tous les cas à

Qoo^Q:

l{ CHAPITRE I.

venir. La vraisemblance est d'autant plus grande qu'un plus grand nombre de cas ont été examinés, et que ces cas choisis pour la vérification étaient plus indépendants les uns des autres.

Quand il existe un certain degré de probabilité en faveur de la généralité d'une relation, on considère cette relation comme une loi naturelle. Une semblable loi, établie comme nous venons de le dire, ne peut présenter un caractère de nécessité; et il est toujours possible qu'après un grand nombre de cas qui la confirment on en trouve d'autres qui ne se concilient pas avec elle. Nous expliquerons plus tard comment il faut procéder en présence de cas de ce genre. Dès à présent qu'il soit entendu que toutes les lois naturelles sont des conclusions probables tirées de l'expérience.

De telles conclusions sont des inductions, et l'acte par lequel on les établit se nomme l* induction. L'ensemble des sciences de la nature est fait d'inductions de ce genre.

On a parfois senti le besoin d'établir les lois naturelles sur un fondement plus indubitable que le raisonnement par analogie sur des faits expérimentaux, qui ne fournit pas de garanties contre la possibilité de cas contraires à la loi. Cependant ce terrain est encore le plus sûr que l'on puisse trouver, car le recours perpétuel à Texpérience protège le savant contre le danger de mettre à la place des faits des êtres d'imagination qui peuvent être en eux-mêmes rigoureusement cohérents, mais qui risquent de différer des choses réelles. Les sciences de la nature ont pour tache d'établir non les relations possibles, mais les relations réelles, et elles ne peuvent remplir cette tâche que par un contact immédiat et ininterrompu avec l'expérience.

Caractères distinctifs des matières. — Les différentes sortes de propriétés qu'on peut mesurer ou observer dans une matière sont en très grand nombre et deviennent de plus en plus nombreuses à mesure des progrès de la science. Quoique la chimie doive étudier toutes les propriétés qui peuvent être constatées dans une matière quelconque, il existe naturellement entre les propriétés des différences d'intérêt et d'importance. En particulier pour introduire l'étudiant dans la science, il est indispensable de limiter l'objet de l'étude.

Nous ne considérerons donc en détail qu'un petit nombre de propriétés, juste autant qu'il en faut pour caractériser d'une manière suffisante les diverses matières, et faire comprendre les rapports qu'elles ont entre elles.

Qoo^Qi

La couleur. — La plus manifeste et la plus facile à observer des propriétés d'une matière est sa couleur. Aussi la couleur constiluet-elle un caractère important, qui figure dans toute description.

La couleur d'un corps résulte de ce que la lumière blanche qui tombe sur lui, et dans laquelle nous Fobservons, en partie est absorbée et en partie le traverse. L'absorption a lieu surtout pour des rayons d'une certaine longueur d'onde, autrement dit d'une certaine couleur, et la lumière qui a traversé est par suite appauvrie en rayons de ce genre. La couleur qui se produit quand on retranche de la lumière blanche certaines radiations s'appelle couleur complémentaire de ces radiations, et les couleurs se correspondent de la

façon suivante :

Rouge Vert,

Orangé Bleu,

Jaune Violet.

Quand une de ces six couleurs est absorbée, la couleur complémentaire qui lui fait face dans le tableau ci-dessus apparaît. La relation est réciproque : si une matière absorbe la lumière bleue, elle paraît de couleur orangée; si elle absorbe la lumière orangée, elle paraît bleue.

Les couleurs citées ne représentent que les grandes subdivisions; en réalité, il existe une multitude indéterminée de couleurs deux à deux complémentaires.

La quantité de lumière absorbée croissant avec l'épaisseur de la couche traversée par les rayons lumineux, l'intensité de la couleur qu'une matière présente dépend des conditions suivant lesquelles elle est pénétrée par la lumière. Elle paraît d'autant plus faiblement colorée qu'elle est en couches plus minces.

Il est facile de rendre ce phénomène manifeste, en mettant un fluide coloré dans un récipient de verre en forme de coin (Jig- 1).

Si l'on place ce récipient à la lumière, on constate que l'intensité de la couleur croît avec l'épaisseur de la couche; de plus, dans un grand nomblie de cas, la couleur change de caractère avec l'épaisseur.

Une mince couche d'une solution d'alun de chrome paraît verte; une couche épaisse que l'on fait traverser par de la lumière blanche paraît rouge. •

L'épaisseur d'une couche de liquide ou de gaz est déterminée par la forme des récipients; dans les corps soUdes,\\x contraire, l'épais-

Qoo^Q:

l6 CHAPITRE I.

seur dépend de la grandeur des fragments de matière. La lumière pénètre dans le corps, puis, après avoir été réfléchie sur une surface plus reculée, sort du corps suivant une direction difl'érente de la direction d'entrée. Si l'on considère un certain nombre de fragments . placés les uns par-dessus les autres, leur couleur totale correspondra à peu près à la coloration que prend la lumière en passant à travers une I lame dont l'épaisseur est égale au double du diamètre d'un fragment.

De là vient que les matières colorées qui laissent passer la lumière paraissent d'autant plus claires qu'elles sont divisées en plus petits fi-agments; et il faut tenir compte de ce fait quand on a à définir la couleur d'une matière.

Un cristal de sulfate de cuivre est de couleur bleu sombre; en le pulvérisant dans un mortier on le rend d'autant plus clair que la |K)udre est plus fine. Les cristaui^ rouges du bichromate de potassium deviennent jaunes par pulvérisation.

A part la lumière qui vient de l'intérieur des corps, modifiée par une absorption partielle, l'œil perçoit encore la lumière directement réfléchie par les surfaces extérieures. Celte part de la lumière totale est plus ou moins grande selon les matières; elle est faible dans les corps transparents et très considérable chez les métaux. C'est d'elle (|ue dépend V éclat. Elle n'a pas grande importance au point de vue chimique, si ce n'est qu'on s'en sert, comme d'une propriété très frappante, pour caractériser les métaux qui réfléchissent très fortement la lumière.

Les modes de la matière. — Une autre propriété très importante des matières est la façon dont elles occupent l'espace. On divise les corps en gazeux, liquides et solides, et les difl*érences auxquelles ces termes correspondent sont désignées sous le nom d^états moléculaires. Cette expression, quoique très répandue, n'est guère appropriée, car elle présente deux défauts. Le premier, qui est le moins important, réside dans sa longueur. Le second, et le plus grave, c'est qu'elle suppose admise une conception de la constitution des ( orps qui n'est pas un résultat de l'expérience, mais une simple hypothèse. Cette hypothèse consiste à croire que les corps sont composés d'éléments très petits, nommés molécules, et que du mode d'assemblage ou « agrégation » dépendent les propriétés des diflerents états : solide, liquide et gazeux.

Que la probabilité en faveur de cette hypothèse soit grande ou petite, il est en tout cas inutile d'introduire dans l'exposé des faits d'expérience un élément aussi incertain. La science peut prendre n'im-

Qoo^Q:

porte quelle position par rapport à cette hypothèse ; les propriétés expérimentales des corps solides, liquides et gazeux resteront les mêmes, qu'elle soit vraie ou qu'elle soit fausse.

Pour cette raison, on emploiera dans ce livre une autre dénomination, indépendante de toute supposition. On appellera les trois états les modes de la matière. Le mot mode désigne donc la même chose que l'expression état moléculaire {on état d'agrégation), et la brièveté relative du terme nouveau constitue un avantage appréciable. Les trois modes se rapportent aux différentes façons dont les corps occupent l'espace. Un corps solide a une forme déterminée, et, par suite, il a aussi un volume déterminé.

Un corps liquide n'a pas de forme déterminée, mais il a un volume déterminé. 11 ne remplit le récipient qui le contient que dans la mesure de ce volume. Sous l'action de la pesanteur, la surface des liquides, sauf au voisinage de parois solides, prend approximativement la forme d'un plan horizontal.

Les gaz n'ont ni forme ni volume propre. Ils remplissent intégralement tout récipient qui leur est offert.

Toutes ces relations sont soumises à d'autres lois spéciales qui seront expliquées en leur lieu et place.

Il est ordinairement facile de déterminer, à l'aide des caractères qui viennent d'être exposés, si un corps est solide, liquide ou gazeux. Si un corps, étant posé sur une surface plane, conserve sa forme, c'est un solide; s'il se répand sur cette surface en formant en haut une surface de niveau, c'est un liquide; si, en aucun sens, il ne présente de limite propre, c'est un gaz. Il existe entre ces trois modes des états de transition qui rendent la détermination quelquefois difficile, mais ces états ne se présentent pas d'une manière fréquente, de sorte que, pour le moment, on peut se dispenser de les considérer de plus près. Un corps ne conserve pas dans toutes les circonstances Tétai qu'il présente à un moment donné. En particulier, le mode dépend de la température. A ce sujet, il existe une loi générale : c'est que la température s'élevant, un corps solide peut devenir liquide ou gazeux, et un corps liquide peut devenir gazeux, mais que les transformations n'ont jamais lieu en sens inverse. L'abaissement de la température, au contraire, fait que des corps gazeux donnent des liquides ou des solides, et que les liquides donnent des solides.

L'ordre de transformation est invariable dans le sens qui vient d'être indiqué, mais l'état liquide n'est pas un intermédiaire indispensable entre l'état gazeux et l'état solide. Au contraire, il n'est pas rare que des solides, par élévation de température, passent dlrecte-

Qoo^Q:

l8 CHAPITRE I.— PRINCIPES GÉNÉRAUX.

ment à Fétat gazeux, et que des gaz, par refroidissement, deviennent directement solides. Les lois auxquelles sont soumises ces transformations seront expliquées dans la suite.

Résumé. — Nous avons achevé de développer la notion de matière. Ce mot désigne les classes dans lesquelles on peut répartir les corps inanimés d'après leurs propriétés. L'expérience nous apprend qu'il est possible de classer les corps, qu'ils soient naturels ou artificiels, de telle façon que tous les corps particuliers appartenant à une classe présentent les mêmes propriétés. Par propriétés, on entend ici seulement celles qui ne peuvent être données et reprises aux corps à volonté, mais qui, au contraire, leur sont constamment attachées et essentielles. L'expérience montre de plus que différents corps appartenant à la même classe, c'est-à-dire formés de la même matière, concordent dans leurs propriétés d'une manière non seulement approchée, mais exacte, si bien que, quand la mesure d'une propriété a été prise sur un échantillon d'une matière, on peut s'attendre à retrouver la même valeur sur tous les autres échantillons de cette matière.

[" Cette loi naturelle^ que les corps peui^ent être rangés en classes à propriétés essentielles entièrement identiques, est la loi fondamentale de la chimie.

Pour qu'un corps soit soumis à cette loi, il faut qu'il soit homogène,^ c'est-à-dire qu'il ne soit pas un assemblage mécanique de matières distinctes placées les unes à côté des autres. Dans le cas d'tin corps non homogène, la loi est valable non pour le mélange, mais pour les matières particulières dont le mélange est composé.

D'autre part, il y a des corps qui, visiblement, n'obéissent pas à cette loi, quoiqu'on ne puisse les reconnaître pour des réunions mécaniques de matières distinctes. Ces corps peuvent, par des procédés simples, être décomposés en matières manifestement soumises à la loi \^ fondamentale. Ils portent le nom de solutions. Les solutions se distinguent des matières pures en ce qu'elles peuvent être composées de deux ou de plusieurs /?ar//e5, suivant des proportions variables entre de certaines limites, et en ce que leurs propriétés se modifient d'une manière continue avec la composition.

En vertu de la loi fondamentale, les propriétés essentielles de divers échantillons d'une même matière concordent parfaitement et sont distinctes des propriétés des autres matières. Pour déterminer si deux corps sont faits de la même matière, il suffit donc en général d'établir la concordance sur un petit nombre de propriétés.

Qoo^Q:

Variations de poids dans les phénomènes chimiques. — Si, parmi les innombrables phénomènes chimiques qui se produisent chaque jour autour de nous, nous en choisissons quelques-uns pour les étudier particuhèrement, nous serons tout de suite frappés des variations quantitatives des diverses substances présentes et intéressées dans ces phénomènes. La stéarine des bougies et le pétrole des lampes, par combustion, semblent disparaître absolument; les cendres du bois ou du charbon qui brûlent dans le poêle ne représentent qu'une fraction variant entre le -^ et le ^ du poids primitif. D'autre part, le fabricant d'acide sulfurique, pour chaque kilogramme de soufre qu'il transforme, obtient environ 3^^ d'acide. Aux phénomènes chimiques sont donc liées des variations de poids, et 11 y a lieu de se demander si Ton peut arriver à quelques notions générales au sujet de ces variations.

D'après les exemples fournis à l'instant, il semblerait qu'il puisse se produire au cours des phénomènes chimiques des diminutions de poids ou des augmentations. Mais ces exemples ne peuvent nous servir à trancher la question, car dans les phénomènes cités les substances ont de libres rapports d'échange avec le milieu, en particulier avec l'air, et il est impossible d'établir un bilan exact. Pour être en état de le faire, il faut exécuter des expériences dans un espace fermé.

Expériences. — Dans un grand ballon de verre mince {^g* 2) et sur un plateau d'amiante nous avons placé une petite coupe qui contient un peu de phosphore. Le phosphore est une matière qu'on peut faire entrer en combustion en élevant très peu la température. Après avoir fermé le ballon avec un

bouchon, nous le mettons sur la balance et nous établissons l'équilibre. Puis nous chauffons le fond sur lequel le phosphore repose et immédiatement le phosphore s'enflamme. Au bout d'un certain temps il s'éteint, le ballon s'est rempli d'épaisses fumées blanches. Si, après refroidissement, nous remettons le ballon sur la balance, il ne se manifeste aucun changement de poids.

Il est nécessaire de laisser refroidir le ballon avant la pesée. Tant qu'il reste chaud, il échauffe également l'air ambiant qui, en s'élevant, soulève légèrement le récipient. Le récipient paraît alors plus léger qu'il ne l'est.

Dans les expériences de mesure il existe toujours des circonstances accessoires analogues à celle-là, et qui modifient plus ou moins les résultats. Quand on veut obtenir un résultat rigoureux, il faut connaître ces conditions secondaires, éviter leur action si c'est possible, et dans le cas contraire, les faire entrer en ligne de compte dans les conclusions. Ces circonstances accessoires constituent la difficulté essentielle des mesures précises. Ce n'est que par une longue éducation, acquise en multipliant les essais dans les conditions les plus variées, que l'on arrive à dominer ces causes d'erreurs assez complètement pour pouvoir instituer des mesures exactes. L'exécution même de la mesure est peu de chose en comparaison de cette difficulté.

Le fait ci-dessus énoncé, que la combustion dans une enceinte fermée n'amène pas de changement dans le poids total, se vérifie d'une façon universelle. Quelles que soient les matières qui brûlent et les conditions de la combustion, jamais il ne se produit de variation de poids.

Cette loi ne s'applique pas exclusivement aux combustions, elle est valable pour les phénomènes chimiques en général. Pour mettre ceci en lumière on peut instituer les expériences suivantes.

Dans un flacon conique à large orifice (un matras d'Erlenmeyer) on place une large éprouvette {Jig' 3). On prend deux matières qui, mises en contact, exercent l'une sur l'autre une action chimique, et l'on place l'une dans le flacon, l'autre dans l'éprouvette; elles se trouvent ainsi séparées. On bouche soigneusement le flacon, on en détermine le poids, puis en penchant l'appareil on fait entrer les deux matières en contact. Alors se produit le phénomène chimique, généralement avec élévation de température. Si, après

refroidissement, on porte à nouveau l'appareil sur la balance, on trouve que le poids n'a pas varié ( * ).

La figure 4 représente une autre forme qu'on peut donner à cette expérience. Elle est plus commode, mais il faut pour la réaliser faire fabriquer spécialement un récipient en verre à deux bras, tandis que les objets nécessaires pour l'expérience sous sa première forme se trouvent dans le commerce.

L'expérience devient encore plus intuitive si l'on installe deux appareils à peu près identiques comme grandeur, comme contenu et comme poids, et qu'on les mette en équilibre sur la balance, au mojen des petites surcharges nécessaires. Après cela, on provoque la réaction dans l'un des appareils.

Ce procédé présente un avantage particulier : la poussée que tous les corps reçoivent de l'air et qui abaisse leur poids de la valeur du volume d'air déplacé, est ici égale des deux côtés. Par suite, les légères variations de la densité de l'air restent sans action sur l'équilibre, les variations de poussée se produisant également des deux côtés de la balance. Dans les mesures précises de ce genre on emploie toujours cet artifice.

Si l'on veut se garantir contre les pertes possibles de matière résultant des fuites, on n'a qu'à chaufler le col du récipient jusqu'à ce que le verre devienne mou, puis à tirer sur les deux côtés de façon à donner à la portion intermédiaire la forme d'un tube étroit, et enfin, à fondre celle-ci. Alors le contenu du récipient est entièrement enfermé dans une enceinte de verre, et il n'j a plus nul danger qu'aucune portion de matière s'échappe. On appelait autrefois ce procédé \di fermeture ^termétiquej du nom d'Hermès Trismégiste, chimiste mythologique. De nos jours, on emploie l'expression : sceller à la lampe.

Conservation du poids. — L'ensemble des faits que nous venons d'exposer se résume par la loi de conser{?ation du poids. Cette loi porte que dans aucun processus chimique le poids total des matières en jeu n'est modifié, que le poids est conservé,

(' ) On peut employer pour ces expériences, de préférence en solutions concentrées, les matières suivantes, qui produisent des phénomènes chimiques se traduisant par des changements frappants : carbonate de potassium et chlorure de calcium (précipité blanc); azotate d'argent et potasse (précipité brun-noir); trichlorure d'antimoine et sulfure de sodium (précipité rouge-orangé); oxyde de zinc et acide chlorbydrique (solution claire); azotate d'argent et sulfate de fer (dépôt d'argent métallique); acide iodbydrique et iodique (production d'iode); hydrate de chloral et potasse (formation de deux liquides).

Qoo^Q:

Comme, d'autre part, on ne connaît aucun phénomène physique qui produise une variation de poids, la loi de conservation du poids a une valeur générale.

Le poids d'un corps donné est la force avec laquelle il tend à se

(rapprocher de la terre. Cette force varie avec la latitude des lieux et leur altitude au-dessus du niveau de la mer, mais ces variations ont lieu suivant la même loi pour tous les corps. Par suite, quand I deux corps ont le même poids en un lieu quelconque, cette égalité I se maintient en n'importe quel autre endroit. Les rapports de diffé- , rents poids quelconques sont donc constants et entièrement indé- / pendants du lieu.

La masse d'un corps est une quantité proportionnelle à son poids.' Des corps arbitrairement choisis, s'ils ont des poids égaux, ont aussi des masses égales, et, si leurs poids sont inégaux, ils le sont dans le même rapport que leurs masses. Comme les rapports des poids sont indépendants du lieu, dans toutes les circonstances possibFes les masses de différents corps quelconques sont dans les mêmes relations que leurs poids.

En rapprochant de cette loi celle de la conservation du poids à

[travers tous les changements, on trouve que lajnasse totale d'un système quelconque n^est modifiée par aucun des phénomènes qui ont lieu à l'intérieur de ce système, *^

On désigne souvent rensemble de ces deux lois sous le nom de loi de la conservation de la matière, en entendant par matière, quelque chose de vague à quoi sont attachées les diverses propriétés des corps. L'indétermination de cette idée de matière introduit dans la loi en question un défaut de précision qui ne lui est pas inhérent et en rend le sens plus obscur qu'il ne l'est en réalité. Aussi, nous en tiendrons-nous à l'énoncé plus rigoureux qui s'applique exclusivement au poids et à la masse.

Quelques notions mécaniques. Le travail. — La définition des notions de masse et de poids est du ressort de la physique, et nous pourrions ici la supposer connue. Nous allons cependant exposer brièvement les points les plus importants dont nous aurons à nous servir dans nos considérations chimiques.

Pour produire le déplacement d'un corps quelconque, il faut dépenser un certain effort, que nous appellerons travail. Cette dépense, ce travail dépend de la constitution du corps et du déplacement dont il s'agit. Un exemple très simple nous est fourni par les mouvements qui ont lieu dans le voisinage de la surface terrestre.

Qoo^Q:

Evaluant le travail d'après la tension de mes muscles, j'observe le résultat suivant. Pour soulever un corps donné, il me faut un travail d'autant plus grand que la hauteur à laquelle le corps doit élre élevé est plus grande. Pour soulever le corps d'abord d'une certaine hauteur, puis d'une quantité égale, et ainsi de suite, il faut chaque fois le même travail. D'autre part, le travail dépend de la nature du corps; il croit avec son poids.

En conséquence, nous définissons le travail comme une quantité proportionnelle à la hauteur h dont on élève le corps, et à son poids w. Une quantité proportionnelle à deux autres quantités est proportionnelle à leur produit. En désignant le travail par A, nous écrirons

A = wh^

en faisant égal à i le coefficient de proportionnalité.

On a quelquefois demandé si ce produit mesure réellement le travail. Cette question serait légitime si le travail était en même V ^ temps défini d'une autre manière. Mais il n'en est pas ainsi, et la J première chose à faire est de constituer la notion de travail. Nous sommes libres de donner le nom de travail à toute fonction de même genre. Aucune ne peut être déclarée vraie ou fausse ; elles présentent , seulement des degrés divers de commodité, qui se manifesteront par \ la simplicité plus ou moins grande des lois qu'elles serviront à formuler. La définition du travail que nous venons d'exposer s'est montrée de beaucoup la plus commode de toutes les définitions possibles.

Quand nous soulevons une pierre, nous lui fournissons du travail, nous introduisons en elle du travail. D'autre part, cette pierre soulevée peut en tombant fournir du travail à d'autres corps. Alors elle perd du travail et, pour la remettre à la place qu'elle occupait, il faut lui en fournir de nouveau. Nous pouvons donc considérer le travail i comme une quantité variable attachée à la pierre, et nous ferons 1 entrer en ligne de compte les gains et les pertes de travail par des ) additions et des soustractions comme n'importe quels autres gains I ou pertes. Nous appellerons positives les quantités de travail que ' gagne le corps, et négatives celles qu'il perd.

Loi de la conservation du travail. — On décrit en physique diverses machines simples, comme le levier, le plan incliné, le treuil, le moufle^ etc., qui ont pour propriété de permettre de transporter le travail d'un endroit à un autre. Quand une de ces machines est mise en action (prenons, pour fixer les idées, un levier chargé de poids),

Qoo^Q:

elle reçoit en un point du travail et fournit du travail en un autre point. L'expérience nous apprend que dans toutes ces machines, de quelque façon qu'elles soient construites, le travail fourni par la machine n'est jamais plus considérable que le travail dépensé sur elle; au contraire, ces deux quantités sont égales.

Si nous donnons le signe + au travail fourni à la machine, le signe — au travail perdu par elle, la somme de ces deux quantités est nulle pour toutes les machines.

On peut encore exprimer cette loi de la façon suivante : une quantité de travail donnée ne peut être ni augmentée ni diminuée au moyen de machines; elle se conserve égale à elle-même. 11 y a donc une loi générale de la consers^ation du travail.

La possibilité de formuler une loi aussi simple en se servant de la définition du travail donnée ci-dessus (p. 23) est la principale raison qui conduit à adopter cette définition.

En cherchant à vérifier dans les faits d'expérience la loi de la conservation du travail, nous trouvons un grand nombre de cas qui paraissent en contradiction avec elle. Sans cesse, nous pouvons observer que du travail disparaît sans qu'un autre travail se manifeste à la place.

Le travail dépensé pour remonter une horloge n'existe plus quand le poids est redescendu et il faut, pour la maintenir en marche, lui fournir de nouveau du travail.

Mais nous savons aussi qu'à cet égard les horloges sont très différentes les unes des autres. Une horloge ordinaire a besoin d'être remontée tous les jours; une meilleure horloge avec le même poids et la même longueur de chaîne, et par conséquent avec la même tjuantité de travail, marchera une semaine, et actuellement il y a dans le commerce des horloges qui marchent plus d'un an sans avoir besoin d'être remontées à nouveau. Ainsi en améliorant les mécanismes on peut réduire de plus en plus les pertes de travail, et elles tendent vers zéro si l'on imagine le perfectionnement poursuivi indéfiniment.

La loi exprimée ci-dessus ne s'applique qu'à des machines idéales^ c'est-à-dire à des machines où ne se produirait aucune perte de travail. Elle constitue donc une loi limite, dont les phénomènes réels se rapprochent sans la réaliser jamais parfaitement. On est autorisé à énoncer cette loi, quoiqu'elle ne soit jamais réalisée, par la raison que la valeur des écarts entre l'expérience et la loi peut être réduite autant qu'on le veut, et qu'ainsi ces écarts ne correspondent à rien d'essentiel; tandis que l'égalité, exprimée par la loi, entre les travaux

Qoo^Q:

LES LOIS DE CONSEaVATION. 25

reçu et fourni^ est la relation de laquelle les machines existantes peuvent se rapprocher autant qu'on le veut.

L'établissement de cette loi nous offre un exemple du procédé i d'abstraction qui a été décrit pages 4 et 5. En négligeant les écarts irréguliers et réductibles à volonté, nous arrivons à pouvoir formuler des relations simples.

La question de savoir ce que devient le tra>'ail que les machines imparfaites laissent perdre sera traitée plus loin en détail.

Énergie cinétique. — Dans les cas dont il vient d'être question, il disparaît du travail par suite de ce que l'on appelle le frottement. Mais il y a des cas dans lesquels du travail disparaît sans que l'on puisse attribuer cet effet au frottement; de plus, dans ces derniers cas, l'importance des pertes ne peut pas être diminuée à volonté. C'est ce qui arrive quand, par exemple, nous faisons tomber un corps pesant. Il perd une quantité de travail proportionnelle à la hauteur de sa chute, mais en même temps il passe à un état nouveau, puisqu'il acquiert une certaine vitesse.

Grâce à cet état, il* peut tirer de lui-même une nouvelle quantité de travail. C'est ce que montre, par exemple, le pendule : le poids, après s'être élevé à une certaine hauteur, perd du travail en redescendant suivant un arc de cercle et en même temps acquiert une certaine vitesse. Arrivé à sa position la plus basse, il la dépasse et en s'élevant gagne du travail; en même temps sa vitesse diminue, et quand elle est arrivée à zéro, le pendule a atteint de nouveau la hauteur à laquelle il se trouvait au début. Le même processus se répète indéfiniment.

Cette description, elle aussi, ne s'applique qu'au cas idéal dans lequel le frottement a disparu. En suspendant des sphères à des fils de quartz extraordinairement fins, dans une enceinte aussi vide d'air que possible, on a obtenu des pendules exécutant des milliers d'oscillations en vertu d'une seule impulsion.

On peut évidemment exprimer ces phénomènes de la manière suivante : quand le pendule descend, le travail se transforme en quelque chose d'autre, qui dans la seconde partie de l'oscillation se transforme à son tour en travail. Et même, dans le cas limite de la machine idéale, la transformation est parfaitement rigoureuse.

Comme d'autre part l'expérience nous apprend qu'il existe des transformations du travail en beaucoup d'autres choses, lesquelles inversement peuvent se transformer en travail, il est commode d'instituer pour ces diverses choses une dénomination commune. Nous

Qoo^Q:

a6 CHAPITRE II.

(désignerons par le mot énergie ce nouveau concept, sous lequel est également compris le Iravail. L'énergie est donc le travail et tout ce qui ^eut résulter du travail et se transformer en travail ^" particulier, il existe une énergie chimique, elle aussi transformable en travail.

Le corps qui, en tombant, a perdu du travail possède, en vertu de sa chute, un certain mouvement; le mouvement ne peut être produit sans dépense de travail, ou plus généralement d'énergie. 11 est convenable de donner à l'espèce particulière d'énergie ainsi engendrée le nom à^ énergie cinétique.

Le mouvement a pour mesure la vitesse. La vitesse est égale au rapport de l'espace parcouru par le corps considéré au temps employé à le parcourir. Nous avons déjà traité (p. 5) des unités qui servent à mesurer ces deux grandeurs ; ce sont le centimètre et la seconde. L'unité de vitesse est déterminée par ces unités: c'est la vitesse d'un corps qui parcourt un centimètre en une seconde. Elle correspond à peu près à la vitesse d'un scarabée qui marche.

Si dans un mouvement la longueur s est parcourue dans le temps /, la vitesse c est définie par la relation

Masse. — L'expérience la plus grossière nous apprend que des dépenses de travail égales n'impriment pas la même vitesse à des corps divers arbitrairement choisis. Si l'on dépense pour lancer une pierre un certain effort musculaire, la vitesse qu'elle prend est d'autant plus faible que la pierre est plus grosse. La vitesse ne peut donc constituer à elle seule la mesure de l'énergie cinétique, et il faut tenir compte encore d'un autre facteur qui croît avec la grandeur des corps.

Les rapports que présentent entre eux le travail, la masse et la vitesse dans la transformation du travail en énergie cinétique peuvent très bien être étudiés à l'aide de la machine d'Atwood. Cette machine consiste en deux corps, de poids égal, suspendus par un fil à une poulie très mobile. Quand on élève un des corps, l'autre s'abaisse d'une même quantité; la somme des travaux, reçu d'un côté et dépensé de l'autre, est donc égale à zéro. On fournit à l'appareil un certain travail extérieur, en plaçant de l'un des côtés une petite surcharge, qu'on retire après qu'elle est tombée d'une certaine hauteur. Par ce moyen, on établit les relations suivantes.

Si l'on appelle égales deux masses qui, sous l'influence du même

travail, prennent la même vilesse, on peut, en composant des masses égales, obtenir tous les multiples d^une masse donnée et l'on est en état de mesurer les masses. L'expérience nous apprend que, sT Ton change les masses et, par suite, les vitesses qu'engendrent des quantités de travail égales, ce ne sont pas les vitesses que l'on trouve inversement proportionnelles aux masses, mais bien les carrés des vitesses; en d'autres termes, les produits des masses par les carrés des vitesses sont égaux pour des travaux égaux ; quand les travaux varient, ces produits varient proportionnellement aux travaux.

En appelant m la masse, et c la vitesse comme ci-dessus, on a l'expression mc^ proportionnelle au travail que le corps considéré reçoit et transforme en énergie cinétique. Le travail étant désigné par la lettre A, cette relation est représentée par l'équation

A = kmc^y

dans laquelle k est un facteur qui dépend des unités adoptées.

Unités. — Nous n'avons pas encore traité de l'unité de travail ni de l'unité de masse, mais nous avons déjà défini l'unité de vitesse. Nous pouvons donc encore déterminer librement soit l'unité de masse, soit l'unité de travail.

Or il est facile, comme nous le verrons bientôt, de conserver une\ masse et de mesurer ses rapports à d'autres masses. Il est bien plus \ difficile de conserver et de mesurer une quantité de travail déter- W minée. On a donc pris le parti de déterminer arbitrairement l'unité ' de masse. C'est à quoi sert un morceau de platine qui est conservé à Paris et qui, en raison des propriétés de cette matière et du soin avec lequel on le conserve, présente toutes les garanties de fixité possibles. Comme pour l'unité de longueur, on s'est garanti contre la perte accidentelle de l'étalon en établissant un grand nombre de doubles exacts, faits de la même matière.

L'unité de masse n'est pas ce morceau de platine lui-même, dont la masse porte le nom de kilogramme, mais la millième partie de cette masse. On l'appelle gramme, et on la représente par la lettre g. Cette masse est à peu près égale à celle d'un centimètre cube d'eau à 4" centigrade.

D reste encore à fixer, dans l'équation

A = A-/WC*, la valeur du facteur k. Pour des raisons qui ne peuvent être exposées

ici, on a fait ce facteur égal à - > de sorte que Téquation est

A = - mc^.

L'unité d'énergie cinétique se trouve ainsi déterminée. Si un gramme se déplace avec une vitesse d'un centimètre par seconde ( en abrégé — j> l'énergie a pour valeur

L'unité d'énergie cinétique est donc égale au double de cette quantité d'énergie. En vertu de l'équation

A = - me*.

Vanité de travail est, de la même manière, égale au double du travail que peut produire l'énergie cinétique d'une masse de i^, qui se meut à une vitesse d'un centimètre par seconde. Cette unité s'appelle un erg.

Si nous mesurons le travail et l'énergie cinétique à l'aide des unités que nous venons d'établir, l'expérience montre que, dans la transformation du travail en énergie cinétique et dans la transformaj tion inverse, il disparaît autant d'énergie cinétique qu'il apparaît de i travail, et inversement; par conséquent la somme de ces deux quan- ! tités est constante. // existe donc une toi de conservation qui s'apî plique à ces deux formes de l- énergie considérées ensemble.

Poids et masse. — Maintenant que nous avons déterminé l'unité de travail, nous pouvons préciser les facteurs dont le travail se compose. Dans le cas d'un corps pesant se déplaçant dans la direction de sa chute, nous avons défini le travail comme le produit du poids par le chemin parcouru. Or il y a du travail à fournir, non seulement dans ce cas, mais dans beaucoup d'autres. Ces différents cas ont ceci de commun, que l'un des facteurs du tt'avail est toujours une longueur, un chemin suivant lequel doit se mouvoir le corps considéré. On désigne l'autre facteur sous l'appellation générale de force. Il existe donc une force dans tous les cas où le déplacement d'un corps ne peut être réalisé sans dépense de travail.

Comme l'unité de travail a été précédemment fixée, et que l'unité de chemin parcouru est l'unité de longueur, c'est-à-dire le centimètre, nous n'avons aucune liberté dans le choix de l'unité de force;

Qoo^Q:

ce sera la force qui, pour un déplacemeat d'une unité, fournit un travail égal à Turiité, autrement dit à un erg.

A l'aide de cette définition, nous pouvons évaluer la force de la pesanteur. Comme nous l'avons signalé, elle varie avec les lieux; sous une latitude moyenne, sa valeur est telle qu'un gramme, en tombant d'un centimètre, prend la vitesse de 44*^"? 26 par seconde. Si l'on appelle j le poids de cette masse de i*, le travail fourni quand cette masse descend d'un centimètre est égal à y x 1 ; d'autre part, il doit être égal à l'énergie cinétique produite; on a donc

i X IX 44,3» = 980.

L'intensité de la pesanteur est donc 980; elle vaut ainsi à peu près mille fois l'unité de force.

Il existe entre le poids et la vitesse des corps une relation très remarquable ; elle se manifeste, au point de vue expérimental, par ce fait bien connu que tous les corps, grands et petits, tombent égale-j ment vite. A la vérité ce n'est là qu'une loi limite, car elle ne se vérifie que si l'on supprime la résistance de l'air. Cette condition peut d'ailleurs être réalisée expérimentalement avec une très grande approximation.

Nous avons vu, d'autre part, que le carré de la ^vitesse que prend un corps auquel on fournit un certain travail est inversement proportionnel à la masse mise en mouvement (p. 27). Si donc deux masses différentes, tombant d'une même hauteur, prennent la même vitesse, comme cela arrive dans la chute libre, il faut pour cela que les travaux soient dans le même rapport que les masses. Et, comme les hauteurs sont les mêmes dans les deux cas, il s'ensuit que les forces doivent être dans le même rapport que les masses. Or, dans le cas présent, les forces sont ce que nous appelons les poids; par conséquent fe^^oiV/^ des corps pesants sont entre eux comme leurs masses.

En langage mathématique, nous avons les relations suivantes. Soient /ni et m2 les deux masses; l'expérience nous apprend que lorsqu'elles tombent de hauteurs égales 5, elles prennent la même vitesse c. Si iv^ et iVa sont les poids respectifs des deux corps, les travaux qui, dans les deux cas, se transforment en énergie cinétique sont respectivement iVtS et tv^^; les quantités correspondantes d'énergie cinétique sont

//îiC* et

- /7iiC\

3o CHAPITRE 11.

Des deux équations

WiS = - rtiic* et Wj*» = - mjc*,

on tire, par division,

f II ne l de soi ;

' n'a pas

ce qui est la proposition que nous venons d'énoncer.

Il ne faut pas croire que cette relation soit évidente, qu'elle aille au contraire, elle n'est même pas expliquée, c'est-à-dire qu'on pas encore compris à quoi tient cette singulière proportionnalité. Elle constitue une relation constante entre deux quantités absolument différentes. La masse n'a avec le poids aucun rapport direct, puisqu'elle ne fait que mesurer la quantité d'énergie cinétique que conlient un corps dont la vitesse est donnée (p. 26). Au contraire, les poids sont les forces en vertu desquelles les corps tendent à se rap- Iprocher de la terre, et qui rentrent comme cas particulier dans la loi /de la gravitation universelle.

f La balance. — En raison de la proportionnalité des masses et des poids, nous pouvons mesurer les unes par les autres. Si nous choi-

(sissons l'unité de poids de telle manière qu'elle soit égale au poids que possède l'unité de masse, la mesure du poids nous donnera immédiatement la valeur de la masse. C'est ce qui aura lieu si nous adoptons, ainsi qu'on le fait généralement, le poids d'un gramme comme unité de poids.

Outre le gramme, on emploie aussi ses multiples et sous-multiples. Les plus employés sont le kilogramme, qui vaut iooo« ('0')^, et le milligramme qui est égal à (io~')6. Les autres (décagramme = 10*, hectogramme = loo'î, décigramme =0^,1, centigramme =0^,01) ne servent que rarement et devraient être complètement exclus de l'usage scientifique.

Il n'est pas d'un intérêt capital pour le chimiste de savoir combien le corps qu'il considère possède d'énergie cinétique pour une vitesse donnée (masse), ni de savoir quelle action il exerce sur ses supports (poids). Il est donc nécessaire d'expliquer pour quelle raison la balance peut être à bon droit considérée comme le plus important instrument de la chimie théorique.

Quand nous achetons des matières dont l'utilité est d'ordre chimique, par exemple du charbon ou des aliments, nous les payons proportionnellement au poids. Cependant, ni la masse, ni le poids

Fis

de ces objets n'ont pour nous d'intérêt direct. La raison décisive de notre manière d'agir est que la valeur chimique de ces produits, leur valeur alimentaire ou la quantité de chaleur qu'on en peut tirer, est proportionnelle à la masse et au poids. La masse et le poids nous fournissent donc une mesure de la quantité d'effet chimique que les corps peuvent fournir, et c'est le poids que nous déterminons pour connaître cette quantité.

Nous verrons plus tard quelles formes prend ce fait général dans les différents cas particuliers.

La balance du chimiste {Jig» 5) est un levier à deux bras égaux. Pour peser, on fait agir le corps considéré sur une des extrémités du levier, et à l'autre extrémité on fait agir des poids connus qu'on fait varier jusqu'à ce que l'équilibre soit établi, ce qui a lieu quand le levier ne penche ni dans un sens ni dans l'autre. Alors les deux poids sont égaux, et la somme des poids connus placés d'un côté donne le poids du corps en

question. Les balances qu'on emploie dans la vie quotidienne ne se distinguent d'une manière essentielle que par leur sensibilité des balances qui servent aux recherches scientifiques. Une balance ordinaire pour les poids de l'ordre du kilogramme permet encore de constater une différence de poids d'un gramme, mais non plus une différence d'un décigramme. Au contraire, les meilleures balances scientifiques, chargées du poids d'un kilogramme, permettent de distinguer des différences d'un centième de milligramme (0^,0001). Les balances ordinaires ont donc une limite d'erreur de 0,001 et les balances scientifiques ont une limite d'erreur de 0,00000001. La précision des mesures est en rapport avec ces chiffres.

On obtient cette augmentation de sensibilité en rendant aussi petits que possible les obstacles à la mobilité qui proviennent du frottement. L'axe de rotation du fléau est constitué par un couteau aigu, fait d'acier ou d'agate dure, reposant sur un support plan de

Qoo^Q:

pierre dure. Les axes auxquels sont suspendus les plateaux destinés à recevoir les poids et les corps à peser sont également formés par des couteaux qui reposent sur des surfaces planes. Les trois couteaux doivent être parallèles entre eux et situés dans le même plan.

Pour que les couteaux ne s'usent pas trop vite, il faut qu'ils ne reposent sur le support plan que pendant le temps où l'on se sert de la balance. Aussi, toute bonne balance comprend-elle un mécanisme d' « arrêt ». Grâce à ce mécanisme, en tournant un bouton, on sépare les plateaux de leurs couteaux, puis le fléau de son support. Les poids et les corps à peser sont placés sur la balance tandis qu'elle se trouve dans cette position; puis en « dégageant » lentement la balance, on peut voir dans quel sens elle penche et s'il faut ajouter ou retirer des poids.

Comme une balance de précision moyenne est sensible à un dixmillième de gramme, il faudrait avoir des poids de cet ordre de petitesse pour terminer les pesées. Mais, comme ces poids sont d'un maniement très incommode, on a établi dans les balances chimiques une autre disposition pour évaluer les poids les plus minimes. Le fléau de la balance, depuis le milieu jusqu'au couteau terminal, est divisé en dix parties, et il y a un petit poids de 0^,01, auquel on donne la forme et le nom de cavalier, et qu'un agencement spécial permet de placer en un point quelconque du fléau. D'après la loi du levier, le poids agit d'autant moins qu'il est plus rapproché de l'axe de rotation. Si l'on place le cavalier, par exemple, à une distance de l'axe égale aux trois dixièmes du fléau, il exerce la même action qu'un poids de 0^,008, et chaque dixième du fléau correspond à un milligramme.

Par suite, pour peser un corps, on n'a besoin d'en compenser le poids par des poids marqués que jusqu'à 0^,01 près; ensuite, on déplace le cavalier jusqu'à ce que l'équilibre parfait soit établi. Les dixièmes et centièmes de la longueur du fléau donnent les milligrammes et dixièmes de milligrammes qu'il faut ajouter aux poids marqués.

On constate l'équilibre à l'aide d'un index attaché au fléau et mobile devant une graduation. Gomme une bonne balance ne reste pas immobile, mais au contraire oscille lentement à la façon d'un pendule, on observe les positions extrêmes de l'index, ses « élongations », et Ton en déduit la position d'équilibre.

Il n'est pas commode, pour terminer la pesée, de réaliser l'équilibre définitif en déplaçant le cavalier, comme nous l'avons supposé pour la clarté de l'exposition. On se sert, pour éviter ce déplacement,

de ce fait que les modifications de la position d'équilibre sont proportionnelles aux surcharges. Après qu'on a une fois pour toutes dé- i terminé la variation de position qui correspond à un changement de \ poids d'un milligramme, on n'a qu'à placer le cavalier sur la division décimale la plus voisine de la position exacte; delà différence entre la position d'équilibre actuelle et la position d'équilibre de la balance non chargée (le zéro), on déduit les fractions de milligramme qu'il faudrait ajouter pour mettre la balance parfaitement en équilibre.

Densité et volume spécifique. — Les procédés ci-dessus exposés, qui sont employés pour définir et mesurer les masses et les poids, servent également de base à la détermination d'une propriété importante, commune à toutes les matières, mais qui prend de l'une à l'autre des valeurs très différentes, de sorte qu'on peut très généralement s'en servir pour les distinguer et les caractériser. Cette propriété constitue, d'une part, la densité, et d'autre part, le volume spécifique.

Dans la détermination de l'idée de matière, nous avons expressément fait abstraction des masses (p. 7); de même, pour le volume occupé par un fragment donné d'une matière. Mais, comme ces deux quantités varient simultanément et dans les mêmes proportions, leur rapport est une propriété déterminée pour chaque matière, et cette 1 propriété doit, d'après la loi générale, conserver pour une matière I donnée dans des conditions données une valeur constante.

Désignons par m la masse d'un échantillon déterminé d'une matière et par v l'espace qu'elle occupe, son volume. Nous pouvons

former les deux expressions - et — La première, la masse par unité

de volume, est ce qu'on appelle la densité ou le poids spécifique. \j^ seconde, qui représente le volume de l'unité de masse, est ce qu'on appelle le volume spécifique.

Nous avons antérieurement traité des unités qui servent à mesurer ces grandeurs : l'unité de masse est le gramme et l'unité de volume est le centimètre cube. Comme la masse et le poids sont représentés par le même nombre, la densité d'un corps est égale au quotient de son poids, exprimé en grammes, par son volume, exprimé en centimètres cubes; de là provient l'expression de poids spécifique. Le volume spécifique est égal à l'inverse de la densité. Si l'on appelle la densité d et le volume spécifique /*, on a les relations

d= ' et /'=->•

ÇiOo^z

Ordinaîreraenl, de ces deux expressions, c'est la densité qu'on emploie de préférence. C'est que, quand nous considérons un corps, nous commençons par évaluer son volume à l'aide de l'œil, et seulement ensuite, quand nous le prenons en main, nous apprécions le poids; aussi est-on involontairement porté à rapporter le poids au volume, et non le volume au poids. Dans les recherches scientifiques il est préférable d'employer la relation inverse. En effet, la masse est une grandeur invariable pour un corps donné, et il est plus rationnel de rapporter la quantité variable à la quantité constante que de faire le contraire.

Néanmoins, conformément à l'usage généralement établi, les densités seront données dans ce livre en première ligne.

Mesure de la densité et du volume spécifique. — Pour déterminer le rapport de la masse et du volume pour un corps donné, il est nécessaire de mesurer ces deux grandeurs. La masse se détermine par pesée (p. 3o); le volume se détermine de différentes façons, suivant l'état du corps considéré. C'est pour les liquides que la mesure en est le plus facile.

Le procédé le plus direct consiste à remplir du liquide en question un récipient dont la contenance est connue et à déterminer le poids du récipient rempli. On donne à ces récipients des formes diverses, selon le degré de précision que l'on cherche à obtenir. Un procédé très rapide et très commode consiste à employer un récipient de la forme représentée par la figure 6, et qu'on appelle pipetle. Il consiste essentiellement en un tube étroit, élargi à sa partie moyenne, et qu'on remplit en plongeant une des extrémités dans le liquide et en aspirant par l'autre extrémité. A la partie supérieure se trouve une

marque circulaire qui délimite un certain volume, généralement un nombre rond de centimètres cubes.

Pour remplir, on aspire un peu plus de liquide qu'il n'en faut; puis, en laissant le doigt à l'extrémité supérieure, on fait couler avec précaution l'excès de liquide jusqu'à ce que le liquide arrive à la marque. La pipette, une fois remplie, est transportée horizontale sur la balance, où on la dépose sur un support en fil de fer (Jig* 6). Si préalablement on a fait l'équilibre pour la pipette vide et son support, l'addition de poids qu'il faut faire donne immédiatement le poids du liquide.

Qoo^Q:

La mesure devient aussi simple que possible si ron emploie une pipette contenant juste un centimètre cube et si l'on a un poids qui fait équilibre à la pipette vide jointe à son support. Un poids de ce genre est ce que l'on appelle une tare^ d'après l'usage commercial. Avec cet appareil le poids additionnel donne immédiatement la densité du liquide, puisque le dénominateur du rapport, le volume, est égal à I. Une mesure peut être exécutée avec 0,00 1 comme limite supérieure d'erreur.

Un autre procédé de mesure repose sur le principe d'Archimède, d'après lequel un corps plongé dans un liquide éprouve une poussée égale au poids du liquide déplacé. On attache à la balance un plongeur de verre, complètement clos, et supendu à un cheveu ou à un fil de platine; on fait l'équilibre, puis on plonge le corps dans le liquide à étudier et l'on détermine la diminution de poids, c'est-à-dire la poussée. On détermine le volume du plongeur en faisant la même expérience dans l'eau, parce qu'alors la poussée, exprimée en grammes, est égale au volume, exprimé en centimètres cubes. S l'eipérience n'a pas été réalisée à 4"j on prend dans les Tables relatives à la dilatation de l'eau le poids d'un centimètre cube d'eau pour ^ la température de l'expérience, et l'on divise par ce nombre le poids trouvé pour la poussée.

Dans cette méthode également, le plus commode est d'établir un plongeur de volume égal à i*^"' (ou à lo*""*). La perte de poids donne alors la densité du liquide immédiatement (dans le Fig. 7. cas du volume de lo*^"*, on déplace la virgule d'un rang vers la gauche).

Enfin, pour déterminer rapidement les densités, on se sert des aréomètres. Un aréomètre se compose {/ig- 7) d'un flotteur de verre se terminant, à sa partie supérieure, par un tube élroit sur lequel se trouve une graduation. Il est construit de façon à rester vertical dans le liquide qu'on étudie. Gomme un corps flottant s'enfonce dans un liquide de telle façon que le poids du liquide déplacé soit égal à son propre poids, la profondeur où pénètre l'aréomètre varie selon la densité du liquide, et l'on note le degré de la graduation qui correspond au point d'affleurement. La graduation est faite d'habitude de façon à indiquer immédiatement la densité. Cependant il j a d'autres échelles en usage, qui portent les noms de leurs inventeurs respectifs, et dont le zéro correspond à la densité de l'eau. Elles n'ont aucune importance dans les recherches scientifiques.

Qoo^Q:

Densité des corps solides. — Il j a, pour la déterminer, deux méthodes principales. Généralement on pèse les corps dans Tair, puis dans l'eau ou dans quelque autre liquide. La piremière pesée donne la masse, la seconde donne la perte de poids qui correspond à la poussée, d'où Ton déduit le volume. Quand la seconde pesée a lieu dans Teau, la poussée est égale au volume (en tenant compte de Tinfluence de la température; voir plus haut). Si l'on est obligé de se servir d'un autre liquide, comme cela arrive pour les matières solubles dans l'eau, il faut déterminer la densité du liquide par une des méthodes décrites ci-dessus, et diviser la poussée par la valeur obtenue pour cette densité. En effet, le volume du liquide est égal à son poids divisé par sa densité {voir p. 33).

En exécutant des recherches de ce genre, on a souvent à tenir compte du fait que les corps à étudier ne sont pas en gros morceaux, mais se trouvent en grains ou en petits fragments. Dans ce cas, pour les peser dans l'eau, on se sert d'un récipient ouvert de verre ou de platine, comme celui que représente la figure 8. Bien entendu, il faut préalablement déterminer le poids du récipient placé dans les mêmes conditions, c'est-à-dire plongé dans l'eau. Un autre procédé, qui trouve surtout son emploi dans le cas d'une faible quantité de matière, consiste à mélanger deux liquides convenablement choisis, l'un plus dense, l'autre moins dense que le corps à étudier, de façon à obtenir un liquide de densité égale à celle du corps. On reconnaît l'égalité à ce que le corps flotte dans le liquide sans remonter ni s'enfoncer. Pour réaliser l'expérience on commence par placer le corps dans une petite quantité du liquide plus léger; il tombe au fond du récipient. Puis on verse avec précaution de l'autre liquide jusqu'à <5c que le corps reste en suspension. Généralement, on ajoutera un peu trop du second liquide ; mais la faute sera facile à corriger par l'addition d'un peu du liquide le plus léger.

Une fois ce résultat obtenu, on déterminera la densité du mélange par une des méthodes indiquées pages 3 4 et 35.

On emploie comme liquide lourd l'iodure de méthylène ou le létrabromure d'acétylène; comme liquide léger, le benzène ou le toluène. Ces produits se trouvent dans le commerce.

Quant à la détermination de la densité des gaz, nous exposerons plus tard ce qu'il est nécessaire d'en savoir.

Influence de la température et de la pression sur la densité. — Nous avons déjà indiqué que la masse d'un corps donné ne peut être

LES LOIS DE CONSERVATION. 3j

modifiée par aucune circonstance, landis que le volume, au contraire, dépend de la température et de la pression. La densité d'une matière variera donc en même temps que ces deux conditions, et, pour qu'une densité soit bien définie, il faut qu'on énonce avec elle la pression et la température correspondantes.

Or, l'influence de la pression est en général très petite. Le volume occupé par les liquides ne diminue que de quelques cent millièmes de sa valeur quand la pression augmente d'une atmosphère. Pour les corps solides, l'action de la pression est encore plus faible. Aussi n*est-il nécessaire de tenir compte de ces variations que dans les recherches très précises.

Bien plus considérable est l'influence de la température. A peu d'exceptions près, le volume d'un corps donné augmente quand la température s'élève. La valeur de l'augmentation varie beaucoup selon les matières et elle est, en général, plus grande pour les liquides que pour les corps solides. Pour l'évaluer approximativement, on peut admettre que les liquides augmentent d'environ un millième de leur volume pour chaque degré. Ce n'est d'ailleurs là qu'une approximation tout à fait grossière, car, non seulement le chifl^re diffère de liquide à liquide, mais il varie avec la température. Plus la tempe- 1 rature est élevée, plus^ l'accroissement relatif du volume est considé- y rable pour une élévation nouvelle.

Il est donc nécessaire dans les évaluations précises de densités de liquides, d'énoncer en même temps la température. Des évaluations approchées, comme il en faudra faire souvent au cours de cet ouvrage, se rapportent à la température ordinaire d'un laboratoire, soit environ i8**.

Antres formes de l'énergie. — Nos considérations sur les machines parfaites et imparfaites (p. 24) ont laissé ouverte la question de savoir ce que devient le travail qui disparaît dans les machines imparfaites. Pour trouver la réponse, faisons une machine aussi imparfaite que possible, de façon à rendre aussi net que possible l'effet qui résulte de cette imperfection. En d'autres termes, augmentons le frottement à tel point que la machine consume en elle-même presque tout le travail qu'on lui fournit, et en rende très peu à l'extérieur.

Le résultat de cette augmentation du frottement est facile à observer dans les essieux mal entretenus des machines motrices, voitures, etc. ; les organes qui supportent un frottement considérable s'échauffent. Des recherches précises établissent que la quantité de chaleur qui apparaît dans ces conditions est proportionnelle au travail perdu. Comme

d'autre pari avec de la chaleur on peut produire du travail, par exemple dans la machine à vapeur, il en résulte que la chaleur elle aussi est une chose que l'on peut produire au moyen de travail et inversement transformer en travail. Conformément à la définition donnée page 26, la chaleur doit donc être appelée une forme de l* énergie, ^ En prenant pour unité de chaleur la quantité de chaleur fournie par un erg (p. 28), on trouve que la quantité de chaleur qui apparaît dans une machine imparfaite quelconque est toujours égale à la perte de travail. Si donc on tient compte de la chaleur, la somme de l'énergie transformée est égale au travail fourni à la machine et la loi de conservation redevient valable.

Ces considérations peuvent être généralisées . Il existe encore d'autres formes d'énergie qui peuvent naître du travail et se transformer en travail. Un exemple bien connu est fourni par l'énergie électrique qui, dans les dynamos, est produite par du travail et peut se retransformer en travail, en chaleur, etc. Il est possible de mesurer chacune de ces formes de l'énergie en prenant pour unité dans chaque cas la quantité produite par un erg.

Un autre exemple est celui de Vénergie chimique* La combustion (p. 19) est un phénomène chimique. C'est la combustion du charbon dans les machines à vapeur qui fournit la partie de beaucoup la plus considérable du travail utilisé dans l'industrie; ce travail est ainsi une transformation de l'énergie chimique.

A toutes ces formes d'énergie s applique la loi de conservation. Dans un système fermé, quelles que soieint les transformations de l'énergie qui se produisent, la somme d'énergie reste toujours invariable; pour chaque quantité d'énergie qui apparaît, disparaît une quantité équivalente d'une autre énergie; et inversement, il ne disparaît pas d'énergie sans qu'il en apparaisse, sous une autre forme, une quantité égale. Cette loi suppose essentiellement que toutes les formes d'énergie sont évaluées à l'aide de Ja même unité, l'erg par exemple.

Cette loi d'une importance exceptionnelle sera expliquée d'une manière plus précise au cours de notre étude. Pour le moment, nous dirons seulement un mot sur la possibilité de découvrir une loi si large et si générale, et de la démontrer inductivement, c'est-à-dire de l'appuyer par des exemples suffisamment probants. La réponse à cette question est d'ordre historique.

Dans les siècles précédents, un grand nombre d'hommes savants en mécanique, souvent de haute capacité, s'étaient occupés du problème du pçrpetuupi mobile. Ils voulaient construire une ma-

chine qui se maintint d'elle-même en mouvement et pût en même temps fournir du travail à l'extérieur. Leurs efforts sont restés sans succès, et il semblerait que le travail de tous ces hommes si zélés et si pénétrants ait été vain.

Mais si, de cet insuccès, on tire la conclusion précise que leperpetuum mobile est impossible, qu'on ne peut réussir à créer du travail en partant de rien, et que le mieux que peuvent faire Jes machines est de restituer tout le montant du travail qu'on leur a fourni, on arrive à la loi positive de la conservation du travail dans les machines parfaites. En se demandant ensuite ce que devient le travail qui se perd dans les machines imparfaites, on est amené à reconnaître que le travail peut se transformer en d'autres formes équivalentes d'une certaine chose à laquelle on donne le nom d^ énergie; ainsi s'établit, comme résultat ultime de l'impossibilité du perpetuum mobile y la loi de la conservation de l'énergie, qui est une des lois les plus importantes de l'ensemble des sciences de la nature.

On trouve, en d'autres parties de la science, des exemples analogues de recherches vaines en apparence, qui aboutissent à des lois positives, et nous aurons plus tard à signaler divers faits de ce genre.

Résumé. — Étant donné que dans les phénomènes chimiques des matières apparaissent et disparaissent, on doit se demander si ces modifications ont lieu suivant des lois. On constate, comme un fait universel et sans exception, que, dans n'importe quel phénomène chimique, le poids total des diverses matières qui y prennent part demeure invariable. Le poids total des matières qui disparaissent et le poids total des matières produites sont égaux.

Ainsi, à tous les phénomènes chimiques (comme d'ailleurs à tous les autres phénomènes connus) s'applique la loi de la conservation du poids.

Le poids d'un corps donné est proportionnel à sa masse et de plus, dans tous les corps, quelle que soit à tout autre égard leur constitution, le rapport entre la masse et le poids est absolument constant en un lieu donné. Par suite, à tous les phénomènes, y compris les phénomènes chimiques^ s'applique la loi de la conservation de la masse.

Entre ces deux quantités, le poids et la masse, il n'existe pas de I rapport immédiat, et la loi qui exprime leur proportionnalité est purement expérimentale. ^

Qoo^Qi

Une relation indirecte entre la masse et le poids s'établit par Tinlermédiaire de la notion du travail. En désignant par ce mot le produit d'une force par le chemin le long duquel elle agit, on peut énoncer pour les machines simples la loi suivante : dans le cas limite d'une machine idéale, le travail ne peut être ni augmenté ni diminué par la machine. Ainsi est établie pour les machines simples la loi de la conservation du travail.

Dans certains cas, il semble que du travail disparaisse. Mais on peut établir qu'en même temps apparaît quelque chose d'autre, en quantité proportionnelle au travail disparu, et pouvant à son tour être transformé en travail. Si l'on désigne par le mot A^ énergie toutes ces choses qui naissent du travail et peuvent se transformer en travail, et si l'on prend, pour mesurer les différentes espèces d'énergie, des unités égales aux divers résultats de la transformation de la quantité de travail prise comme unité, on peut énoncer une loi tout à fait générale de la conservation de l^ énergie.

Il y a différentes espèces d'énergie. A part ce que nous avons appelé le travail, l'énergie cinétique, l'énergie électrique, l'énergie chimique sont, comme nous l'avons vu, au nombre de ces espèces.

L'unité d'énergie s'appelle Verg, Elle est égale, par définition, au double de la quantité d'énergie cinétique contenue dans i* d'un corps, quand ce corps se meut avec la vitesse de i*"* par seconde.

Soient m la masse du corps et c sa vitesse, mesurées avec les unités que nous avons indiquées, son énergie cinétique est égale à \ nic^.

Un gramme, en tombant sous l'influence de la pesanteur d'une hauteur de i*^", prend la vitesse de 44^"? 26 par seconde. Son énergie cinétique est donc égale à 980 ergs. Cette énergie résulte du travail de la pesanteur, lequel est de son côté égal au produit de la pesanteur par le chemin parcouru. Gomme ce chemin est égal à l'unité (i*^"), la force doit être égale à 980. La force de la pesanteur qui s'exerce sur 16 vaut donc 980 unités.

Un corps qui contient n grammes prend la même vitesse, puisque, comme l'expérience nous l'apprend, tous les corps pesants tombent également vite. Son énergie cinétique est donc de 980 x n. Par suite, la pesanteur qui s'exerce sur n grammes est de 980 x n unités.

Le poids et la masse ont une importance particulière au point de vue chimique, en raison de ce fait que l'énergie chimique qu'on peut obtenir par la transformation d'une matière quelconque est proportionnelle à son poids et à sa masse. Comme la valeur des matières qu'on utilise chimiquement (par exemple, les aliments ou les combustibles), a pour mesure la quantité d'énergie chimique qu'on peut

en tirer, le poids sert également de mesure à la valeur chimique de quantités diverses d'une même matière.

Nous rassemblerons encore une fois les unités qui ont été choisies pour la mesure des différentes grandeurs. Ces unités sont universellement employées dans la science, cl on les appelle unités absolues.

Unité de temps la seconde en abrégé sec

» de longueur le centimètre » cm

M de masse le gramme » g

» d'énergie l'erg » e

Ces deux dernières unités ne sont pas indépendantes l'une de l'autre, puisque l'une d'elles étant donnée, on peut en déduire l'autre avec l'aide des deux premières.

De ces unités fondamentales on déduit les unités dérivées en associant les grandeurs qui s'j rapportent. Ainsi l'unité de vitesse est la

\âtessed'un centimètre par seconde (\ — j. L'unité de force est la

force qui, pour un centimètre, fournit le travail i erg; elle est donc

représentée par i — • Les unités de surface et de volume sont 1*^°*

et I*"'. L'unité de densité est i — ^* L'unité de volume spéciflque

est 1

cm' cm'

ÇiOo^z