CHAP. I. — FUSION ET SOLIDIFICATION

ron 15(^, il laisse dégager sa chaleur latente , et s'élève rapidement à une température de 40^ ou 50^ plus haute que celle du bain. Dans son état cristallisé son point de fusion paraît être à environ 217<>.

. Le phosphore maintenu pendant huit ou dix jours à une température d'environ 240 à 250*^, à l'abri de tout contact de Tair, et de tout corps exerçant sur lui quelque action chimique , se transforme en une poudre rouge carmin, ou même en une masse cohérente ayant Taspect de Thématite ( Schrotter , Comp^ tes rendus de V Académie des Sciences^ 1848 et 1850). C'est du phosphore amorphe , sa dureté est comprise entre celle du spath calcaire et du spath fluor , et sa densité un peu supérieure à celle du phosphore ordinaire. Dans cet état il est insoluble dans l'éther , Falcool , l'huile de naphte , le chlorure de phosphore ; non-seulement il est inaltérable à l'air aux températures ordinaires , mais il ne prend feu qu'à la température de 260® , qui est celle où il commence à repasser à l'état ordinaire , lorsqu'on le chauffe dans un gaz inerte.

- .aJU^LR. ^ PREMIÈRE PARTIE.

ClLkPlTRE IL

'r> \jpirim dans le vide.

t lentemcAt dams ralv et Ib-

« %lde. — Lorsqu'un liquide est exposé au

^(t\c ordinairement quUl diminue peu à

^^ k ^ii 4|n-t*s ini temps plus ou moins long il

V ii.M . IVau qui couvre la terre après les

^^ ^v iu ^Hirtle d'un vent sec ou à Taction pro-

. ^ . . s>r ^' ilijiaàpe en quelques jours , et ce n'est

^ , ^-^^ .|(«\*Ho s'infikre dans le sol, mais ausii

v-««t *uiis les airs. Au reste, on en voit la

^o »i un vase plein dVau, exposé à Tair

; ^ .Il ,tj*jMiU'niont : Tcau décroît d'instant en

»v ^v'^iv .ui l\»nd du vase que les coips étrau-

„ ::x«v'Uitlon. Le même phénomène se pix)-

. .. lîi sM>\MV plus grande lorsqu'on fait bouillir

,..x'.4 vlu feu : il se réduit peu à peu, et finit

\ V X ,li\evM's «ïhsorvations Ton peut conclure

. . v...j^\:'î délai, qu'ils deviennent invisibles et

,.»x .\vMHM\e «omnie les gaz; c'est ce qu'on

.. ^.. Vx v t.i/u^risrnf ou se réduisent en efl-

. s»».- J uïiaul plus volatils qu'ils se vaporisent

». ïs^-'^ ^*lu* pnuuptenient et à des températures

. ^ ». *\»vx\ qne. «laus «vrlains cas, ce n'est pas

... .;v i jMHM' à I elat tli» vapeur; cela îirrive

. .;. jj^N d*' pluNieui-s iorps différents qui se pcu-

•», '^' •"'. jdor>, los parties plus volatiles

» > ^.». sU \bondauer» v\ ee qui i\»ste n'est plus

. ^..^.l s*.*«^*uiN, on du moins il n'en est plus

\ , .^-uk««• p\^«p«uliiiu>.

* i* » »^* *^*^ * MippoNO «pio l«'s vajwurs ne pouvaient

v.a.na yw «îles nuMues, mais qu'elles prenaient

«HAP. II. — VAPEUBft DANS LE VIDE. S7»

naÛBance à la suriace des liquides par Paction dissobrairte de l*air, et que cette même cause était encore nécessaire pour les maintenir suspendues dans l'atmosphère. Pour montrer la fausseté de cette opimon , et en même temps pour étudier les propriétés remarquables des vapeurs, le moyen le plus simple consiste à leur offrir un espace vide d'air et de gaz , dans lequcd dles puissent se développer librement par eHes-mémes. Le vide barométrique est éminemment propre à ce genre d'expériences, non-seulement parce qu'il est aussi parfak qu'il soit possible, mais aussi parce que la colonne de mercure étant mobile , elle peut indiquer, par sa dépression, l'énergie de la force expansive qui s'exerce sur son sommet.

Supposons donc que, dans une large cuvette in/ÇFiG. 2, Pl. 10), <m dispose deux baromètres b et b' qui donnent très-exactement la pression de l'atmosphère , et qu'ensuite , au moyen d^une pipette recourbée , on fasse passer une petite quantité d'eau dans le tube du baromètre b' ; l'eau s'élève en vertu de sa légèreté spécifique, elle arrive bientôt dans le vide de Torricélli, et, à Tinstant, on voit le sommet de la colonne qui descend de plusieurs millimètres. Ce n'est pas le poids de la petite colonne d'eau supérieure qui a pu déprimer le mercure ; ce n'est pas non plus l'air qu'elle aurait pu contenir et qui se serait dégagé , car nous la supposons parfaitement purgée d'air. Il faut donc que la substance propre de l'eau se soit vaporisée dans le vide, et que sa vapeur ait une propriété pareille à celle que nous avons appelée la force expansive , la force élastique ou la tension des gaz^ car elle agit comme ferait une petite quantité d^air que Ton aurait fait passer au-dessus du mercure.

La mesure de cette force élastique est donnée par la dépres^ sion^ c'est-à-dire par l'abaissement du sommet t au-dessous du sommet c, ou en général par la différence de hauteur entre le vrai baromèti*e b et le baromètre à vapeur b\ En effet, si le sommet t est déprimé , par exemple , de quînce millimètres audessous du sommet c, c'est qu'il s'est développé dans le vide, au-dessus de f, une force élastique qui (ait équilSire à cette colonne de mercure de quinze millimètres.

Un troisième baromètre b"^ que l'on mettrait à cdté des deux premiers et dans lequel on ferait passer un autre liquide, de l'édier sulfurique par exemple, ^nreuverait aussi une dépression

instantanée , et une dépression beaucoup plus grande que celle du baromètre h\ car, en faisant Texpérience à la température ordinaire, le sonunet tomberait à peu près à la moitié de la hauteur du baromètre A. D'où il résulte que, dans ces circonstances , la force élastique de la vapeur d'éther sulfurique est à peu près une demi-pression atmosphérique.

L'appareil représenté (Fig. 7, Pl. 10) est destiné à montrer les diverses forces élastiques des vapeurs différentes , et à en donner la mesure au même instant. Il se compose d'une cuvette rectangulaire de fonte dans laquelle plongent sept ou huit tubes barométriques contenant des substances différentes; chaque tube a son échelle, dont le Oest à l'extrémité inférieure des deux pointes d'acier a, a' : pour amener le niveau du mercure de la cuvette à l'affleurement de ces pointes , il suffit de tourner la vis (^ qiû fait monter ou descendre le flotteur f\ les vis calantes du pied de l'appareil servent à rendre horizontale la ligne des pointes. Alors, il suffit d'estimer la dépression de chaque tube par rapport à celui du milieu, qui est un baromètre ordinaire. Les substances que l'on soumet ainsi à l'expérience sont l'alcool, les éthers , les huiles essentielles, le camphre, le musc, etc.

150. Du maximum de tension des vapeurs. — Il est évident que la force expansive des vapeurs s'exerce dans tous les sens^ comme la force expansive des gaz; il est évident aussi qu'elle s'exerce indéfiniment , c'est-à-dire qu'une quantité de vapeur, quelque petite qu'elle soit , se répand de toutes parts dans un espace vide, quelque grand qu'il puisse être, et qu'elle va s'arrêter aux parois qui limitent cet espace en y exerçant une pression plus ou moins forte. Ainsi, la moindre parcelle d'eau devient capable, en se vaporisant, de prendre un volume de plusieurs milliers de mètres cubes , comme ferait la moindre parcelle d'air en se répandant dans cet espace. Mais, si les vapeurs ont une force expansive indéfinie, par laquelle elles peuvent prendre des volumes indéfiniment grands , elles n'ont pas une force élastique indéfiniment croissante, par laquelle elles puissent résister aux pressions qu'on exerce sur elles , et se réduire à prendre des volumes de plus en plus petits : nous allons voir en effet que, de la vapeur étant donnée, si on essaye de la comprimer pour augmenter sa force élastique, on arrive à un point où rette vapeur se condense et repasse à l'état liquide plutôt que de

GHAP. U. — MAXIMUM DE TENSION DES VAPEURS. tSI

prendre une force élastique plus grande ; c^est cette limite de r^sistance à être liquéfiée que Ton appelle la tension maximum de la vapeur. Cette vérité fondamentale peut être démontrée iacilement au moyen du baromètre a longue cuvette^ qui est re-> pr^nté (FiG. 1, Pl. 10) : son tube t est très-long et sa cuvette ce' a plus d^un mètre de profondeur. Après avoir fait bouillir, dans toute sa longueur, le tube plein de mercure, on achève de le remplir avec une colonne d'éther de deux ou trois centimètres d'épaisseur, et ensuite on le retourne verticalement pour le plonger dans la cuvette. L'éther gagne la partie supérieure du tube, une partie reste à Tétat liquide, et T autre se vaporise dans le vide de manière à produire une dépression considérable. La colonne ns aura , par exemple , 400 millimètres de hauteur , au lieu de 760 qu'elle prendrait s'il n'y avait pas de vapeur. Cela fait, on enfonce le tube dans la cuvette, pour essayer de réduire à un moindre volume la vapeur qui s'est formée,, et Ton observe alors que la colonne de mercure sn conserve la même hauteur, ce qui prouve que la force élastique de la vapeur reste la même; au lieu de se comprimer comme ferait de Tair elle se condense^ c'est-à-dire qu'elle reprend l'état liquide , elle a donc le maximum de force élastique qu'elle puisse prendre à cette température, n en est ainsi de tous les liquides : placés dans le vide ils se vaporisent très-rapidement , jusqu'à ce que la vapeur ait pris son maximum ; on dit alors que l'espace est saturé de vapeurs ; mais s'il n'y avait pas assez de liquide pour saturer l'espace, tout le liquide disparaîtrait et la vapeur aurait une tension moindre cjue le maximum. C'est ce que l'on peut démontrer par l'expérience suivante : ab (Fig. 1 , Pl. 10 a) est un baromètre ordinaire, cd est un tube qui plonge dans la même cuvette, et qui se termine en haut , soit par un réservoir de métal r , d'environ 1 litre, soit par un ballon de verre, portant en haut une tubulure pour faire le vide. Quand le vide est fait , aussi complètement que possible, la différence des niveaux supérieurs indique l'élasticité de l'air restant ; alors avec la pipette graduée (Fig. 2), on aspire une petite colonne d'éther, d'environ 1 centigramme que l'on va faire passer dans le tube cd\ l'éther gagne visiblement le haut du tube , comme on le voit par l'ébullition qui en résulte, et par la dépression qui se produit ; mais l'on n'aperçoit pas trace de liquide, tout s'est vaporisé. Cependant la dépression baromé-

iëi U\WL IL — CIALEUR. — PlEMftlŒ PAftTR.

U'U|u« liftii voir que la umàaa de la vspeir ert bien Mn ém maxinfcHHi. Fv conséquent , que Fespace esl kwi d^étre satoré. Sa W r«Mr%-oîr r pe«l contenir, par exemple, 1 giaaane de va- |irur« il faudrait répéter 100 fois Teipérience arant qn^on pAt i^HHvevotr du liquide dans le tid^e ; la tension de la vapenr tonjour» croissante atteindrait à la fin son maxininni, Tespaoe serait alu» satui^é , %rt tout Téther qoe Ton introduirait ensuite, rest^ rait liquide et n'alimenterait , ni la quantité de Tapeur ni la dépi^iuion.

liil. Éf HIW^ de Umaâmm émmm «oa wgatu. Inéaalgiitmt oliaMA. — Il est facile de reconnaître que la température a une |[i*uude inAuence sur la tenâon maximum des Tapeurs, cor, en fiô^iaut les expériences précédentes à différents degrés de diakui*, la ooloiuie barométrique éprouve des dépressions très-inégales : par exemple avec Téihar suUurique la dépression ert à peu près de 180 millimètres à 0 de température, tandis qu'elle «MA de 630 à la température de 30*. Les phénomènes qui se produiiieut sous nos yeux nous fournissent d'ailleurs des preuves uuuilutîuses de cette vérité : la vapeur d'eau n'a qu'une faiUe Huuiiaii lorsqu'elle se forme ^ la sur£aice des lacs ou à la surfiK» «W la mei* ; elle a une tension plus forte lorsqu'elle se forme par #buUiti(Ui, puisqu'elle supporte alors la pression de Tatmo- «l|Uu'At) ; enfin , à de hautes ten^ratures, cette tension devient si |àiÙMiame qu'elle peut non-seulement lancer des prcjectiles du |dui giXMî calibre, mais encore lanc^ au loin des madiines en- ÛiU'i»A et des masses énormes du poids de plusieurs qmntaux : les lu^^àluiiiuns des chaudières à vapeur en offrent de trop nombreux V^ ik) trop terribles exemples.

|.«> |H)tit appareil connu sous le nom de bouillant de Franklin \V\y^ -lA, IV. 10) est très-propre à montrer qite la tension de la ^Hl^ui U'^lla^r augmente avec la températm'e et diminue avec ^v- Sy^im avcùr rempli d'éther la boule a et une partie du ShX^k \^ iuH laniillir un instant le liquide dans le tidie seuie- HHM^I iHHir imi^iM' d^air le reste du tube et la boule &, et alors ^H m^m* t'Miivrrtiu<e c par laquelle se dégageait la vapeur. Le tMMUW ^ lMi»t alors de niveau dans les deux boules. Mais « Ton ^^MmM^ ik\w^ la main la boule b la tessian de la vapeur y de- \4h^ hIm» HirH«t rt tout le liquide est chassé dans la boule a; il V \{^S imvi4Uoiiit^iit M au lieu de chauffer b on refroidit a.

CHA». n. — ÉQUILIBRE DE TENSION DES VAPEURS. SS3

D^aprèft cela on peut te demander qiieUe serait la teanon ifiaiBHiim de la vapeur dans un e^ace de forme quelconque, dont les diverses parties seraient à des températures difiërentea. En supposant que cet espace n'ait pas une grande hauteur verticale et que la vapeur soit, comme il arrive toujours , d'une faible densité , il £ittt , par les condkîons d'équilibre des fliades élastiques, que la tension soît la mâme dans tous les points où fl j a de la vapeur, et comme , dans les points les plus froids, la tension maximum ne peut jamais être aussi grande que dans les points les plus chauds , il faut bien que , dans ces derniers , la tension cesse d'être au maximum, et qu'elle dimuiue jusqu'à devenir égale à la tension maximum des points les phis froids. Ainsi, dans un espace inégalement chaud, quand l'équilibre est établi , la tension de la vapeur est la même dans tous les points, et partout elle est égale à la tension maximum des parties de cet espace qui sont à la teaq>érature la plus basse. Ce principe est rendu sensible au moyen de l'appareil abc (Fi«. 12, Pi.. 10) : la boule a étant k moitié pleine d'éther, on fait bouillir ce liquide, puis l'on retourne l'appareil rapidement dans une cuvette de mercure. On forme ainsi im baromètre dont la dépression est correspondante à la tension maximum de l'éther pour la température de l'air ambiant; or, si l'on refroidit la boule, en la plongeant dans de la glace pilée, le baromètre monte rapidement, et il s'arrête quand la dépression marque précisément la tension maximum de l'éther pour la teRq>érature 0. La portion verticale du tube contient de la vapeur non refroidie, mais il en contient moins ; pour se mettre en équilibre elle s'est préciptée et condensée dans la boule.

Cette vérité importante se montre encore au moyen de l'appareil qui est représenté (Fig. 18, Pl. 10 a) : a et i sont deux cornues soudées en c*^ la tubulure d porte un tube effilé que Ton a fermé à la lampe pendant Tébullition de l'eau contenue dans Tappareil, cette ébuliition ayant été prolongée assez long>temps pour chasser Tair* Après le refroidissement on fait passer tout le liquide dans la oomue a , que l'on plonge dans un bain maintenu, par exemple, à 50 ou 60^, tandis que la cornue b est plongée dans un bain à 0. Il se fait alors une véritable distilla^' tion : la vapeur se précipite de a en £ par son excès de tendon, et l'équilibre n'est étabU que quand la totalité du liquide

s^est réunie par condensatioa dans la cornue bj et que la force élastique est partout égale au maximum correspondant au lieu le plus froid. Le même phénomène se produirait encore si l'on avait laissé Tair dans l'appareil, mais il serait incomparablement plus lent.

152. Mesore de la forée élmstique île la Tapevr d*ea«* — On mesure la tension de la vapeur d'eau, entre 0 et 100* audessous de 0 et au-dessus de 100^, jusqu'aux plus hautes températures. Chacune de i?es déterminations exige un appareil différent.

MSmir^ • et «••*. — L'appareil se compose de deux tubes barométriques placés très-près l'un de l'autre et plongeant dans la même cuvette (Fie. 13, Pl. 10). Le premier de ces tubes est un baromètre parfait ; le deuxième est un baromètre à vapeur, c'est-à-dire un baromètre au-dessus duquel on a (ait passer une colonne d'eau qui s'est en partie vaporisée dans le vide. Ces deux tubes sont plongés dans un vase de verre assez profond, au moyen de la tige de fer f] l'eau du vase est portée à diverses températures ; sa température est aussi celle du baromètre parfait , celle du baromètre à vapeur , et celle de la vapeur ellemême qui se forme à son sommet : on l'observe avec un thermomètre convenablement disposé. Pour avoir la force élastique de cette vapeur correspondante à chaque degré , il suffit alors d'observer la dépression du baromètre à vapeiu* par rapport au baromètre parfait, et l'on y parvient aisément au moyen d'une échelle divisée de métal que l'on dispose entre les deux tubes. Ici les indications du cathétomètre seraient inexactes, à cause de la réfraction inégale que les rayons éprouvent en traversant l'enveloppe de verre. Cette dépression, réduite à 0 , exprime la véritable tension de la vapeur. Tel est le procédé très-simple qui fut imaginé par Dalton de Manchester, en 1805, pour étudier les vapeurs , et qui lui servit à établir enfin la vraie théorie de leur formation et de leur élasticité.

Mm-^eêêoêt» ife •. — La glace elle-même se vaporise comme l'eau ; et Ton voit dans les figures 8 , 9 , un appareil propre à déterminer la force élastique de la vapeur qu'elle donne à divei'ses températures au-dessous de 0. Cet appareil est analogue au précédent (Fig. 7, Pl. 10), seulement les deux baromètres à vapeur d'eau et d'alcool sont recourbés pour plonger par leur

CHAP, n. — FORCE ÉLASTIQUE DE LA VAPEUR D'EAU. 285

extrémité dans un mélange réfrigérant. Ainsi la chambre barométrique se compose d'une partie froide, dont la température est connue, et d'une autre partie qui est à la températm*e ambiante f donc, d'après le principe précédent, la tension maximum de la Tapeur est celle qui convient à la température du mélange réfrigérant. On voit même, par cette expérience , comment s'établit l'équilibre de tension ; car on voit, par exemple, la petite colonne d'eau qui repose au sommet du mercure diminuer de plus en plus et disparaître complètement : elle disparait parce que la vapeur qu'elle donne ayant, au moment de sa formation, une force expansive plus grande que la vapeur qui est refroidie à l'extrémité du tube, elle n'a rien qui l'arrête, et va se condenser et se congeler à son tour dans l'espace froid; quelquefois même la rapidité de Tévaporation est si grande que la petite colonne d'eau se trouve congelée sur le mercure et ne disparait alors qu'après un temps très-long. La dépression s'observe comme dans le cas précédent.

Am-a^êëmM ae «•••. — Pour montrer qu'au-dessus de lOO* la tension de la vapeur d'eau est plus grande qu'une pression atmosphérique, on peut employer un simple tube recourbé (FiG. 3, Pl. 10) dont la courte branche est fermée en ^; on le remplit de mercure jusqu'à la demi-hauteur de la branche ouverte, et on fait passer en s une petite colonne d'eau ; ensuite on plonge Tappareil dans un bain d'huile dont la température est plus haute que 100^ : bientôt la vapeur se forme, et sa force élastique est égale à une pression atmosphérique , plus la différence qui existe entre les deux niveaux du mercure dans la branche ouverte et la branche fennec. Mais, pour mesurer exactement les tensions qui s'élèvent à plusieui*s atmosphères et les températures correspondantes, on rencontre de très-grandes difficultés. La science ne possédait sur ce point que des données vagues et incertaines, lorsque MM. Arago et Dulong furent chargés par l'Académie des sciences de déterminer les forces élastiques de la vapeur d'eau juscpi'aux plus hautes pressions dont on fasse usage dans les applications industrielles. Ce grand travail a été terminé en 1830. Avant d'en rapporter les résultats nous allons donner une idée des appareils qui ont servi k ces importantes déterminations.

Production de la vapeur. — La vapeur est produite dans une

286 UVRfi U. ^ CHALEUR. — PRElOÈRE PARTIE.

forte chaudière en tôle c (Fig. 17 , Pi^ 10) contenaot enyiroo 80 litres. Dans sa portion cylindrique qui est la plus faible , elle a 13 millimètares d'épaisseur. La même figure représente le four» neau f^ la grille ^^ et le tuyau t par lequel s'échappe la fumée.

Mesure des températures. — Deux canons de fusil e et ry scellés au couvercle, ouverts en haut, fermés en bas et pleins de mercure servent à indiquer les températures de Teau et de la vapeur. Dans le mercure qu'ils contiennent sont établis en permanence des thermomètres dont les tiges, recourbées horizonta* lement au sortir des canons, sont maintenues à une température constante au moyen d'un courant d'eau. Cette disposition se voit plus en grand dans la figure 14 (Pl. 10).

Mesure des tensions. — La vapeur formée au-dessus de Teau, à une température connue, s'élève par le petit tube vertical bb\ pour venir exercer sa pression en u, au sommet de la colonne d'eau qui remplit le tube incliné udh et toute la partie supérieure du vase manométrique vif*. Cette pression se transmet sur la su- £ice ss' du mercure, et enfin à l'air du manomètre mm'^ qui est le même que nous avons décrit précédemment (Fig. 8, Pi*. 5). Gomme on connaît la pression correspondante à une position donnée du sommet de la colonne de mercure dans le manomètre, on en déduit la force élastique de la vapeur. D y a seulement deux corrections à faire : Tune relative à la hauteur verticale de la colonne d'eau, depuis son sommet u jusqu'à sa base ss' ; et l'autre relative à la hauteiu* variable du mercure dans le vase çç' . C'est pour faire ces corrections avec exactitude que l'on voit, sur la seconde platine du vase vu'^ un petit tube de verre nn' communiquant en outre au tube udh , et dans lequel on peut observer le niveau du mercure au moyen du curseur qui parcourt la règle verticale z.

A mesure que la vapeur arrive en m, elle se condense et retombe dans la chaudière ; mais il n'en peut résulter aucune erreur, car on a soin de maintenir le tube udh à une température constante dans sa longueur lul par un courant d'eau.

MM. Arago et Dulong ont ainsi déterminé directement les tensions de la vapeur d'eau jusqu'à çingt^-quatre atmosphères.

Pour répéter ces expériences dans mes cours de la Faculté des sciences et du Conservatoire des Arts et Métiers , j'ai fait construire un appareil très-portatif qui pourrait supporter des