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Ces résultats sont relatifs à l’anhydride carbonique supposé placé dans un lieu où la pesanteur n’existerail pas.

On voit que ces différences de densilé seraient toutes susceptibles d'être représentées à l'échelle de la {g. 8.

Les causes des inégalités de température observées sont les suivantes :

1° La masse du liquide à échauffer est, à volume égal, beaucoup plus grande que celle de la vapeur.

2° La vaporisation est, pour le liquide, une cause de refroidissement.

3° La chaleur spécifique du liquide croît avec la température, dépasse celle de l’eau au voisinage du point critique et devient infinie en ce point (t).

Explication des phénomènes présentés par les tubes de Natterer.

I. Avec des tubes très diversement remplis le niveau reste observable jusqu’au point critique si le tube n’est pas agité, et se déplace en général peu.

D'après ce qu’on vient de voir, les choses se passent comme si, au point critique, les densités du liquide et de la vapeur étaient différentes. Or, dans un tube où la densité moyenne est comprise entre celle du liquide et celle de la vapeur, le niveau existe; par suite le niveau pourra être observé jusqu'à ce qu’il arrive à la température eritique, avec des tubes dans lesquels la densité moyenne peut varier dans le rapport de 10 à 15.

De plus, le niveau doit peu se déplacer pendant l’échauffement. Si la densité moyenne est inférieure à la densité

(*) Il résulte des expériences faites par M. Matthias ( Comptes rendus, t. CXIX, p. 404) qu'à o°,5 au-dessous de la température critique la chaleur spécifique de l’anhydride sulfureux liquide est sensiblement triple de celle de l’eau.

de

critique, la vapeur occupe plus de la moitié du tube; comme elle se surchauffe et demeure constamment moins dense que si elle était saturée à la température du niveau, le liquide a beaucoup moins de vapeur à fournir que si la saturation élait réalisée. Au point de vue de la variation de volume la dilatation peut compenser en grande partie la vaporisation.

Si la densité moyenne dépasse la densité critique, le niveau doit s'élever parce que le liquide se dilate et par suite de la condensation, finalement totale, de la vapeur. Or cette condensation ne se produit pas, la vapeur étant surchauffée, et l’une des deux causes de l'ascension du niveau est supprimée.

Il. Dans un tube Natterer, au moment où le niveau devient indécis, la pression est égale à la pression critique et, dans une large mesure, indépendante du remplissage.

Quand le niveau arrive à la température critique, la pression, au niveau même, est nécessairement égale à la pression critique (fig. 8). Elle est, aux effets de pesanteur près, la même dans tout le tube, et par suite est indépendante du remplissage, dans les limites où le niveau est observable jusqu’au point critique. Ce résultat est conforme à l’observation.

Pour cette raison les courbes divergentes étudiées dans le chapitre I, et représentées ( /ig.5), paruront bien d’un point unique.

IL. En arrivant à la température critique, le niveau disparaît dans une couche de transition où la densité varie d’une manière continue (effets de mirage).

Ce phénomène, dont on a vu l’explication, se produira toujours quand on atteindra le point critique par élévation de la température.

L’échauffement ne pouvant être infiniment lent, et la chaleur spécifique du liquide devenant infinie, des inégalités de température se produiront nécessairement, ayant

190 b.. VILLARD.

leur maximum d'effet au point critique, où le coefficient de dilatation à pression constante devient infini.

Cette couche de transition ne saurait être considérée comme étant un état transitoire du ménisque. La /2. 9 montre en effet que le niveau C’ descend progressivement vers le bas du tube, en restant complètement invisible, et abandonne la zone de transition. Celle-ci, constituée alors par du gaz, marque seulement la région du tube où se sont produites les inégalités de température.

La formation de stries, au voisinage du lieu de disparition du niveau, s'explique aisément si l’on considère que, d’après le Tableau donné plus haut, de très faibles différences de température suffisent à produire de notables variations de densité. Mais il n'y a pas lieu de supposer que les stries doivent être constituées par du liquide devenu miscible avec sa vapeur : on les obtient en effet, à la température ordinaire, dans de l'air rendu suflisamment dense et réfringent par une compression à 300*!", et dont la température n’est pas uniforme. Elles sont seulement moins visibles que dans un fluide aussi dilatable que l’est une vapeur ou un liquide au voisinage du point eritique.

Il'est d’ailleurs évident que si l’on retourne un tube Natterer avant que la Lotalité de son contenu n’ait dépassé la température critique (/ig. 9), le liquide résiduel se divisera avec la plus grande facilité, et se vaporisera rapidement dans la vapeur dense et chaude qui le surmonte. On aura Pillusion du mélange d’un liquide avec sa vapeur.

IV. Après la transformation apparente du ménisque en une zone de transition, le contenu d’un tube Natterer reste hétérogène pendant un temps assez long, bien que la température critique ait été dépassée, pourvu que le tube ne soil pas agité.

Il suflit, pour expliquer ce fait, de remarquer que la courbe A"CB" (/ig. 8) ne peut se transformer en un are

d'isotherme A"B" sans passer par des formes intermédiaires telles que AB”.

V. M. de Heen (')a observé qu'au point eritique la densité de la vapeur (qu’il suppose saturée) a pour maximum la densité du liquide lui-même, ce maximum n'étant rigoureusement atteint que si, au point critique, le volume offert à la vapeur se réduit à zéro.

IL suffit de considérer la courbe A’CB" (3. 8) pour constater que, si la température n'est pas uniforme, la densité moyenne de la vapeur ne sera égale à la densité du liquide au niveau que si le point B" se confond avec le point C, c’est-à-dire si le liquide remplit complètement le tube au moment où le niveau arrive au point critique.

Le résultat observé par M. de Heen s'explique ainsi sans faire intervenir l'hypothèse qu'il existe, à une même température, une infinité de vapeurs saturées de densités différentes. Ce qui exisie, ce sont des vapeurs non salurées.

VI. M. de Heen (?) a également observé qu’en plongeant un tube Natterer dans de l’eau à + 33°, puis le reuirant au moment où l’équilibre de température était réalisé, on obtenait une condensation qui n’était pas uniforme. Le contraire avait lieu quand le tube avait été maintenu à + 33° pendant vingt-quatre heures, ou agité par retournement.

M. de Heen n’indiquant pas comment il s’assurait que l'équilibre de température était réalisé, 1l est permis de supposer que la durée de l’expérience était insuffisante pour que la température du tube fût uniforme. Il n’en était évidemment plus de même au bout de vingt-quatre heures, ou après agitation. D'ailleurs, rien n'autorise à

(*) Bulletin de l’Académie Royale de Belgique, 3° série, L. XXIV, p- 269.

(PTE ET XXE pt

admettre qu'il s'agissait d'un gaz pur et sec. L'inégale répartition des impuretés suffirait à la rigueur à expliquer les faits, et aurait cessé au bout de vingt-quatre heures ou par agitation.

VII. Dans un tube en O, l'égalité de densité au-dessus du point critique s’obtient plus rapidement que dans un tube Natterer droit. Il en est de même dans un tube en U renversé.

Pour expliquer ce fait, il suffit de remarquer que, si le remplissage critique est à peu près réalisé, le niveau du liquide, dans ces tubes, est bientôt voisin de la courbure supérieure; il est alors en contact avec la partie la plus élevée, par suite la plus chaude, de la colonne de vapeur. C'est le contraire de ce qui a lieu dans un tube droit.

VIII. Ilest évident que si l’on agite fréquemment un tube Natterer, pendant qu’on élève sa température, les inégalités de température disparaîtront presque complètement et, avec elles, les phénomènes qui en dépendent. Il en sera de même si l’on atteint le point critique par refroidissement.

L'influence de la pesanteur produit des effets analogues aux précédents, auxquels ils s'ajoutent, mais beaucoup plus faibles.

Dans un tube Natterer convenablement rempli, maintenu à la température critique, la ligne figurative de l’état du tube, construite en tenant compte de la pesanteur, est un arc de l’isotherme critique, et comprend le point critique pour un remplissage convenable. Au voisinage du niveau critique, où la compressibilité devient infinie, la variation du volume spécifique atteint, d'après les calculs de M. Gouy (‘), 2 pour 100 du volume critique pour

(*) Comptes rendus, t. CXV, p. 520.

ÉTUDE DES GAZ LIQUÉFIÉS. n 219

une hauteur de 3", 86, et 4 pour 100 sur une hauteur de 3022, 96.

Mais les variations correspondantes de l’indice sont très faibles, même pour la hauteur de 30"",06 qui dépasse celle de la zone de transition ordinairement observée. En effet, l'indice de l’anhydride carbonique liquide est seulement 1,196 à + 15° (Bleekroode) et l'indice critique est 1,12 si l’on admet la constance du rapport

» À des variations de volume spécifique de 2 pour 100

et 4 pour 100 correspondent, par suite, des variations d'indice égales à 0,0024 et 0,0048. Cette dernière valeur est six fois plus petite que la différence des indices de l’eau et de l’alcool, et ne peut donner lieu à des phénomènes bien marqués. Le calcul indique du reste que, sur la hauteur de 30"",06 correspondante, la distance apparente de deux génératrices extérieures du tube ne varie, par l’effet de la réfraction, que de 1 pour 100. Cette distance apparente varie, au contraire, de 6 pour 100 (!) pour une variation de volume spécifique de 20 pour 100, correspondant à une différence de température de 0°, 094, très inférieure à celles observées dans les expériences I et LIL. Une différence de température de 0°, 0006 suffirait d’ailleurs à produire le même effet que la pesanteur agissant sur une hauteur de 30°", 06. |

Si les variations de densité, dues à la compression du fluide sous son propre poids, étaient appréciables à la vue simple, on les observerait aussi bien en arrivant à la température crilique par refroidissement que par échaulfement : il est au moins douteux qu’on ait jamais observé, sans le secours d’un instrument, la formation d’une zone de transition dans un tube Natterer amené à la tempéra-

ture critique par refroidissement.

(:) Les résultats sont sensiblement les mêmes dans des tubes de dimensions différentes, en verre ou en cristal.

En résumé, la cause principale des phénomènes présentés par les tubes de Natterer est directement accessible à l'expérience et consiste en un défaut d’uniformité de la température. L'influence de la pesanteur ne constitue qu'une cause perturbatrice secondaire, agissant dans Île même sens que la première, avec laquelle elle est parfaitement compatible. Les phénomènes observés s'expliquent ainsi d’une façon complète, et sans qu'il soit nécessaire d’avoir recours à une hypothèse nouvelle.

Vu et approuvé :

Paris, le 31 mars 1896.

Le DOYEN DE LA FACULTÉ DES SCIENCES,