CHALEUR DE VAPORISATION

recherches sur la calorimétrie des vapeurs et déterminé d'une façon très-précise la quantité de chaleur nécessaire pour réduire en vapeur, sous diverses pressions et aux températures correspondantes, un kilogramme d'eau prise à la température de la glace fondante. Cette quantité se compose de trois parties : t° de la chaleur employée à élever la température de l’eau liquide au degré voulu, correspondant à la pression; a 0 delà chaleur équivalente au travail intramoléculaire dû à l'écartement des molécules liquides pour la conversion en vapeur; 3° de la chaleur équivalente au travail extérieur, ou au produit de l’excès du volume de la vapeur sur celui de l’eau liquide, par la pression sous laquelle a lieu cet accroissement de volume. Ces deux dernières parties constituent ce que les physiciens ont appelé la chaleur latente et que l’on appelle aujourd’hui chaleur de vaporisation , dénomination préférable en ce qu’elle exprime simplement le fait révélé par l'observation, tandis que la première impliquait la réalité de l’existence d'une chaleur qui serait seulement dissimulée. Or, d’après la théorie nouvelle, la chaleur de vaporisation n’existe pas dans la vapeur. Elle peut, à la vérité, être reproduite et apparaître de nouveau lorsque la vapeur est liquéfiée. Mais des deux parties dont elle est formée, celle qui est équivalente au travail intramoléculaire sera seule reproduite intégralement dans tous les cas; celle qui est équivalente au travail mécanique extérieur ne le sera qu’à une condition, c’est que le travail mécanique externe durant la liquéfaction sera exactement égal, en valeur absolue, et de signe contraire, au travail externe déveveloppé pendant la vaporisation, ce qui n'a pas nécessairement lieu dans tous les cas.

Lorsque l’eau, prise à o" centigrade, est chauirée et vaporisée sous une pression constante, les expériences de M. Régnault nous apprennent que la chaleur communiquée est une fonction linéaire de la température finale et donne les deux coefficients numériques de cette fonction. Nous connaissons aussi, par d’autres expériences du même physicien, la chaleur nécessaire pour l’échauf-

2t'i CHALEUR DE VAPORtS tTION.

fement de l’eau liquide de zéro degré à la température finale, et une simple soustraction nous donne la chaleur totale de vaporisation dans les circonstances indiquées. Les équations fondamentales de la théorie de la chaleur sont applicables à cette conversion de l’eau en vapeur, puisqu’elle a lieu par un procédé évidemment renversable. L'invariabilité de la température çt de la pression durant le changement d’état rendent cette application particulièrement simple et facile. On obtient ainsi une seconde expression de la chaleur de vaporisation, dans laquelle entrent comme facteurs, avec l’excès du volume de la vapeur sur celui de l’eau liquide, la température absolue, l’équivalent, calorifique du travail mécanique et la dérivée de la pression de la vapeur saturée par rapport à la température, dérivée qu’on peut calculer au moyen des formules empiriques, des tableaux ou des courbes graphiques, dans lesquelles se résument les expériences de M. Régnault sur ce sujet. De là une équation où ne figure plus qu'une seule inconnue, l’excès du volume de la vapeur sur celui de l’eau liquide, à la température donnée et sous la pression correspondante. En la dégageant, nous avons le volume relatif et la densité de la vapeur saturée, dont la détermination par l’expérience a présenté des difficultés jusqu’ici insurmontables. Le volume de la vapeur étant connu, on en déduit la chaleur équivalente au travail mécanique extérieur développé pendant la vaporisation et l'on a ensuite, par différence, la chaleur équivalente au travail intramoléculaire. C est encore à i\l. Clausius que nous devons ces belles conséquences de la théorie dont il a posé les fondements.

M. Zeuuer a remarqué que la chaleur équivalente au travail extérieur, dans la vaporisation de l’eau , est très-approxiraativement proportionnelle au logarithme népérien de la température absolue divisée par le nombre 100. Quant à la chaleur équivalente au travail intramoléculaire, elle décroît à mesure que la température augmente et est exprimée par une formule composée d’un pre-

LOIS DES MÉLAMiES.

mier ternie constant et d'un second ternie négatif, où la température entre comme facteur au premier degré. Si on y ajoute la chaleur employée à l’échaulïenient de l’eau de o° centigrade à la température finale, la somme peut encore être exprimée, avec une grande, approximation, par une formule à deux termes, l’un et l’autre positifs, dont le premier est constant et l’autre renferme la température au premier degré.

La théorie complète des mélanges de vapeur et de liquide et des vapeurs à l’état de saturation découle aisément des mêmes principes. Ainsi l'on obtient sans difficulté l’expression algébrique de la somme de la chaleur réellement existante dans un kilogramme d’un mélange d’eau liquide et de vapeur d’eau en proportions connues et à une température quelconque donnée, et de la chaleur équivalente au travail iutramoléculaire correspondant à lu formation de la vapeur existante dans ce mélange. Cette expression renferme la température absolue du mélange, la chaleur spécifique de l’eau, qui est une fonction de la température, et cette première partie de la chaleur de vaporisation qui représente le travail intramoléculaire. On reconnaît, en discutant l’équation, qu un changement infiniment petit de température, occasionné non par une addition ou une soustraction de chaleur, mais par une variation infiniment petite du volume en plus ou en moins, entraîne un changement du même ordre dans les proportions relatives d’eau liquide et de vapeur qui constituent le mélange, c’est-à-dire soit une vaporisation d’eau liquide, soit une précipitation de vapeur, et que la question de savoir si l’abaissement de température amènera une précipitation de vapeur ou une vaporisation d’eau, et vice versa, dépend du signe positif ou négatif d’une expression dans laquelle entrent la température absolue du mélange, la chaleur nécessaire pour porter un kilogramme d'eau liquide de o° centigrade à cette température, la chaleur nécessaire pour convertir un kilogramme d’eau liquide prise à zéro degré en vapeur à la même température, sous la pression constante qui y correspond, et enfin la dé-

216 EFFETS DE I.A COMPRESSION ET DE LA DILATATION rivée de cette dernière quantité de chaleur par rapport à la température. Ces dernières quantités étant parfaitement connues entre les températures o° et 23o° par les expériences de M. Régnault, leur substitution dans l’expression dont nous venons de parler montre qu’entre ces limites toute dilatation du volume du mélange, qui produira nécessairement un abaissement de température, sera suivie d’une précipitation de vapeur; qu’au contraire toute contraction déterminée par une force extérieure, qui produirait une élévation de température, sera suivie d’une vaporisation d’eau; d’où cette conséquence, annoncée d’abord par M. Clausius et vérifiée depuis expérimentalement par M. Hirn, que si la vapeur était d’abord saturée, mais absolument pure de tout mélange d'eau liquide , la dilatation , sans addition ni soustraction de chaleur, donnerait nécessairement lieu à une condensation partielle de la vapeur, tandis que, la contraction élevant la température, la vapeur cesserait d’être à l’état de saturation et deviendrait surchauffée.

M. Régnault a fait sur plusieurs liquides, l’éther vinique, le sulfure de carbone, le chloroforme, le chlorure de carbone, etc. des expériences aussi précises, quoique moins étendues, que sur la vapeur d’eau, et il a déterminé, pour chacun d’eux, la chaleur spécifique et la chaleur totale de vaporisation en fonction des températures, de sorte que nous possédons, entre les limites de températures auxquelles il a opéré, les éléments à substituer dans la formule dont le signe indique le sens du phénomène. Le calcul fait sur les données relatives à l’éther vinique annonce que sa vapeur doit se comporter, aux températures comprises entre o° et ioo° centig. autrement que la vapeur d’eau; que la réduction du volume doit être suivie d’une précipitation de vapeur, et la dilatation d’une vaporisation d’éther liquide. Le même calcul, fait sur les éléments qui se rapportent au chloroforme et au chlorure de carbone, nous annonce que les vapeurs de ces liquides se comporteront comme la vapeur d’eau jusqu’à la température de 1 a5° à 1 5o° centigrades, et comme la vapeur d'éther, à des températures plus élevées. Des

D’UN MÉLANGE DE VAPEUR ET DE LIQUIDE, expériences déjà anciennes de M. Hirn ont fait voir que les choses se passent en réalité pour l’éther comme le calcul l’indique. Des expériences toutes récentes de M. Hirn et de M. Cazin ont montré qu’il en est de même pour le chloroforme et le chlorure de carbone, dont les vapeurs offrent en effet un point d’inversion, à des températures voisines de celles que donne la formule. Il est impossible de ne pas considérer ces résultats comme des preuves à posteriori des principes fondamentaux de la théorie qui les a prédits et de l’exactitude des expériences de l’illustre physicien qui peut en être regardé comme le principal créateur.

La vapeur d’eau, an moment de son admission dans le cylindre des machines ordinaires, est toujours saturée et chargée d’une certaine quantité d’eau liquide. L’expansion qui a lieu , après la fermeture de la soupape d’admission, est accompagnée, d’après ce qui vient d’être dit, d’une précipitation de vapeur. La quantité d'eau entraînée par la vapeur introduite étant supposée connue, la théorie permet de calculer : i° les proportions relatives d’eau et de vapeur qui existeront dans le mélange amené par l’expansion à une température quelconque, si l’expansion a eu lieu sans addition ni soustraction de chaleur; a 0 le volume occupé alors par le mélange, et la quantité de chaleur qu’il renferme, y compris celle qui équivaut au travail intramoléculaire de vaporisation. Cette quantité étant soustraite de celles que contenaient primitivement la vapeur et l’eau admises, y compris la chaleur équivalente au travail interne de vaporisation, la différence exprime la chaleur convertie en travail mécanique développé et transmis au piston mobile, durant la détente de la vapeur et fait connaître, par conséquent, ce travail lui-même. Dans les anciennes méthodes on admettait, pour l’évaluer, que la pression de la vapeur variait, pendant la détente, soit en raison inverse du volume, suivant la loi de Mariotte, soit en raison inverse d’une puissance du volume ayant pour indice le rapport des deux chaleurs spécifiques, rapport auquel on attribuait la valeur trouvée pour les gaz permanents, soit

MACHINES A VAPEl'K SURCHAUFFÉE, en considérant la vapeur comme se maintenant à l’état de saturation, sans aucune condensation. A ces trois hypothèses gratuites et toutes également fausses, la théorie nouvelle substitue une méthode fondée sur des expériences d’une extrême précision, et applicable sûrement, pourvu que la vapeur reste constamment saturée.

On a fait, depuis plusieurs années, d’assez nombreuses tentatives pour alimenter les machines avec de la vapeur surchauffée, c’est-à-dire qu’au lieu d’y introduire la vapeur directement à sa sortie de la chaudière, on la chauffe préalablement hors du contact de l’eau jusqu’à 200° ou aûo° centigrades, sa forme élastique demeurant toujours égale à celle qui existe dans la chaudière. La vapeur admise se comporte alors comme un gaz dans le voisinage du point de liquéfaction. La surchauffe, telle qu’elle est pratiquée par M. Hirn au Logelbach, donne, d’après les expériences faites sur la demande de M. Hirn par une commission déléguée par la Société industrielle de Mulhouse, des résultats avantageux, et procure notamment une grande économie de combustible. Les expériences entreprises par ce savant et habile physicien ne sont pas encore suffisantes pour établir la loi, extrêmement compliquée sans doute, qui lie le volume, la pression et la température de la vapeur dans le voisinage du point de saturation, et pour faire connaître avec précision les variations de sa chaleur spécifique avec la pression et la température. Le rapport de la commission de la Société industrielle de Mulhouse n’a pas encore été rendu public. Les éléments nous manquent donc pour établir la théorie complète et sûre des machines à vapeur surchauffée.

La comparaison de la quantité de travail produite par une machine à vapeur avec la quantité de chaleur que dégage le combustible brûlé dans le foyer de sa chaudière, semble d’abord défavorable aux machines à vapeur; car les plus parfaites n’utilisent que 8 pour 100 de la chaleur produite dans le foyer. Mais il s'en faut que la quantité de chaleur produite par le combustible puisse être entièrement utilisée, et la théorie donne elle-même la mesure