S VII

Échauffement des gaz et des vapeurs à volume constant. Conclusions générales.

Au point de vue de l'expérience comme à celui de la théorie, la question qu'indique le titre de ce paragraphe est une des plus difficiles qui se puissent présenter pour le moment; et, dans le domaine de l'observation, les données les plus élémentaires et les plus indispensables nous font défaut. Nous sommes condamnés ici à répondre à la question par à peu près.

J'ai déjà dit à plusieurs reprises que, si R était rigoureusement homogène, c'est-à-dire si tous les atomes qui constituent un corps étaient sollicités les uns vers les autres de la

même manière, en toutes directions, nos lois universelles (-|

et [-^Mj seraient absolument rigoureuses elles-mêmes.

Dans ce cas, il est évident que R serait une fonction exclusive de u ; il ne pourrait s'opérer aucun travail interne dans un gaz dont le volume u ou V serait tenu invariable, et l'on aurait, par conséquent,

{?., = K = const.

Si, comme il en est réellement, R n'est pas rigoureusement homogène, s'il ne l'est qu'approximativement, il ne s'ensuit ni que c^ soit nécessairement différent de K, ni que ce terme soit une variable. Pendant réchauffement d'un gaz (disons d'un corps quelconque) tenu à volume constant par une pression croissante et suffisante, il peut, en effet, s'opérer dans les molécules ou groupes d'atomes simples, et entre les centres de gravité des molécules elles-mêmes, des travaux positifs et négatifs, qui se compensent de telle sorte que la quantité de chaleur que prend l'unité de poids d'un corps pour s'échauffer de ^0 à ^\ reste réellement R(/< — t^. Le fait inverse conduit à un résultat plus précis ; en d'autres termes, si l'on suppose c^ variable, ou si l'on suppose seulement c^ >> ou < R, quoique constant, il en résulte forcément que R cesse d'être homogène. Les suppositions

c^ = var. ou c^ X R

impliquent, en effet, un ensemble de travaux positifs et négatifs qui ne se compensent pas, et impliquent, par conséquent,

aussi Texistence d'un ensemble de forces agissant inégalement entre les atomes et les molécules.

La détermination directe de la valeur de c^^ la constatation de sa constance ou de sa variabilité me semblent être Tun des problèmes de Physique expérimentale les plus difficiles. Pour certains gaz, pour Tacide carbonique entre autres, le problème peut-être n'est pas insoluble. En mêlant, par exemple, des proportions bien déterminées de ce gaz avec de l'oxygène et de l'oxyde de carbone, eux-mêmes entre eux dans le rapport nécessaire pour produire de l'acide carbonique, et en enflammant ce mélange dans un vase fermé, résistant, construit de façon à indiquer la pression maxima de l'acide carbonique au moment de la combustion, on connaîtrait la température du gaz ; et comme, par les beaux travaux de MM. Favre et Silbermann, on connaît aussi la quantité de chaleur produite par cette combustion, on saurait immédiatement l'élévation de température de Tacide carbonique à volume constant due à une addition connue de chaleur. Cette expérience serait analogue à celle que Bunsen a faite sur divers mélanges de gaz détonants pour déterminer la température maxima due à la combustion (*). Le grand physicien n'a opéré que sur des mélanges d'oxyde de carbone et d'oxygène, avec l'un ou l'autre, ou avec de l'azote en excès, et non avec de l'acide carbonique en excès ; sans cette lacune, ce beau travail nous permettrait de résoudre la question et de déterminer c^ pour l'acide carbonique du moins. Mais le nombre des gaz que l'on pourrait soumettre à ce genre d'expériences est extrêmement limité.

Une autre méthode expérimentale indirecte, il est vrai,

C») Annales de Po^endorff, t. CXXXI, t. XI de la 5« série, p. i6i; 1867.

nous permet de reconnaître si c^ est constant ou non. Notre loi

conduit à

lorsqu'on suppose que T varie, tandis que v reste constant et égal à 1^0 : R, en effet, doit rester, dans ce cas, constant aussi et égal à Ro. Il résulte de là que la pression externe d/un gaz ou d'une vapeur que nous échauffons successivement, à volume constant, doit croître par différences égales, si la température croît aussi par différences égales. Il vient, en effet, si l'on pose P2~P,=P,—Po = 5P, T, — T, =T, — To = îT,

cJP=?î^t^5T = B^T.

Dans cet ordre d'expériences, relativement faciles, les faits nous font encore défaut. M. Regnault (* ) a examiné à ce point de vue l'acide carbonique seul (parmi les gaz à pression interne notable) ; mais l'accroissement de pression à volume constant n'a été mesuré que par une seule variation de température (o ^loo) ; il n'est donc pas possible de constater si

l'on a

dP = BcJT.

Ces expériences n'en ont pas moins une grande importance, car elles nous permettent de calculer R© pour quatre densités différentes :

(*) Mémoires de V Académie des Sciences ^ t. XXIX, p. lia.

On trouve, à l'aide du tableau de M. Regnault, en résolvant réquation (P, h- Ro) = (Po -h- R,,)i,3665, pour les valeurs de R répondant à ces densités :

fttm ftim

R =r o,oo55, p = 0,998,

Les deux premières valeurs de R sont beaucoup plus faibles que celles que donne l'équation

et ne concordent d'ailleurs non plus avec les résultats que donnent les recherches de M. Joule. Les deux dernières, au contraire, s'accordent très-tolérablement avec notre équation. J'ai, de mon côté, fait un grand nombre d'expériences sur la vapeur d'eau, à diverses densités, tenue à volume constant et échauffée successivement de t k t -h 8ty ^ -f- 2 d'/, . . . , audessus du point de saturation. On verra (§ 111 du Chapitre VI) une série d'expériences faites dans le même sens sur les vapeurs d*éther, d'alcool, de benzine, de sulfure et de bichlorure de carbone. Le lecteur connaît déjà les résultats de mes recherches ; ils concordent, autant qu'il était permis de l'espérer, entre eux et avec l'équation

P = (Po-+-Ro)f ~Ro.

Il en est de même des résultats qu'ont donnés les autres vapeurs. Je dis autant qu'il était permis.,.. Il serait fastidieux de parler des mille et mille tâtonnements auxquels j'ai eu à recourir dans la construction des appareils, dans la conduite

des expériences, etc., etc., pour arriver à des résultats réguliers et dignes de quelque confiance. La concordance de l'équation f - ^ Cl) J avec les résultats d'expériences où la densité

de ]a vapeur d'eau, entre autres, a été portée successivement de o^*, 5 à 8 kilogrammes, et où les températures pour une même densité ont été portées successivement (de lo en lo degrés ou de 20 en 20 degrés) fort au-dessus du point de saturation, cette concordance, dis-je, est significative; elle nous autorise à dire que, pour la vapeur d'eau tout au moins, la valeur de R reste à fort peu près constante, quelle que soit la température, tant que v ne varie pas, et elle nous autorise à admettre, par contre-coup, que c^ est à bien peu près constant et égal à K = 0,4.

Je discuterai, dans un Chapitre distinct, et sous une forme beaucoup plus générale, la validité de l'équation universelle ( - ) et de son corollaire ( - ^ (» J : nous aurons d'abord

à l'étendre bien plus encore xjue nous ne l'avons fait jusqu'ici. Je m'arrête, pour terminer ce Chapitre, à ce qui ressort à la fois de plus neuf et, en apparence, de plus bizarre dans l'ensemble des phénomènes que nous avons passés en revue.

Un fait frappant qui ressort de notre étude, c'est que les gaz et les vapeurs sont doués d'une cohésion réelle. Cet énoncé semble à première vue paradoxal, alors qu'il concerne des corps dont les parties sont continuellement dans un état de répulsion réciproque tel, qu'ils remplissent instantanément l'espace vide, si grand qu'il soit, qui leur est offert. Lorsque nous y regardons d'un peu plus près, cet énoncé reprend trèspromptement un sens naturel. Remarquons, en e£Fet, que ce qui constitue pour nous la pression d'un gaz n'est autre chose que l'intensité de la puissance répulsive de la chaleur (en toute hypothèse sur sa nature) diminuée de l'intensité de l'en-

semble des forces internes qui tendent à réduire le volume : tant que la première de ces puissances surpasse la seconde, le corps tend à augmenter de volume et exerce en tous sens une pression sur les parois du vase qui le contient. Notre terme R, qui n'est que la mesure de la somme des forces attractives internes y est toujours plus petit , et en général beaucoup plus petit (dans les vapeurs même saturées) que la valeur de la force répulsive du calorique. L'expression de celle-ci est

La pression externe de la vapeur ou du gaz, au contraire, est

Comme nous n'avons directement que la notion de P et nullement celle de Ç, nous sommes d'abord portés à croire que R n'existe pas. Ce terme, quoique petit relativement à P dans les gaz et les vapeurs, prend cependant, dans ces dernières, des valeurs dont la grandeiu* est frappante. Dans la vapeur d'eau à i5**™, 38 et aoo degrés, par exemple, il s'élève à 3 atmosphères !

Nous voyons que, quand nous tenons compte de ce terme, quand nous le réunissons à P, nous arrivons à une loi

( - ^ 0) 1 qui, pour les gaz et les vapeurs, même au point de

saturation, traduit aussi fidèlement les relations de T, V et P que le faisait l'ancienne loi de Mariotte quant aux gaz raréfiés. Cette nouvelle forme de la loi de Mariotte et Gay-Lussac se présente elle-même à nous comme une loi troublée. Mais, avant de nous occuper de la nature de ces perturbations, nous devons étendre encore davantage l'application de la loi prise telle quelle.