EN GÉNÉRAL

Trois choses très distinctes et essentielles sont & considérer dans un moteur quelconque.

l** Dne FORGE, ou cause de mouvement qui détermine en définitive la puissance, l'activité de la machine : sous forme potentieUe, lorsqu'elle est arrêtée ; sous forme effective, lorsqu'elle fonctionne. C'est cette Force qui donne au moteur son nom générique : ainà Yious disons avec beaucoup d'expression : Machine calorique. Machine électro-magnétique, etc.

29 Un corps intermédiaire moyennant lequel la Force peut manifester son action, exercer sa puissance sur d'autres corps. (Test ce ^ corps qui donne au moteur son nom spécifique ; c'est ainsi que nous disons : Machine à vapeur, à gaz, à éther, etc.

3<* Un ensemble de pièces, les unes fixes, les autres mobiles, constituant un organisme, et recueillant l'action de la Force sur le Corps Intermédiaire. C'est cet ensemble qui fait du moteur ce que nous appelons une machine, et dont les diverses formes constituent les variétés dans le genre et dans l'espèce. C'est ainsi que nous disons : machine à vapeur, à détente fixe ou variable, 'mec ou sans condensation, etc.

D'après cela, pour établir la liiéorie spécifique ou particulière d'un moteur, nous ayons visiblement à remplir deux conditions tout-àfait essentielles.

lo n nous importe d'abord de connaître très exactement tous tes phénomènes auxquels donne lieu l'action de la Porce%ir le Corps qui sert d'intermédiaire. C'est ainsi que, pour construire la thé(Mie de la machine à vapeur, il est indispensable de tx)nnaltre tous les résultats de l'action du calorique sur l'eau.

2** Ces phénomènes étant bien déterminés, nous avons à chercher à quels effets conduit leur réalisation, lorsque h corps soumis à l'action de la Force se trouve renfermé dans un organisme spécial, capable de recueillir et de transmettre les effets dynamiques produits, n est clair qu'aucune théorie spéciale n'est possible avant que la première condition n'ait été remplie avec une approximation suffisaute. Mais supposons qu'elle le soit, supposons que nous ayons bien étudié les propriétés les plus saillantes du corps intermédiaire qui

spécifie le moteur. Les procédés mêmes à Faide desquels nous sommes forcés de faire cette étude, nous montrent que la théorie spécifique que nous en tirerons, peut s'établir de deux manières diflërentes. Que nous étudions un Corps à l'aide de l'expérience, ou à l'aide de l'analyse mathématique, ou, comme c'est presque toujours le cas, à l'aide des deux à la fois, cette étude se fait toujours en dehors du moteur Im^même^ et vndépendammefU de toute forme spéciale d'ctppUccktion, Cela posé :

lo On peut considérer l'organisme du moteur comme un assemblage de pièces dénuées de propriétés physiques, et n'ayant, par suite, aucune action directe sur le corps qui sert d'intermédiaire à la Force, comme un simple réceptacle mécanique de la somme des efibrts que représente cette puissance motrice. On admet alors implicitement que le corps intemédiaire n'éprouve aucune modification dans les phénomènes qu'il produit, lorsqu'on le transporte ainsi du cabinet du physicien, ou de celui du mathématîGien dans l'intérieur de la machine qu'il doit faire fonctionner. Pour le cas de la machine à vapeur, par exemple, on admet ainsi que la loi d'expansion du gaz aqueux reste toujours la même ; on admet im* pUdtement que le cylindre moteur est formé d'une matière imper^ méable au calorique, qu'il ne cède ou ne prend aucune chaleur à la vapeur pendant le travail, etc.

2^ Considérant au contraire les choses comme elles sont en réalité, on peut chercher à tenir compte du r41e que jouent les diverses pièces du moteur, en vertu de leurs propriétés physiques. Aucun corps n'est imperméable au calorique : les métaux moins que tous les autres; le fer des cylindres, des pistcms, etc., s'échauffe aux dépens de la vapeur, ou par suite des frottements: H y a donc lieu de s'occuper des modifications que ces nouveaux phénomènes introduisent dans les effets dynamiques du corps sur lequel agit le calorique, de voir si cette intervention est favorable ou défavorable, selon les conditions particulières de la construction, etc.

Bien que la première méthode, pour fonder une théorie, puisse

à la rigueur reposer sur Texpérience au même titre que la seconde, il n'en est pas moins vrai que ceile-€i a un caractère très différent. Toutes deux peuvent affecter la forme analytique et expérimentale; mais la seconde a de plus une forme pratique, en ce sens que Fou y tient compte des conditions particulières que l'application à tel ou tel cas donné introduit dans les théorèmes généraux qu'a pu édifier Tanalyste ou le physicien : je désignerai sous le nom de théorie pratique les résultats obtenus ainsi, et le lecteur sera bientôt pénétré de la convenance de cette expression, bien qu'au premier abord, et pour beaucoup de personnes, ces deux mots semblent si contradictoires que Ton ne saurait les réunir sans contre-sens. Nous laisserons le nom de théorie générique au résultat final de la première méthode.

C'est d'après cette dernière qu'ont été établies, à peu près sans exception, toutes les théories, fausses ou justes en elles-mêmes, des divers moteurs caloriques. En ce qui concerne la machine à vapeur, par exemple, on ne s'est jamais, en aucune façon, préoccupé du mode d'intervention des parois des cylindres, considérées comme réservoirs de chaleur, on s'est appuyé sur une prétendue mmœnducttifilité des gaz, pour négliger complètement les pertes ou les bénéfices de chaleur qu'éprouve la vapeur pendant son travail dans le cylindre.

Q'une théorie, juste ou non d'ailleurs en elle-même, obtenue ainsi soit essentiellement irrationnelle , que la théorie pratique ait seule un caractère scientifique, c'est ce qui est évident par soi même. Mais ce dont la plupsurt de mes lecteurs, assurément, seront étonnés, c'est de l'étendue des erreurs auxquelles peut dans certains cas conduire ce que nous avons nommé une théorie générique. C'est ce qu'il est utile de faire ressortir.

ETENDUE DES ERREURS POSSIBLES d'uNE THÉORIE GÉNÉRIQUE.

Je commence par citer un exemple des plus frappants, qui aujourd'hui peut être connu de tout le monde.

Parmi les nombreux perfectionnements que Wâtt a introduits dans la machine à vapeur, et qu'on doit, pour peu qu'on veuille rester juste, considérer comme constituant l'invention de ce moteur, le plus singulier, le moins rationnel en apparence^ c'est certainement l'enveloppe à vapeur du cylindre moteur. On sait en effet qu'au lieu de faire affluer directement aux bottes à distribution la vapeur de la chaudière. Watt plaçait le cylindre dans im autre, concentrique et d'un plus grand diamètre, et faisait arriver la vapeur comprimée de la chaudière dans l'espace annulaire compris entre les parois internes du cylindre externe, elles paroisextemes du cylindre moteur, pour l'introduire seulement ensuite dans les boites. Quels ont pu être les raisonnements qui ont dirigé cet homme de génie, pour faire une addition aussi compUquée de construction ? C'est ce qu'il serait fort difficile de dire, et l'on peut même ajouter, qu'en partant des connaissances que l'on avait à âin époque, et longtemps après encore, des propriétés de la vapeur d'eau, on devait regarder l'emploi de la chemise à vapeur comme nuisible, bien plutôt que comme utile. •En effet, pouvait-on-dire, si d'une part le cylindre moteur est préservé de tout refroidissement externe par la vapeur qui l'entoure, d'autre part, l'enveloppe elle-même, dont la surface est pi us grande, et dont la température, partout égale, est partout plus élevée aussi que celle du cylindre moteur, cette enveloppe doit beaucoup plus perdre par rayonnement et par contact avec l'air que ne le ferait le cylindre tout seul : il convient beaucoup mieux de se borner à protéger ce dernier avec une enveloppe isolante qui, bien faite, réduit à peu près à rien les pertes de chaleur externes. » Telle est la critique, très correcte en apparence, qu'ont faite de l'enveloppe à vapeur, plusieurs auteurs de mérite, et notamment Tredgold; critique qui a porté le plus grand nombre des constructeurs à abandonner entièrement l'usage de cet appendice , tandis que d'autres le continuaient par esprit de routine, et pour n'avoir pas la peine de changer quelque chose au patron taillé par le mattre. Eh bien 1 cette critique, ou ce qui est beaucoup plus juste, les conclusions qu'on en a tirées, tombent devant les faits, et de la façon la plus surprenante.

Par des 6xp6rieAc88 trè9«bieB Caâtes, M. Combes a éémouM que, dans des conditions rigoureusement semblables, une môme machiiie peut donner de 15 à 25 p^/o de force de plus ou de moins, selon qu'on fait ou non passer la vapeur par Tenveloppe avant de Tintroduire au cylindre moteur, et sans que pour cela la d^ense en combustlble soit modifiée. Tels sont les résultats que j'ai mis, de mon cOté, en évidence dans mon mémoire : «Sur l'utilité de l'enveloppe à vapeur» (Bulletin de la Société industrielle de Mulhouse, N^ 133).

En dehors de toute explication, il est évident que la cause en action ici ue peut être autre que le calorique transnlis^ dans un cas et non dans l'autre, par les parois du cylindre moteur, dans un sens ou dans l'autre, et l'on voit combien cette action est énergique puisqu'elle peut modifier de L les effets dynamiques d'une machine.

Dans aucune théorie cependant, on t'avait songé à tenir compte de l'intervention des parois des cylindres. Et j'ajoute que, quand on y eût songé, il eût été impossible de le faire : la théorie méeani* que seule permet, sinon de déterminer numériquement des effets qui par leur complication échapperont toujours au calcul, du moins d'indiquer à priori leur sens.

Cet exemple est plus propre qu'aucun autre à nous prouver qu'il est impossible de traiter l'organisme d'un moteur comme un ensemble de pièces passives , et d'établir des équations théoriques comme si le corps intermédiaire (vapeur, gaz, etc.) se comportait dans cet organisme connue dans le cabt&et du physicien. H nous montre que les théories génériques, même ooirectes, qu'on a fondées jusqu'ici, ne peuvent conduire tout au ptus qu'à des approximations, et que ce que j'ai voramé théorie pratique peut seul affecter une formé scientifique. C'est ce que je vais bientôt Caire ressortir beaucoup plus en détail. Qu'il me soit setilanent permis de le diie en passant, et sans aucun esprit de blâme ou de critique malveillante, c^ exemple et tmos ceux qui suivront, eiptiquent, s'ils ne la légitiment pas, l'espèce de méfiance et presque de dédain qu'ont

encote aujourd'hui pour les données de œ qu'on appelle improprement théorie, beaucoup de personnes qui ont acquis leurs connaissances en mécanique appliquée, à l'aide d'une longue pratique, et en dehors d'une étude scientifique sérieuse. Ces personnes ont toutefois le tort grave de condamner ici la science elle-même, au lieu de se borner à en critiquer une application dont en réalité le raisonnement et le calcul montrent les côtés fautifs.

Si je ne me trompe, H. Combes est le premier ingénieur qui ait montré, au moins sous l'une de ses faces, l'importance du rôle que joue, dans les effets de la machine à vapeur, la chaleur cédée ou enlevée au gaz aqueux par les surfaces des pièces fixes ou mobiles en contact avec lui. On peut dire, sans exagération, qu'au point de vue de la science appliquée, la mise en relief de ce rôle constitue un progrès immense et une vraie découverte.

Complication extrême de l'analyse des effets d'un moteur

CALORIQUE, PAR SUITE DE l'iNTERVENTION DE LA CHALEUR PRISE OU CÉDÉE PAR LES PIÈCES DE l'ORGANISME. — ImPOSSIBILIIÉ QUI EN RÉSULTE D'ÉTABLIR , EN THÈSE GÉNÉRALE , UNE THÉORIE

PRATIQUE. — Impossibilité qui en résulte de vérifier la

PLUPART DES PROPOSITIONS DB LA THÉORIE MÉGANIQUE DE LA CHALEUR , SAUF UNE SEULE.

Ptmr bien faire comprendre le caractère de complication qu'afiécte l'analyse des effets d'un moteur calorique, lorsqu'on cesse de considérer l'organisme de la machine comme entièrement passif, et pour montrer en même temps qu'il est désormais indispensable de tenir compte de l'action propre à cet organisme, il va me suifire d'ana-

lyser avec attention le cas le plus simple en apparence qui puisse se présenter.

Supposons une machine à cylindre unique sans enveloppe à vapeur, i condensation, à détente variable, travaillant avec vapeur saturée; admettons que le cylindre soit garanti de tout refiroidisse-

ment externe par une enveloppe isolante, résultat qa*il est toiqouis possible d'obtenir à bien peu près relativement.

Pour fUorles idées, supposons que la pression dans la chaudière soit de 5'*' (152<»,2), que la machine soit en plein travail et que la détente soit d'abord tenue constante de 1 à 5 (en volume). Dansées conditions, la vapeur afflue de la chaudière au cylindre pendant un cinquième de la course du piston, à partir des deux extrémités. Pendant cette portion de la course , le couvercle inférieur ou supérieur du cylindre, la face inférieure ou supérieure du piston, et les parois du cylindre qui y répondent, se mettent nécessairement à la température de la vapeur ; et celle-ci se condense jusqu'à ce que cette condition soit remplie. Dès que la communication avec la chaudière est coupée, et que la détente commence, la vapeur se refroidit, et enlève par suite de la chaleur aux parois comprises entre la partie qui répond à la course en pleine pression. A mesure que le piston avance, la vapeur cède de sa chaleur aux parties nouvelles des parois qui lui sont ofTertes, et qui n'ont rien reçu pendant l'afflùl de la chaudière au cylindre; mais à mesure que le refroidissement de la vapeur croît , ces parties d'abord chauffées cèdent de nouveau de la chaleur. A partir du milieu du cylindre, la vapeur rencontre des parois qui avaient elles-mêmes été chauffées par la course précédente du piston. Lorsque le piston est arrivé à la fin de sa course, la vapeur qui le poussait se jette dans le condenseur : pendant cette nouvelle expansion, elle enlève donc de la chaleur à toute la surface libre, et la quantité enlevée varie selon la rapidité de Té* coulement ; elle est d'autant plus notable que cet écoulement est plus lent.

Si, avec les faits précédents nous faisons encore entrer en ligne de compte : 1° la chaleur que le frottement du piston développe^ et qui s'ajoute à la vapeur dans une proportion tout autre que le travail qu'elle représente et qu'elle coûte ; 2"" le transport de chaleur qui se fait par le contact du piston avec les parois, nous serons obligés de dire que nous nous trouvons devant un ensemble de pbé-

Domènes thermiques tellement compliqué que l'analyse mathématique ne pourra jamais Taborder avec une exactitude satisfaisante. Quelques faits saillants ressortent pour ainsi dire d'eux-mêmes des considérations précédentes.

Dans la machine que nous venons de prendre pour exemple : l^^ Les extrémités du cylindre doivent être à une température moyennement plus élevée que le milieu. C'est ce qu'il est aisé de reconnaître, en effet, par l'observation; 2° la moyenne de la température des extrémités est nécessairement inférieure à la température de la vapeur de la chaudière, tandis que la moyenne de la température du milieu est au contraire supérieure à la température moyenne de la vapeur qui se détend. D'où il résulte que pendant que la vapeur aiDue de la chaudière au cylindre, il s'en condense nécessairement une partie plus ou moins grande, et qu'ensuite la loi d'expansion est tout autre que celle qui répond par exemple au problème II (g 35) de Zeuner. C'est encore là un double fait que j'ai été à même de constater plusieurs fois dans le cours de mes recherches. Le mécanisme de détente de l'une des machines à un cylindre que j'ai étudiées était en effet tel, que je pouvais connaître très exactement. le volume engendré par le piston avant que la détente ne commençât : en divisant par ce volume le poids de vapeur dépensée par coup de piston, poids qui était toujours connu exactement, on avait évidemment la densité de la vapeur. Or, dans les conditions indiquées, cette densité était toujours de beaucoup supérieure à celle qui répondait à la vapeur de la chaudière : il s'opérait donc dans le cylindre^ et pendant l'afflût de vapeur, une condensation partielle qui faussait les calculs et qui faisait croire à une densité trop grande. J'ai présenté (bulletin 133 de la Société industrielle de Mulhouse) une critique de Yindicar leur de Watt qui montre clairement que cet ingénieux instrument ne peut donner avec une exactitude satisfaisante la courbe des pressions ; toutefois, j'ai montré aussi qu'il peut au moins servir à faire connaître la pression initiale avant la détente, et la pression finale quand la détente est terminée. Or, ici encore, je n'ai jamais pu

trouver un accord quelque péu satisftiisaDt entre lé calcul et l'ob* servalion ; la loi d'expansion, en un mot« dans un cylindre unique et sans enveloppe à vapeur, est autre que celle de la vapeur saturée qui ne reçoit ni ne perd de chaleur extérieurement pendant Texpansion.

L'analyse raisonnée du cas spécial que j'ai choisi comme exemple .nous montre que, quand bien même nous saurions tenir compte correctement de l'effet produit par les échanges continus de chaleor qui se font entre le corps du cylindre et la vapeur qui le traverse, la théorie pratique que nous serions à môme d'édifier ne pourrait plus traduire les fonctions de la machine à vapeur en équations gé* nérales, et que les formules obtenues affecteraient une forme spéciale selon chaque cas. Il est de plus évident que pour beaucoup de systèmes de machine^ la construction de ces équations spéciales serait encore impossible. En effet , supposons que dans l'exemple choisi précédemment la détente, au lieu d'être stable et réglée au cinquième, varie à chaque instant, comme c'est aujourd'hui le cas le plus commun : l'état thermal moyen des pièces du cylindre, déjà si compliqué avec une détente constante, variera d'un coup de piston à l'autre, et avec lui devront varier les équations dans lesquelles nous avons tenu compte de Taction perturbatrice de la chaleur alternativement cédée et enlevée à la vapeur par les parois.

n est donc, comme je l'ai dit, à toutjamais impossible d'édifier sous forme générale une théorie pratique , c'eslrànlire exacte et scientifique, de la machine à vapeur. Je vais rendre cette assertion plus claire encore, en, montrant combien il faut être circonspect lorsqu'on veut vérifier à l'aide de la machine à vapeur (ou de tout autre moteur calorique ) la théorie mécanique de la chaleur, non dans son principe^ mais dans ses détails.

Dans les expériences décrites [3^- partie, page 84) nous ainDus déterminé la chaleur fournie à la machine A vapeur, et la chaleur rendue par elle; les expériences ont été conduites de telle sorte que, quels que fussent les changements de régime, les pertes accès*

soires et inâéterminées de chaleur ou de travail étaient constantes; par la nature mèxûe du problème, nous n'avions à nous occuper que de ce qui se passe à rentrée et à la sortie de la machine, et ûuUement de ce qui se passe dans son intérieur. Nous avons donc pu conclure, de la manière la plus positive, que le travail livré est exclusivement proportionnel à la chaleur qui manque à la sortie. Cette proposition est capitale pour la théorie, mais c'est, sauf bien peu d'ex<5eptîons, tout ce qu'il est possible de vérifier expérimentalement à l'aide de la machine à vapeur. Pour nous en convaincre, analysons mieux encore l'exemple de la machine Woolf marchant avec ou sans enveloppe à vapeur.

La pression de la chaudière étant constante et de S"** ,75, le robinet d'admissiofl étant totalement ouvert, la machine donnait au frein, et par coup de piston, 9910*— de travail avec l'enveloppe, et 761 2*'-"- sans elle. Diverses recherches, qu'il serait trop long de développer ici, m'ont montré que la machine en question donnait au frein environ 80 p. ^U de l'effet disponible. Le travail externe rendu était donc en réalité 12385*"^- dans un cas et 9515^^- dans l'autre.

Dans l'un et l'autre cas, la pression dans le petit cylindre était de S*- ,75 d'un bout à l'autre de la course ; la contre-pression dans le grand cylindre était de O*'- ,2. Le travail dû à la pleins pression était donc constant : je l'ai trouvé, toutes réductions et corrections faites, de 5869*'"- Le bénéfice de travail produit par Fenveloppe était par suite dû exclusivement à la détente de la vapeur, et le travail était de (12385—5869) = 6516*— avec l'enveloppe, etde (9515 - 5869) = 3646,''"- sans' enveloppe. Cette énorme différence évidemment ne peut être attribuée qu'à l'action des parois, tenues dans un cas à une température constante de 141«>,7 et dans l'autre cas k une température moyenne bien inférieure ; mais ceci n'est pas une explication, et il y a lieu d'en chercher une.

L'idée la plus naturelle qui se présente ici, c'est de dire que, puisque dans un cas la vapeur se détend sans addition ni soustraction externe de calorique, et que dans fautre cas elle reçoit de la

chaleur, la loi d'expansion doit être modifiée, et que la chute de pression doit être bien plus rapide en premier lieu qu'en second. Cette interprétation tout-à-fait correcte en elle-même, est celle que j*ai donnée, mais trop exclusivement, on va le voir, dans mon mémoire.

Lorsque la machine marchait sans enveloppe, la dépense par coup de piston était de 0^"',4125 de vapeur à 3"- ,75 entraînant O^"-,023 d'eau en poussière, La pression finale au bout de la détente était 0"',685, ce qui répond à 90^ En employant ici la formule (135) de Zeuner , qui répond au cas de la vapeur ne recevant point de chaleur pendant sa détente, on trouve :

= 22«^-,12 pour la chaleur consonunée en travail, et par conséquent :