DAVY

chaleur. Rumford remarqua aussi que la chaleur engendrée est « exactement proportionnelle à la force avec laquelle les deux surfaces sont pressées l'une contre l'autre et à la rapidité du frottement », ce qui revient simplement à dire qu'il y a équivalence entre la quantité de travail consommé ou d'énergie dépensée, et la quantité de chaleur dégagée. Tel fut le premier progrès important qui ait ouvert la voie à la thermodynamique. Les travaux de Rumford sont la pierre angulaire de cette science.

Peu après (1799) sir Humphry Davy publia les détails d'une expérience, qui confirmait d'une manière décisive les conséquences tirées du travail de Rumford. En frottant deux morceaux de glace l'un contre l'autre, il constata que ce frottement amenait leur fusion. D'où il concluait : a II est évident que par le frottement la glace est changée

en eau Le frottement, par conséquent, ne diminue pas

la capacité des corps pour la chaleur. »

Racon et Newton, Hookeet Royle, semblent avoir, longtemps avant Rumford, admis comme probable la théorie dynamique ou vibratoire de la chaleur, et vu en elle une forme du mouvement; mais ce fut Davy qui, en 1812, exposa clairement et avec précision la nature réelle de la chaleur en disant : « La cause immédiate du phénomène de la chaleur est due au mouvement, et les lois en vertu desquelles elle se communique sont exactement les mêmes que celles de la communication du mouvement. » Cette opinion reposait sur la même base que celle de Rumford.

Une fois ces notions établies, il devint évident que la détermination de la valeur exacte del'équivalent mécanique do la chaleur n'était plus qu'une affaire d'expérience ; et pendant la génération suivante, cette détermination fut faite, avec plus ou moins d'exactitude, par plusieurs savants distingués. Il était également clair que l'on pouvait exprimer mathématiquement les lois qui régissent la science nouvelle, la thermodynamique.

Déjà Fourier avait appliqué l'analyse mathématique à la solution de problèmes relatifs à la transmission de la chaleur sans transformation ; et sa « théorie de la chaleur »

contenait des recherches d'une grande beauté sur cette question. Douze ans après (1824), Sadi Carnot publiait ses Rèflexiom sur la puissance motrice du feu; c'était une première tentative pour dégager les principes impliqués dans l'application de la chaleur à la production d'un effet mécanique. Partant de cet axiome qu'un corps qui, après avoir passé par une série de conditions modifiant sa température, est revenu i\ son état primitif comme densité, comme température et comme constitution moléculaire, doit contenir la même quantité de chaleur que primitivement, il montre que l'efFet utile des machines thermiques doit être calculé en faisant passer le fluide moteur par un cycle complet, commençant et finissant dans les mêmes conditions physiques. Carnot n'était pas partisan de la théorie vibratoire de la chaleur * et par conséquent il fut entraîné dans quelques erreurs: mais, comme on le verra plus loin, l'idée que nous venons de rappeler constitue Fun des points les importants de la théorie de la machine à vapeur.

Seguin, qui fut, comme on Ta vu, l'un des premiers à appliquer la chaudière tubulaire aux locomotives, publia en 1839 un ouvrage intitulé : Sur Vinfluencc des chemins de fer, dans lequel il rappelle les données nécessaires à une grossière détermination de l'équivalent mécanique de la chaleur, sans en déduire lui-môme la valeur.

Trois ans plus tard (1842), le docteur Mayer, deHeilbronn, publia les résultats d'un calcul très ingénieux et fort approché de l'équivalent de la chaleur, en basant son évaluation sur le travail nécessaire pour comprimer l'air, et sur les chaleurs spécifiques des gaz ; l'idée fondamentale était que le travail de compression est l'équivalent de la chaleur dégagée. Seguin avait fait l'opération inverse, en prenant la perte de chaleur éprouvée par la vapeur pendant sa

i. Il résulte de documents récemment découverts et communiqués à l'Académie dos sciences de Paris (Comptes rendus, 1878, p. 967) que Sadi Carnot en était arrivé, par ses propres réflexions, à cette conviction que chaleur et mouvement ne sont qu'une seule et w.ùme chose. (NotedutrO' ducteur.)

délente, comme l'équîTaleiit du trayail qu'elle exécute. Mayer fut aussi le premier à signaler ce fait, prouvé depuis expérimentalement par Hiro, que le fluide sortant d'une machine, après avoir travaillé, doit échauffer l'eau du coudeuseur moins que ne l'eût fait ce même fluide à son entrée dans la machine.

A peu près vers le même temps (18/|3), un ingénieur

danois, Colding, publia les résultats d'expériences faites pour déterminer le même coefficient ; mais le travail le meilleur et le plus considérable, celui qui maintenant est presque universellement accepté comme un modèle, fut l'œuvre d'un investigateur anglais.

James Prescolt Joule, le physicien dont nous voulons parler, commença les recherches expérimentales qui l'ont rendu célèbre quelque temps avant 18(|3, date à laquelle il publia, dans lè Pkilosopkical Magazine, la première méthode

dont i] se servit. Cette détermination lui donna 770 livrespieds. Pendant les cinq ou six années suivantes. Joule reprit son travail, et, en variant ses procédés d'expérimentation, il obtint des résultats fort divergents. L'un de ces procédés consistait à déterminer la chaleur produite en comprimant de l'air dans des tubes , un autre, et le plus habituel, était de faire tourner une rone à aubes par une force connue, dans un poids d'eau déterminé. Enfin» en 18i9, ces recherches furent terminées.

La méthode employée par le docteur Mayerd'Heilbronn, pour calculer l'équivalent mécanique de la chaleur, est aussi belle qu'ingénieuse. Concevons deux masses égales d'air atmosphérique enfermées à la même température, à zéro par exemple, dans des vases pouvant contenir chacun un pied cube. Échauffons ces deux masses de gaz, en maintenant l'une au volume primitif et permettant à l'autre de se dilater sous une pression constante égale à celle de l'atmosphère. Dans chaque récipient nous avons enfermé un poids d'air égal à 0,08073 livre ou 1,29 once d'air. Lorsque, ces deux masses étant toujours à la même température, la pression de l'une et le volume de l'autre auront doublé, cette température commune sera de 525**, 2 Fahrenheit ou 274° centigrades; et chaque masse aura en réalité une température double de celle qu'elle avait à l'origine, en la mesurant sur l'échelle absolue commençant au zéro du mouvement calorifique. Mais l'une n'aura absorbé que 6 unités 3 4 thermiques anglaises, tandis que l'autre en aura absorbé 9 1/2. Dans le premier cas, toute cette chaleur aura été employée à élever simplement la température de l'air ; dans le second, cette température aura été également augmentée, et, en outre, il aura été consommé un certain travail (2116,3 livres-pieds) pour surmonter la résistance due à la pression de l'atmosphère; telle est la cause à laquelle nous devons attribuer la chaleur additionnelle disparue. Or

2116 3 on a - „,'- = 770 livres-pieds par unité de chaleur, soit

2 ôjk

presque rigoureusement la valeur déduite des expériences de Joule. Si les données sur lesquelles reposait le calcul de

JOULE. 217

Mayer avaient été absolument exactes, le résultat eût été une détermination précise de l'équivalent de la chaleur, en admettant que, dans le cas considéré, il n'y ait point de travail interne capable d'absorber de la chaleur.

La mesure de Joule, probablement la plus exacte, fut obtenue par l'emploi d'une roue à aubes tournant dans l'eau ou un autre liquide. Un récipient de cuivre contenait un poids de liquide soigneusement déterminé : sur le fond était fixée une crapaudine recevant l'axe vertical d'une roue à palettes. Cette roue était mise en mouvement par des cordes passant sur des poulies parfaitement équilibrées, dont les axes étaient portés par des galets. Les forces motrices étaient obtenues par des poids suspendus aux extrémités de ces cordes. En tombant jusqu'au sol, ilsproduisaient une quantité de travail PxH, facile à mesurer avec précision, qui faisait faire à la roue à aubes un certain nombre de révolutions, pendant que l'eau s'échauffait en absorbant la chaleur correspondant au travail consommé. Après avoir relevé le poids et répété cette opération un nombre de fois suffisant, on mesurait soigneusement la quantité de chaleur communiquée à l'eau, et on la comparait au travail dépensé. Joule se servait aussi de deux disques en fer qu'il faisait frotter l'un contre l'autre dans un vase plein de mercure, et il mesurait la chaleur développée par le frottement en la comparant ^u travail fait. La moyenne de quarante expériences avec l'eau donna, pour l'équivalent cherché : 772,692 livres pieds ; cinquante, avec le mercure, donnèrent : 774,083 ; vingt, avec la fonte : 774,987 ; la température de l'appareil étant de 55<» à 60° Fahrenheit.

Joule constata, aussi par expérience, un fait que les principes maintenant connus de la thermodynamique permettent de prévoir, à savoir : qu'aucun changement de température n'accompagne la dilatation de l'air ou d'un autre gaz, lorsqu'elle a lieu sans production de travail. Il a formulé comme il suit les résultats de ses recherches sur l'équivalent mécanique de la chaleur :

1<» La chaleur produite par le frottement des corps

solides OU liquides, est toujours proportionnelle à la quantité de travail dépensé.

2<» La quantité de chaleur nécessaire pour élever d'un degré la température d'une livre d'eau (pesée dans le vide à 55° ou 60<» Fahrenheit), exige pour sa production la dépense d'un travail mesuré par la chute de 772 livres de la hauteur d'un pied. Cette quantité est maintenant appelée généralement « l'équivalent de Joule».

Dans cette série d'expériences, Joule détermina aussi la position du « zéro absolu », le point auquel cesse le mouvement calorique. Il le fixa à /|80° Fahr. environ au-dessous du point de congélation de l'eau, ce qui n'est pas très loin de la valeur probablement vraie de — 493%2 Fahr. (273*^ cent.), déduite ultérieurement de données plus précises.

Le résultat de ces expériences et de celles, plus récentes» de Hirn et autres, a conduit au principe suivant :

L'énergie-chaleur et l'énergie-mécanique sont transformables l'une dans l'autre suivant un coefficient d'équivalence déterminé; l'unité thermique anglaise correspond à 772 livres-pieds de travail, et la calorie métrique à 423,55 ou, en nombres ronds, 424 kilogrammètres. Toutefois la valeur exacte n'est pas encore absolument fixée.

Il est aujourd'hui généralement admis que toutes les variétés d'énergieduesà des forces physiques sont aussi transformables les unes dans les autres ; et il n'est nullement prouvé que l'énergie vitale et intellectuelle ne lojube pas elle-même sous le coup de cette grande loi générale. C'est sur cette équivalence que repose toute la science de l'énergétique.

L'élude en a été, jusqu'aujourd'hui, restreinte surtout à cette branche spéciale, qui comprend les relations entre l'énergie mécanique et l'énergie calorifique, et qui constitue la thermodynamique. Rankine, Clausius, Thompson, Hirn et d'autres, ont conquis sur ce terrain une grande célébrité. Dans le cours des recherches poursuivies par ces illustres savants, les phénomènes relatifs à la transmission de la chaleur dans les fluides élastiques, et les modifications qu'éprouve leur état physique quand l'énergie calorifique vient à changer, ont fait l'objet d'études spéciales.

RAKKIKE.

S la loi de Boyle et de Mariotle, l'expansion de ces

fluides soit une marche exprimée graphiquement par uue hyperbole, el algéhriquemcnt par l'expression PV' = A, dans laquelle t = 1 quand la température est constante. Une des premières et des plus évidentes conséquences du

principe de l'équivalence est que la valeur de a: doit croître en même temps que l'énergie dépensée pendant l'expansion. Ces variations sont très notables pour les fluides tels que la vapeur d'eau : l'exposant x est plus petit que l'unité quand la vapeur se détend saus produire de travail ; tandis que, lorsqu'elle travaille en se détendant derrière un piston, il y a condensation partielle, et la valeur de x s'élève jusqu'à 1,111 d'après Rankine, ou sans doute, plus exactement, jusqu'à 1,135 ou davantage, selon Zeuner et Grashof. Ce fait a une influence considérable sur la théorie de la machine à vapeur. C'est à Rankine que nous devons le pre-

mier traité complet sur cette théorie, envisagée au point de vue (le la thermodynamique.

Le professeur Rankine commença ses recherches dès 1849 ; à cette époque il proposa une théorie de la constitutioD de la matière, bien connue aujourd'hui sous le nom de théorie des tourbillons moléculaires. Supposant un système d'anneaux tournants ou tourbillons animés de mouvements calorifiques, il établit sa théorie en partant de cette hypothèse, que la chaleur sensible est employée à modifier la vitesse (lu mouvement des particules, tandis que la chaleur latente a pour effet de changer les dimensions des orbites, et en admettant que chaque tourbillon tend à s'élargir en vertu de la force centrifuge. Il établit une distinction entre les chaleurs spécifiques réelle et apparente, et montra que, dans réchaufl'ement d'un fluide, la chaleur transmise se divise en deux parties, l'une produisant l'élévation de la température, l'autre l'augmentation du volume. Il proposait, pour désigner cette dernière quantité, le terme de potentiel calorifique, et pour la somme des deux, le mot de fonction thermodynamique.

Carnot avait établi, un quart de siècle auparavant, que refl*et utile d'une machine thermique est une fonction des deux températures extrêmes entre lesquelles elle fonctionne, et non de la nature de la substance motrice, assertion parfaitement vraie quand cette substance ne change pas d'état physique pendant qu'elle agit. Rankine en déduit cette « équation générale de la thermodynamique », qui exprime algébriquement les relations entre la chaleur et l'énergie mécanique, quand le fluide change d'état, ce qui permet de calculer la quantité de chaleur transformée en travail correspondant à une modification donnée du fluide.

Il démontre que, dans une machine à vapeur produisant du travail, la détente est accompagnée d'une condensation partielle. Il prouve que la chaleur totale d'un gaz parfait doit s'accroître, avec l'élévation de température, proportionnellement à la chaleur spécifique sous pression constante.