Effets chimiques
Un grand nombre d’effets chimiques occasionnés par l’étincelle sont dus à la chaleur seulement, et l’électricité n’y joue aucun rôle. Les mêmes effets se manifestent toutes les fois qu’on chauffe par tout autre procédé les substances qui les produisent.
Ainsi les parcelles incandescentes qui se détachent des électrodes de l’arc voltaïque peuvent se combiner avec le gaz environnant, suivant leur nature. Les électrodes de fer produiront dans l’air de l’oxyde de fer qui jaillit en étincelles, ceux de zinc donneront de l’oxyde de zinc, dont la poussière blanche s’élève en fumée; le charbon donnera de l’acide carbonique, ce qui explique pourquoi il s’use plus vite dans l’air que dans le vide. C’est ce genre
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d’action qui rend étincelante la lumière de toute décharge électrique entre des conducteurs de fer. Lorqu’on attache à l’un des conducteurs d’une pile ordinaire une lime d'acier, et qu’on frotte sur cette lime l’extrémité de l’autre conducteur, on voit jaillir une infinité d’étincelles. Ce sont les parcelles de fer qui, d’abord échauffées par l’étincelle de rupture, se sont combinées avec l’oxygène de l’air en dégageant à leur tour de la chaleur lumineuse d’origine chimique.
Outre les actions chimiques auxquelles donnent lieu les électrodes, la chaleur de l’étincelle agit sur le milieu fluide, à travers lequel elle éclate, et y occasionne des combinaisons si ce fluide est un mélange de substances douées d’affinité chimique. C’est surtout dans les mélanges gazeux que se passent les effets de ce genre.
Un mélange d’oxygène et d’hydrogène produit de l’eau, quand il est traversé par l’étincelle la plus faible ; c’est l’expérience connue du pistolet de Volta, que Lavoisier a rendue célèbre en trouvant par ce moyen quelle était la composition de l’eau. Dans tous les appareils qui servent à ces expériences, on voit un récipient clos qui contient le mélange gazeux, et deux fils de métal, e, g (fig. 61), parfaitement isolés, qui traversent la paroi et laissent un petit intervalle entre eux dans l’intérieur du récipient. Ces fils servent de conducteurs à la décharge, qui est habituellement celle de la bobine de Ruhmkorff. 11 faut que le récipient soit assez résistant, parce que la combinaison des deux gaz développe beaucoup de chaleur ; de là résulte un accroissement rapide de pression, qui diminue ensuite peu à peu, à mesure que la chaleur se dissipe au dehors. On conçoit combien
Fig. 61.
Synthèse de l’eau.
est considérable l’élévation de température pendant la combinaison, en remarquant que tout le mélange devient lumineux pendant un instant.
Voici ce qui se passe au moment où jaillit l’étincelle: une petite portion du mélange, au contact de l’étincelle, est fortement échauffée et se combine ; mais cet acte produit de la chaleur, qui échauffe la portion du mélange la plus voisine. Celle-ci se combine à son tour, échauffe la portion suivante, et ainsi de suite, de proche en proche, jusqu’à ce que tout le mélange ait subi l’action chimique. Ce raisonnement montre pourquoi on met le feu au mélange avec une seule petite étincelle, aussi bien si le volume est grand que si le volume est petit.
Lavoisier avait disposé son appareil (fig. 61) de façon que la pression ne put s’élever notablement et que les gaz fussent sans cesse renouvelés, et combinés par petites portions successives ; un grand nombre d’étincelles se succédaient dans le récipient, celui-ci ayant été d’abord rempli d’hydrogène par le tube B ; on amenait l’oxygéne par un tube A qui débouchait au-dessus de l’étincelle. La première bulle qui sortait se combinait avec l’hydrogène, puis les gazomètres continuant à amener respectivement les deux gaz dans les proportions voulues, les bulles suivantes se combinaient successivement. Lavoisier put préparer un litre d’eau par ce moyen.
Dans l’expérience du pistolet de Volta, le bouchon forme une partie peu résistante de la paroi ; cette portion cède, au moment de la combinaison chimique, et le gaz sort partiellement ; puis le refroidissement rapide de la partie restée dans l’appareil condense cette partie; de là résulte une raréfaction qui détermine la rentrée brusque de l’air. Telle est la cause de V Explosion.
Un mélange de deux gaz qui ont entre eux peu d’affinité ne peut se comporter comme le précédent. Dans ce cas une seule étincelle ne suffit pas ; mais une succession rapide d’étincelles détermine la combinaison graduellement.*G’est
PKOPiaÉTÉS DE L’ÉTINCELLE.
ce que Priestley, puis Cavendish ont réalisé avec Pair, qui est un mélange d’azote et d’oxygéne, substances dont Paffinité réciproque est très-faible ; ce dernier fit passer les étincelles pendant 8 heures entre deux surfaces de mercure séparées, dans un tube de verre recourbé (fig. 62), par une petite quantité d’air. Il vit le volume de cet air diminuer et constata la production de l’acide azotique ; fait important pour la physique du globe ; car il nous
Fig. 62. — Expérience de Cavendish.
explique la présence de cet acide dans les pluies d’orage.
Récemment MM. Ed. Becquerel et Frémy ont étudié cette réaction dans de meilleures conditions et ils ont prouvé que les éléments de Pair donnent de Pacide hypoazotique. Leur appareil est un tube de verre fermé, plein d’air, et laissant passer deux fils de platine, qu’on met en communication avec les pôles de la bobine de Ruhmkorff (fig. 28). Au bout d’une heure, on voit des vapeurs rouges remplir le tube, ce qui est dû à la formation de Pacide hypoazotique. Si on laissait un peu d’eau dans l’appareil, elle détruirait cet acide et on aurait Pacide azotique comme dans l’expérience de Cavendish.
La pression du mélange exerce une influence sur la combinaison des gaz par l’étincelle. Grotthus a reconnu
que le mélange d'oxygène et d’hydrogène ne s’enflammait plus quand il était raréfié. Les lois de ces phénomènes, et aussi l’influence de la température initiale ne sont pas connues.
L’étincelle occasionne une seconde espèce d’action chimique dans le milieu environnant, lorsqu’il est constitué pai^ungfa;s composé tel que rammoniaque, les oxydes d’azote , l’acide chlorhydrique , les hydrogènes pliosphoré, sulfuré, carboné, l’acide carbonique, etc. Mais il
Fig. 63. — Décomposition du gaz ammoniac.
faut pour cela une longue succession d’étincelles. L’exemple le plus facile à vérifier est la décomposition de l’ammoniaque en ses éléments, azote et hydrogène. On se sert d’une cloche de verre (fig. 65) traversée vers le sommet par deux fils de platine, et qu’on remplit de gaz sur le mercure. En faisant passer les étincelles de la bobine de Ruhmkorff, on voit le volume gazeux augmenter peu à peu, jusqu’à ce qu’il ait doublé. Les dépôts de phosphore, soufre, carbone, indiquent nettement la
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décomposition des gaz qui contiennent ces substances.
M. Grove a prouvé que ces décompositions chimiques sont dues à la chaleur de l’étincelle, en les réalisant à l’aide d’un simple fil de platine fortement chauffé au contact du gaz. Lorsqu’elles ne sont pas complètes, elles obéissent à une loi générale des corps composés que M. H. Sainte-Claire Deville a appelée Dissociation. Il s’établit un certain équilibre dans le mélange du composé inaltéré et des éléments que la décomposition a mis en liberté, de sorte que les proportions de ces derniers restent invariables : à mesure que les étincelles se succèdent dans le mélange, une partie des éléments se recombinent, tandis qu’une partie équivalente du composé se décompose.
Pour détruire cet équilibre, il faut séparer les produits de la décomposition, à mesure qu’ils apparaissent ; c’est ce qui ne peut avoir lieu avec les appareils précédents.
En 1861, M. Adolphe Perrot a réussi à produire une décomposition complète de la vapeur d’eau, en opérant cette séparation L L’eau était mise à l’ébullition dans un ballon à trois tubulures (fig. 64). Deux tubulures a, h laissaient passer les tubes de verre cf, df chargés de conduire les gaz hydrogène et oxygène, respectivement dans les éprouvettes e, e' . A chacun de ces tubes était soudé un lil de platine, s’engageant dans le tube jusqu’à son extrémité inférieure. Les extrémités recourbées des tubes laissaient entre elles un intervalle cd de 2 millimètres environ, et les bouts des fils de platine étaient à Fintérieur à 2 millimètres de ces extrémités. On avait donc une étincelle de 6 millimètres entre fes fils de décharge ; elle était produite par une bobine de. Rulimkorff. Le circuit du courant induit contenait un voltamètre, ou appareil destiné à mesurer l’intensité du courant. M. Perrot vit l’hydrogène se dégager seul au fil négatif, tandis que Foxy-
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gène se dégageait sur l’autre fil, et de plus la quantité de gaz obtenue était la même que si l’appareil eût été un voltamètre ordinaire traversé par un courant voltaïque d’intensité égale à celle du courant de la bobine.
Cette expérience nous apprend que l’étincelle d’induction n’agit pas seulement par la chaleur, mais que le courant électrique produit la décomposition de la vapeur
d’eau, comme il le fait en traversant l’eau liquide. Ce genre de décomposition est appelée électrolytique.
En est-il de même des gaz ordinaires ? C’est à l’expérience de nous l’apprendre, et la méthode de M. Perrot paraît excellente pour résoudre la question. C’est un sujet d’étude pour les chimistes.
En résumé, l’étude de l’étincelle dans les gaz nous montre quatre sortes d’actions chimiques, la combinaison de la substance des électrodes avec le gaz ou ses éléments, la combinaison calorifique des gaz mélangés, la décomposition calorifique des gaz composés, enfin leur décomposition électrolytique.
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li y a une cinquième sorte d’action qui jusqu’à présent n’a été observée que sur l’oxygène, mais qui probablement est générale.
En 1786, Van Marum trouva que l’oxygène traversé par un grand nombre d’étincelles électriques acquérait une odeur pénétrante, rappelant celte du phosphore et de l’acide hypoazotique. On remarque cette odeur dans l’air autour de toutes les machines qui donnent de fortes étincelles, et aussi après la chute de la foudre. Van Marum constata en outre que l’oxygène odorant oxydait rapidement le mercure froid, ce que ne fait pas le mercure ordinaire.
En 1840, M. Schœnbein, de Bâle, remarqua que l’oxygène dégagé dans le voltamètre par le courant voltaïque avait la même odeur et il appela ozone la substance qui jouissait de cette propriété. Ses recherches persévérantes, celles de MM. Marignac, de la Rive, Becquerel, Frémy, Andrews ont conduit à cette conclusion, que l’ozone est une modification de l’oxygène, de la nature de celle qu’on appelle en chimie isomérie. Son caractère principal est un pouvoir oxydant beaucoup plus considérable que celui de l’oxygène ordinaire. Ainsi il détruit les couleurs organiques ; il décompose l’iodure de potassium, se combinant avec le potassium et mettant l’iode en liberté. Cette réaction a fourni un moyen de reconnaître la présence de l’ozone, quelque faible que soit sa quantité. On imprègne une bande de papier d’amidon et d’iodure de potassium. L’iode libre colore en bleu Famidon, de sorte que le papier plongé dans un gaz qui contient de l’ozone prend une teinte bleue, dont l’intensité croît avec la quantité d’ozone renfermée dans le mélange. Ce moyen n’est malheureusement pas suffisamment caractéristique, parce que d’autres substances, telles que les vapeurs nitreuses, les exhalaisons des arbres résineux, un grand nombre d’essences bleuissent le papier imprégné d’amidon et d’iodure de potassium.
L’oxydation par l’ozone exige la présence de l’eau : la chaleur le détruit ; aussi convient-il d’employer à sa production des étincelles qui donnent trés-peu de chaleur, telles que les aigrettes. La meilleure disposition consiste à faire passer Foxygéne ou simplement l’air entre deux lames de verre, recouvertes extérieurement de substances conductrices que l’on fait communiquer avec les pôles de la bobine de Ruhmkorff. Nous avons vu que la lumière électrique apparaît, sous forme d’aigrette, entre les deux lames de verre, quand elles sont placées à une petite distance Finie de l’autre.
La question de l’ozone n’est pas encore complètement résolue ; elle donnera sans doute lieu à de nouvelles recherches qui permettront d’expliquer le rôle que joue l’électricité dans sa production.
11 arrive ordinairement que plusieurs des cinq sortes d’actions chimiques dont nous venons de constater l’existence se passent simultanément. Nous en avons un bel exemple dans les anneaux colorés que produit l’étincelle lorsqu’elle jaillit entre une pointe et une plaque de métal, et il est difficile de faire la part de chacune de ces actions.
Ces anneaux ont été observés, pour la première fois, par Priestley, avec les décharges d’une batterie deLeyde. Idus tard M. de La Rive obtint des effets analogues avec Farc voltaïque. Nobili et M. Grove ont étudié particulièrement ces phénomènes. Voici les principales observations qui ont été faites par ce dernier :
L’étincelle d’une bobine d’induction jaillissait entre une pointe de métal et une plaque polie, de bismuth, de plomb, d’étain, de zinc, de fer ou d’argent. C’est avec ce dernier métal que l’effet est le plus intense. Nous supposons, dans notre description, qu’il s’agit de ce métal, et qu’il forme l’électrode positive. La distance de la pointe à la plaque était de 3 millimètres, au plus. Le milieu environnant était un mélange d’un volume d’oxygène et
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de quatre volumes d’hydrogène sous la pression de 18 millimètres de mercure.
Il se produisit sur la plaque, en face de la pointe, une tache circulaire jaune, verdâtre au centre, bleue verdâtre sur les bords ; ensuite venait un anneau d’argent inaltéré, puis un anneau rouge cramoisi, passant à l’orangé sur le bord intérieur, et au pourpre foncé sur le bord extérieur. En partant d’une distance de ^ millimètre et l’augmentant graduellement, on obtenait des anneaux de plus en plus grands.
On reconnaît dans ces apparences l’effet de la chaleur de l’étincelle, dont la forme est conique, comme nous l’avons vu précédemment, et celui de l’oxydation. La coloration des anneaux est due à la mince couche d’oxyde d’argent formée, qui se comporte à l’égard de la lumière comme la pellicule d’eau d’une bulle de savon. Cette oxydation est sans doute facilitée par la transformation de l’oxygène en ozone.
Quand on renverse le sens du courant, la tache disparaît ; il ne reste qu’une petite altération due à la fusion ; mais les anneaux colorés ne se montrent plus. Remarquons que, dans ce cas,’ la plaque étant négative attire l’hydrogène, comme dans la décomposition électrolytique, et que ce gaz décompose l’oxyde d’argent, pour reformer de l’eau avec son oxygène.
C’est en faisant ces expériences que M. Grove observa, à la même époque que M.^ Rubmkorff, le phénomène de la stratification entrevu précédemment par M. Abria.
Lorsque l’étincelle jaillit à travers un liquide, les phénomènes qui se produisent sont analogues à ceux que nous venons d’examiner, sauf le cinquième genre d’action, dont on n’a pas d’exemple.
Les cas les plus intéressants sont ceux qui s’expliquent par la décomposition calorifique du liquide et par sa décomposition électrolytique. Cela suppose que le liquide est formé par une seule combinaison chimique et non
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par un mélange, et que les électrodes n’ont pas d’action chimique sur ce liquide.
Vers 1790, Paetz et Van Troostwik décomposèrent l’eau par l’étincelle d’une bouteille de Leyde, en employant comme conducteurs de la décharge deux fils d’or très-fm. Ils obtenaient ainsi sur chacun de ces fils des bulles gazeuses formées d’hydrogène et d’oxygène. Cette expérience fut répétée par Guthberston, Pearson et en 1801 par Wollaston qui réussit à opérer la décomposition, sans bouteille de Leyde, avec l’étincelle d’une machine électrique ordinaire. Il enferma un fil de platine ayant ^ de millimètre de diamètre dans un tube de verre, fondit l’extrémité de ce tube à la lampe, de sorte que le fil fût soudé hermétiquement, et usa à la lime l’extrémité fondue jusqu’à ce que le bl de platine apparût au milieu de la paroi de verre. Un tube ainsi préparé s’appelle bafjuetle (le Wollaston. Deux tubes semblables recourbés et contenant du mercure furent plongés dans l’eau, de façon que l’intervalle laissé entre les extrémités immergées fût de 3 millimètres. On plaça dans le mercure des lils de métal, communiquant respectivement avec la machine électrique et avec le sol, et quand la machine fut mise en mouvement, on vit les bulles gazeuses se dégager nettement au bout des fils. L’effet est dû ici à la chaleur de l’étincelle. Car il suffit de plonger dans l’eau un fil de platine incandescent, comme a fait M. Grove, pour voir apparaître des bulles, formées d’un mélange des gaz constitutifs de l’eau.
M. Grove a vu l’étincelle d’induction opérer à la fois la décomposition calorifique et la décornpotition électrolytique de l’eau. 11 se servait de baguettes de Wollaston, et il obtint autour de chaque pointe un mélange d’bydrogéne et d’oxygène avec excès de l’iin ou de l’autre de ces gaz. S’il n’y avait eu qu’une décomposition calorifique, le volume de l’iiydrogène eût été double de celui de l’oxygène, parce que ce sont là les proportions dans les-
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quelles ces deux gaz forment l’eau. Si l’on trouve à l’une des pointes un volume d’hydrogène plus grand que le double de l’oxygène, il faut admettre que les éléments d’une partie de l’eau ont été séparés par le courant électrique, que l’hydrogène de cette partie s’est dégagée à la pointe considérée, tandis que l’oxygène se dégageait à l’autre.
En soudant une petite plaque de platine au fil d’une des baguettes, M. Grove a vu les gaz se dégager seulement à l’autre baguette. Lorsque les fils de platine dépassaient les extrémités des baguettes, les gaz étaient séparés. Enfin avec deux baguettes terminées par des petites plaques de platine, il n’y avait plus de dégagement gazeux.
11 y a d’ailleurs avec l’étincelle d’induction une complexité du phénomène, qui tient à l’induction. Quand les étincelles se succèdent par le jeu de l’interrupteur, il se produit des courants alternatifs de sens contraire, de sorte que l’hydrogène et l’oxygène obtenus par l’électrolyse peuvent se- trouver mêlés autoui de la même électrode. Ajoutons à cela que l’oxygène se combine aisément avec l’eau pour former du bioxyde d'hydrogène, et nous aurons l’explication de la variété des effets que l’on peut observer suivant les circonstances On élimine l’une des causes de complexité, en établissant dans le fil induit une solution de continuité, de façon qu’une étincelle jaillisse dans l’air ; alors les gaz se trouvent mieux séparés, parce que l’étincelle ne laisse passer qu’un des deux courants, celui qui naît à l’ouverture du circuit inducteur.
Les fils de platine qui servent à ces expériences se recouvrent souvent d’une poudre noirâtre, qui est de la poussière de platine. C’est une désagrégation dont la cause paraît être l’action électrolytique, quand les courants induits se succèdent alternativement en sens opposés ; le platine s’oxyderait et se désoxyderait alors alternativement. Mais on ne peut guère affirmer l’explication de phénomènes aussi complexes ; ils réclament certainement de nouvelles études.
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L’étincelle de rupture opère aisément des décompositions calorifiques. M. Melly a décomposé ainsi l’alcool, les huiles, ce que Morgan avait déjà fait avec l’étincelle ordinaire, l’éther, l’huile de Naphte, le sulfure de carbone, le chlorure de soufre, l’eau pure. Parmi les procédés qu’il a mis en usage, le plus ingénieux consiste à plonger dans le liquide une roue de métal, dentée, sur le contour de laquelle s’appuie un ressort de métal. La roue et le ressort communiquent respectivement avec les pôles d’une pile. Quand on fait tourner la roue, le ressort cesse de la toucher dans l’intervalle de deux dents, et une étincelle de rupture jaillit : c’est un moyen très-simple d’ohtenir à la même place une succession rapide d’étincelles. Il se produit de la vapeur du liquide quand il est volatil ; c’est le premier effet de la chaleur : puis les produits de sa décomposition apparaissent tantôt sous forme de bulles, tantôt sous forme de poussière, suivant leur nature. Ainsi l’huile d’olive donne un mélange d’hydrogène et de carbure d’hydrogène, l’alcool et l’éther donnent un peu de charbon, le sulfure de carbone donne du charbon et du soufre, etc. 11 faut que le métal de l’appareil soit sans action chimique sur les produits de la décomposition, si l’on veut les séparer. On se sert ordinairement du platine, excepté pour les chlorures. Dans ces expériences l’eau distillée donne lieu à un dépôt abondant de poussière de platine.
L’action électrolytique de l’étincelle se démontre trèsfacilement par une expérience de Faraday. On met en contact sur une lame de verre un morceau de papier de curcuma, et un autre de tournesol bleu, imprégnés l’iin et l’autre d’une solution de sulfate de soude. Puis on met en face du tournesol une pointe métallique communiquant avec le conducteur positif de la machine électrique et, en face du curcuma, une autre pointe semblable communiquant avec le conducteur négatif. Sitôt que la machine est en activité, on voit rougir le tournesol, ce qui indique la
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présence de l’acide sulfurique, et brunir le curcuma, ce qui indique la présence de la soude. Ainsi l’étincelle opère la décomposition du sel, attirant V acide du côté de l’électrode positive et la base du côté de l’électrode négative.
On observe la plupart de ces actions chimiques en produisant l’arc voltaïque dans les liquides. Quand la pile est très-puissante, une particularité remarquable se manifeste. Observée d’abord par Hare, Mackrell, Grove, elle a été étudiée avec soin par M. Quet. Les électrodes d’une pile de 40 grands éléments de Bunsen étant plongées dans l’eau acidulée, et trop éloignées l’une de l’autre pour que l’arc s’établît, les fds de platine, qui servaient d’électrodes, parurent entourés d’une gaine lumineuse, violette du côté négatif, rouge du côté positif. La décomposition, électrolytique était très-faible, tant que durait cette lueur. Ce phénomène se rattache à ceux de la caléfaction. Quand un corps incandescent est plongé dans un liquide volatil, il se recouvre d’une couche de la vapeur de ce liquide, et cette vapeur empêche le contact du corps avec le liquide lui-même. Ici les gaz que l’action électrolytique met en liberté contribuent avec la vapeur à la formation de la couche isolante où se montre la lueur électrique.
M. Planté a observé plusieurs effets de ce genre avec sa pile secondaire de 400 éléments.
Dans tout ce qui précède, nous avons examiné les actions chimiques qui résultent du contact des corps avec l’étincelle. 11 y a un autre mode d’action chimique, qui se manifeste à distance, et qu’on peut regarder comme une propriété des radiations émises par l’étincelle.
Quelque temps après l’expérience de Davy sur l’arc voltaïque, Brande reconnut que cette source lumineuse provoquait, comme le soleil, la combinaison du chlore et de l’hydrogène, et la décomposition du chlorure d’argent qui est le point de départ de la photographie. M. De la Rive réussit ensuite à photographier à la lumière électrique.
comme on photographie au soleil. C’est une analogie de plus entre le rayonnement de l’arc et celui du soleil que nous devons ajouter à celle que nous a fait connaître la comparaison des pouvoirs calorifiques de ces deux sources. On sait que le spectre solaire s’étend, non-seulement du côté du rouge, comme nous l’avons dit, mais encore au delà du violet, de sorte que la partie moyenne est seule visible. Les rayons ultra-violets ne sont ni visibles, ni calorifiques ; mais ils possèdent l’activité chimique au plus haut degré. Par eux une partie de l’énergie engendrée dans le soleil se transmet sur les corps planétaires sous la forme d’énergie chimique ; ils y opèrent mille réactions chimiques dans les êtres vivants, particulièrement dans les végétaux, qui, on le sait, ne respirent que sous l’influence du soleil. Sous cette influence, l’acide carbonique et la vapeur d’eau de l’atmosphère sont décomposés ; le carbone et l’hydrogène se fixent dans les tissus et de cette manière l’énergie demeure emmagasinée, tant que ces tissus restent inaltérés. Vienne plus tard l’élaboration de ces tissus dans la nutrition des animaux ou leur destruction dans la combustion au milieu de nos foyers, nous retrouvons cette énergie sous forme de chaleur. Admirable exemple de la conservation de l’énergie, à laquelle les phénomènes les plus variés doivent leur harmonie !
Chaque étincelle électrique qui jaillit dans notre laboratoire dépense l’énergie de la meme manière. Mais elle n’est pas perdue pour nous, elle se retrouve quelque part, dans les corps environnants, sous forme de chaleur ou d’action chimique. Si une plante vivait sous la protection d’un arc voltaïque, elle absorberait cette énergie , et si nous la prenions ensuite comme aliment, c’est en nous que cette énergie reparaîtrait, pour subir à notre gré de nouvelles transformations.
l‘UOPRIÉTES DE L’ÉTINCELLE.