DE LA CHALEUR

Il n'est guère de sujet scientifique ayant provoqué autant de recherches que la chaleur. Grâce à elles la thermodynamique et la mécanique énergétique, qui •en dérivent, sont devenues des sciences précises et fécondes.

Mais si Ton se demande seulement ce que ces recherches révélèrent des causes de la chaleur, il faut (reconnaître que nous sommes à peine plus avancés qu'il y a cent ans. On ne trouverait pas beaucoup è. ajouter aux lignes suivantes, écrites par Tillustre Uumphry Davy, il y a un siècle :

• « Puisque toute matière peut être amenée, par le refroidissement, à occuper un espace plus petit, il est évident que les |>articules de matière doivent avoir de l'espace entre elles; et

puisque chaque corps peut communiquer le pouvoir d'expansion à un corps de température plus bassOf c'est-à-dire peut animer les particules de ce corps d'un mouvement expansif, il est très probable que ses propres particules sont elles-mêmes en possession <i*un mouvement ; mais, comme il n'y a pas de changement dans la position de* ses parties, aussi longtemps que la température est . uniforme, le mouvement, s'il existe, doit être un mouvement vibratoire ou ondulatoire, ou un mouvement des particules autour de leurs axes, ou, enfin, un mouvement des particules les unes autour •des autres.

« 11 semble possible de rendre compte de tous les phénomènes <le la chaleur, si Ton admet que, dans les solides, les particules sont dans un état constant de mouvement vibratoire, les particules des corps les plus chauds se mouvant avec la plus grande vitesse, et parcourant un plus grand espace ; que dans les liquides et les fluides élastiques, en outre du mouvement vibratoire, qui doit être conçu plus grand dans les derniers, les particules doivent être animées d*un mouvement de rotation autour de leurs propres axes avec une vitesse différente, les particules des fluides élastiques se mouvant avoc une plus grande vitesse ; enfin que, dans les substances éthérées, les particules doivent se mouvoir autour de leurs propres axes, séparées les unes des autres, et s'élancer en droite ligne à travers l'espace. On peut concevoir que la température dépende de la vitesse des vibrations, et l'augmentation de capacité calorifique de ce que Tespace parcouru est plus grand. A son tour, rabaissement de température, dans la conversion des solides en fluides ou en gaz, peut être expliqué par une perte de mouvement yibratoire, provenant de ce que lés particules commencent à tourner ■autour de leur axe quand le corps devient fluide ou aériforme, ou par une diminution dans la vitesse de vibration, par suite du mouvement de translation dans l'espace dont les particules commenceraientt à être animées. »

Aujourd'hui, comme à Tépoque de Davy,on suppose que la chaleur serait la conséquence des mouvements vibratoires, rotatoires, etc., des particules de la matière. Toutes les recherches sur la structure des atomes ont justifié Texistence de ces mouvements. Chaque atome est comparé maintenant à un système solaire. Naturellement, on n'observe jamais ces mouvements, et des considérations mécaniques conduisent seules à les supposer identiques à ceux des planètes autour du soleil.

Chacune des particules entrant dans la composition

de ces atomes serait animée de deux mouvements : 1^ rotation des particules sur elles-mêmes ; 2® révolu* tion circulaire autour d'un centre. Ces mouvements de rotation peuvent varier, ainsi que la vitesse de translation et aussi le diamètre de l'orbite parcouru. Obligeant les molécules à s'écarter ou à se rapprocher, ils expliquent la dilatation des corps par la chaleur et leur contraction par le froid.

Les variations d'équilibre de ces éléments en mouvement produiraient le magnétisme, Télectricité et la chaleur, mais nous ignorons complètement comment ces forces sont engendrées.

Nous savons mesurer la chaleur sans en connaître Tessence. Cette expression « une quantité de chaleur» constitue une notion arbitraire représentant simplement la mesure d'un effet dont la cause est ignorée. « Elle n'est pas autre chose, écrit M. Duhem, que la mesure fournie par le calorimètre et ne se définit pas autrement. La quantité de chaleur qui est dégagée dans une modification, c'est par définition même une quantité proportionnelle au poids d'eau que cette modification porterait de la température zéro à la température de un degré ». . L'insuffisance d'une telle conception est évidente.

Les physiciens ont fini, du reste, par laisser de côté ce problème des causes de la chaleur, et, sans rechercher comment des mouvements peuvent se transformer en chaleur, ils se sont bornés à t&cher de déterminer leur nature. Bien que le problème ait été abordé par des physiciens comme Clausîus et HelmhQtz, aucun succès n'a couronné ces efforts. Assimilant, pour simplifier, les éléments des corps à des points matériels en mouvement, ils ont admis que la force moyenne de ce mouvement était proportionnelle à la température et ont essayé d'en déduire les lois de la thermodynamique, le principe de Carnot notamment, au moyen des théo-

rèmes de la mécanique. Il est assez généralement admis aujourd'hui que cette tentative échoua complètement. Elle ne fournit d'ailleurs aucune espèce d'indication sur les variations de trajectoire des particules des corps suivant leur état solide, liquide ou gazeux, ni sur les résultats de leurs actions réciproques.

Les anciens physiciens avaient envisagé le problème de la chaleur d'une façon beaucoup plus simple. Elle était pour eux un fluide imprégnant tous les corps et se dégageant par la combustion. Cette théorie dite du phlogistique fut très ébranlée quand Lavoisier prouva que loin de perdre du poids par la combustion, les corps en gagnent au contraire. Cependant à l'époque de Carnot, on considérait encore la chaleur comme un fluide que les corps peuvent perdre ou absorber et différant seulement de l'ancien phlogistique par son impondérabilité.

Les physiciens finirent par renoncer à l'idée d*un fluide calorifique, mais après s'être donné un mal énorme, pendant plus de cinquante ans, pour substituer la théorie mécanique de la chaleur produite par du mouvement à la conception d'un fluide, ils semblent maintenant — un peu indirectement d'ailleurs — revenir à cette dernière. Comme le fait très justement remarquer le professeur de Heen, « l'idée ancienne de mélanger à la matière du fluide phlogistique est identique à celle qui a cours actuellement et qui consiste à mélanger à la matière des corpuscules électriques ». Il n'y a pas moins de raison pour supposer des atomes de chaleur que des atomes d'électricité.

L'idée que la chaleur serait une sorte de fluide fut d'ailleurs très féconde. Sans elle, Sadi Carnot n'aurait peut-être jamais songé à comparer son écoulement à celui d'un liquide, ni découvert le principe qui porte son nom et a si profondément

modifié rorientation des sciences physico-chimiques.

11 faut bien reconnaître, du reste, que si les phy- -siciens et les chimistes repoussent Fidée d'assimiler la chaleur à un fluide, ils la traitent presque toujours •comme si elle en était réellement un. Les chimistes parlent constamment de chaleur absorbée ou dégagée par un corps. Suivant eux, une combinaison garderait indéfinimeqt cette chaleur jusqu'à sa destruction. Elle la rendrait alors en quantité exactement égale à •celle absorbée. Les physiciens nous disent, de leur •côté, que lorsqu'on échauffe un corps, il absorbe de la chaleur et la restitue en se refroidissant. Si la chaleur était réellement un fluide, on ne s'exprimerait pas •autrement.

Les mathématiciens eux-mêmes emploient souvent un langage analogue. Toutes leurs formules furent •établies comme si la chaleur était constituée par un fluide. Laplace, Poisson, Lamé, etc., assimilaient le •calorique à un fluide expansif et la température des particules à la tension de ce fluide dans ces particules. Les variations de chaleur s'expliquaient par des •échanges, entre ces particules de calorique, proportionnels à la différence de leurs températures respectives. Aujourd'hui que la chaleur est considérée comme un mouvement vibratoire des particules matérielles, on continue encore à raisonner souvent comme si elle était un fluide, dont elle possède, en effet, bien -des propriétés.

« L'analogie existant entre la propagation de la •chaleur dans les corps athermanes et la filtration des iluides dans les masses poreuses, est si étroite, écrit M. Bousinesq dans sa Théorie analytique de la chaleury qu'on pourrait lui demander une théorie mécanique de la conductibilité, s'il y avait un fluide •calorique. »

Nous ne sommes pas certains, au surplus, que ce Huide n'existe pas. Dans les phénomènes calori-

fiques, on commence à faire jouer un grand rôle aux électrons. Après nous avoir ramené à l'antique fluide électrique, ils feront revivre peut-$tre le fluide calorique. Pour le moment, notre ignorance à cet égard est complète.

§2. — CHANQEMENTS D'ÉTAT DES CORPS SOUS LMNFLUENCE OE LA CHALEUR ET VARIATIONS D'ÉNERGIE QUI EN RÉSULTENT.

Les effets de la chaleur sur la matière sont d'une observation journalière. Le simple examen des mouvements de la colonne d'un thermomètre montre que les corps se dilatent par la chaleur et se contractent par le froid. La sensibilité de la matière est telle, qu'une variation de température d'un millionième dé degré suffit déjà à modifier d'une façon expérimentalement appréciable sa résistance électrique. La plus légère oscillation de l'éther la fait vibrer et rayonner. Il y a ainsi échange permanent d'énergie entre là matière et l'éther.

Il n'est plus possible maintenant de considérer la matière indépendamment de son milieu. Les variations de ce dernier conditionnent ses équilibres et aussi sa forme, la rendant solide, liquide ou gazeuse. La matière correspond à un état d'équilibre entre ses énergies intérieures et les énergies extérieures qui l'entourent. •

Les mouvements de rotation et de révolution des éléments d'atomes varient sans cesse sous Faction de la chaleur. Elle modifie non seulement leurs vitesses de rotation, mais encore lès diamètres des orbites parcourus. Quand ces derniers s'accroissent, les particules des corps s'écartent de plus en plus, les attractions moléculaires constituant la cohésion sont surmontées et la matière passe à l'état liquide, puis à Tétat gazeux.

Pendant ces changements, les corps absorbent des proportions déterminées de chaleur, qu'ils restituent en quantité exactement égale lorsqu'ils retournent à leur état, primitif. L'énergie absorbée étant alors exactement rendue, on était fondé à croire que la matière n'en créait ni n'en détruisait jamais.

La chaleur peut au point de vue physique être définie, un mode d'énergie produisant le changement de volume des corps et par conséquent leur dilatation. Cette dilatation représente un excellent moyen de la mesurer; le thermomètre, basé sur elle, peut n'indiquer cependant qu'une partie de la chaleur fournie à un corps. Quand on chauffe de la matière pour la faire changer d'état, pour la liquéfier, je suppose, on produit trois effets différents, dont le premier seulement est révélé par le thermomètre : l*" on augmente sa température; 2^* on change la disposition de ses molécules, travail interne que ne décèle pas le thermomètre; 3^ on change son volume, travail externe contre la pression extérieure, que ne révèle pas davantage le thermomètre. Il n'y a donc qu'une partie de la chaleur produite qui ait servi à changer la température du*corps.

On peut, du reste, faire varier la température d'un corps sans lui fournir ni lui soustraire de chaleur. Gela s'observe dans les opérations dites adiabatiques, par exemple quand on comprime un gaz dans un réservoir 'imperméable à la chaleur. La température est augmentée par la transformation en chaleur du travail effectué.

L'énergie calorifique nécessaire pour obliger les corps à changer d'état est considérable. Pour transformer de la glace à zéro en eau à la même température de zéro, il faut lui donner autant de chaleur que pour élever de 1 degré 80 fois son poids d'eau, soit 80 calories. Si l'eau se congèle de nouveau, elle restitue la chaleur absorbée. Pour transformer de

Teau à 100 degrés en vapeur saturante à la même température, le travail nécessaire est bien plus considérable encore puisque cette tranformation exige 537 fois autant de chaleur que pour élever de 1 degré la même quantité d*eau. Comme précédemment ces 537 calories sont restituées exactement quand les molécules se rapprochent pour repasser à l'état liquide, c'est-à-dire quand la vapeur à 100 degrés se condense en eau également à 100 degrés^.

Pour montrer la grandeur des énergies ainsi déplacées, Tyndall donne les exemples suivants : la chaleur résultant de la combinaison de 1 kilogramme d'hydrogène avec 8 kilogrammes d'oxygène élèverait de 1 degré la température de 34.000 kilogrammes d'eau, ce qui correspond à plus de 14 millions de kiiogrammètres. La condensation en eau des 9 kilogrammes de vapeur formés par cetta combinaison, représente un travail de plus de 2 millions de kilogrammètres. Si, continuant à descendre cette échelle, on amène l'eau à l'état solide par l'abaissement de sa température, elle produirait encore près de 700.000 kilogrammètres.

Les chiffres représentant les forces nécessaires pour modiûer les états moléculaires sont évidemment considérables à l'égard de nos unités habituelles d'énergie, mais ils sont immensément faibles à l'égard de ces

1. Voici, exprimées en kilogrammètres, les diverses quanlités d'énergie qu'il est

possible de concentrer dans 1 kilogramme de matière. Il serait trop long de

donner ici les détails de nos calculs : /^hq.

Énergie libérée parla décomposition soos Tin fluence du courant grammétres.

électrique de 1 kilogramme d'eau . 1.093.000

Énergie libérée par 1 kilogramme de vapeur d'eau à lOO'*

condensée et refroidie à 0** 270.725

Énergie libérée par 1 kilogramme de fer refroidi de 1.500^ à 0°. 72.675

Énergie cinétique libérée par le choc d'une masse de fer pesant

1 kilogramme et animée d'une vitesse de 1 .000 mètres par seconde . 51 . 000

£nergie libérée par la décharge del kilogramme d'accumulateurs

au plomb ayant emmagasiné 10 ampères-heures 7.300

Maximum de l'énergie électrique accumulable dans une bouteille

de Leyde de 1 décimètre cube environ de capacité 0,05

forces intra-atomiques dont nous avons étudié ailleurs la grandeur.

Il faut retenir de ce qui précède la constance des chiffres représentant l'énergie calorifique déplacée dans les diverses variations d'état de la matière. Ce qu'elle absorbe pour passer d'un état à un autre est toujours rigoureusement rendu quand elle revient à son état primitif. Il y a donc de simples déplacements d'énergie sans destruction ni création.

Ce fait si constant semblait un argument très solide en faveur nop seulement de la conservation de rénQi:gie, mais aussi de cette notion capitale que la matière et Ténergie sont deux choses fort distinctes, la première servant de support à la seconde, mais ne la créant jamais.

Nos lecteurs savent comment ont été renversés ces principes. Pratiquement, d'ailleurs, les données anciennes conservent toute leur valeur. Car si la matière, transformée en énergie, dont elle est un immense réservoir, peut devenir une source de forces diverses, nous ne savons encore en extraire jusqu'ici que des quantités insignifiantes.

§ 3. - LA CHALEUR PEUT-ELLE SEAVIR DE MESURE A TOUTES LES FORMES D'ÉNERGIE.

Dans tous les changements d'état des corps, nous avons parlé uniquement de la chaleur dégagée ou absorbée sans nous occuper des autres formes d'énergie mises en jeu. Jadis on n'en tenait aucun compte, mais Tétude approfondie des lois de Télectrolyse ayant montré la plupart des changements chimiques s'ac- €ompagnant d'une production rigoureusement constante d'électricité pour chaque réaction, il s'ensuivait que ces dernières peuvent s'exprimer en unités élec-

triques tout aussi bien qu'en unités caloriques. Aujourd'hui on tend de plus en -plus, nous l'avons vu, à mesurer dans les électrolytes les réactions par la quantité d'électricité déplacée au lieu de les mesurer par celle de chaleur mise en jeu.

La génération de la chaleur et de Télectricité suivant une marche assez parallèle, on peut se demander si ces forces ne seraient pas des manifeslations secondaires d'énergies inconnues dont on aperçoit seulement des effets. L'énergie chimique, par exemple, est probablement aussi différente de l'électricité et de la chaleur qu'elle engendre, que ces dernières le sont du frotte^ ment qui peut aussi les engendrer.

La chaleur étant très anciennement connue, et toutes les énergies paraissant pouvoir revêtir cette forme, il était naturel de la prendre comme unité de mesure. Quand on fait tomber des radiations sur une surface absorbante, on considère comme équivalentes celles qui produisent le même échauffement. De cette façon fut étudiée la répartition de Ténergie dans le spectre lumineux. Mais il apparaît maintenant que des énergies très actives peuvent se manifester sous d'jautres états que la chaleur et ne sauraient par conséquent être évaluées par elle. La température, en avançant dans le spectre solaire vers l'extrême ultraviolet, devient de plus en plus faible et finit par être tellement minime qu'elle n^est perceptible que pour des instruments d'une sensibilité très grande. S'en tenant aux mesures calorifiques, on pourrait dire l'énergie à peu près nulle dans cette extrémité. Or, elle est, au contraire, extraordinairement active, dissociant les corps les plus résistants et les transformant en un torrent de particules de la famille des rayons cathodiques.

Il y a donc sans doute des formes d'énergie qui ne peuvent se ramener à la chaleur et que la chaleur ne saurait par conséquent permettre de mesurer. Ce

point très important finira certainement par attirer Tattention des physiciens.