CHAPITRE \II

'• l-OI OE LA TEMPÉRATURE. — CHALEUR CONSOMMÉE DANS LA FUSION ET CHALEUR PRODUITE DANS LA SOLIDIFICATION.

Nous avons déjà appris dans le chapitre II qu'un thernio- '^etre plongé dans de la glace que l'on chauffe reste station- ^re pendant toute ia durée de la fusion, et, d'après la déflation du mot température, nous disons que la température ^ fusion de la glace est constante. Cette propriété appartient tous les corps solides qui peuvent fondre par l'action de la Voleur. Faisons chauffer du soufre dans un ballon de verre 'g- 08), et plaçons-y la boule d'un thermomètre à mercure, ^us verrons le niveau du mercure s'élever graduellement squ'au numéro iiO de l'échelle, et la fusion commencer <ïrs. Dès ce moment, le niveau restera fixe jusqu'à ce que ^^t le soufre forme une masse liquide. Il ne continuera à monter qu'après la fusion complète. On dit que la tempéraïre de fusion du soufre est de HO degiès».

In vei'seiDtiDt prenons le soufre li«|uide à 120 degrés, et iiiisson»-lc se refroidir. Nous verrons d'abord le niveau du mercure s'abaisser dans le thermomÈta', puis s'arrêter 1 110 degrés ; aloi's apparaîtront des aif;uilles solides à la sur face du li(|uide, el sur les parw du vase qui le contient. Le soulie redevient solide, et sa température reste constante pendant k solidifr cation , cette température est la mèmequecelle de la fusion. Cen'Kt qu'après la solidification complète i{ue le tliermomètre recomniencw) à descendre.

Un grand nombre de substaucts jusentent le même phénomène; seulement cliacuiie d'elles a sa temperatuie propre de fusion ou it solidification Ainsi k cire d'abeilb tond a 62 degrés, l'étain à 255,1e Fig. 58. - Suur™ fond- i 1 lomb a 552, l'or .\ 1200.

dan* un Jmiion, 11 j a de*, substaiices infusibte;

les unes comme le cbarbon, risistent aux plus hautes tempi'ratures connues ; on ilit qu'elles sont réfractaires ; les autres, comme la céruse, le marbre, le bois, sont décomposées jwr l'actionde !a clialeur, fHK^ tju 'elles sont formées d'atomes faiblement uuis entre eui. Le nombre des premières diminue n mesure que le progr^-s de 11 science permet d'atteindre des températures de plus eu plus élevées ; quant aux seconde», c'est en cherchant à empèchi? k séparation de leurs atomes par une compression énergique t/u'on peut arriïor à on falic Vùwdrc i\\).«,^viGs-unes. Aiusîon a réussi avec le marbre, en ci\ïctmM\\. w^.^fi »àïAa,\«fc'»& '"' canon de fusil hciniclKpjemeftV- fenafe Y« \B\\wwà^

FUSION ET SOLIIllFIGATION. 185

Lorsqu'on échauffe le marbre dans ces conditions, il imence par éprouver une décomposition partielle ; du gaz le cabonique s'en dégage, et de la chaux reste. Le gaz se lisant emprisonné dans le canon de fusil exerce une près- I sur le marbre non altéré, et maintient l'union de sesélénts; celui-ci peut alors fondre. Quand on a prolongé lez longtemps l'opération, on laisse refroidir Tappareil, on ttvre et on trouve sur le résidu solide des traces de fusion. Quand on veut opérer la solidification d'un liquide par le îoidissement, on n a qu'une seule difficulté à surmonter : îst celle de produire un froid assez énergique. Aussi le mbredes liquides, qu'on n'a pas encore pu solidifier par le froidissement diminue-t-il, à mesure que les moyens de 'oduirc le froid se perfectionnent. Ije mercure se solidifie à d degrés et le protoxyde d'azote à 100 degrés au-dessous de jro. Nous verrons dans le chapitre IX quels sont les procéis usités pour la production artificielle d'un froid aussi excesf. Parmi les liquides qui n'ont pu encore être solidiOés, MIS citerons le sulfure de carbone, que l'on emploie beau- )up aujourd'hui dans la préparation industrielle du caoulïoac.

La fusion des corps solides n'est pas toujours brusque Hnme celle de la glace ou du soufre , qui deviennent trèsirides en fondant. Le verre, par exemple, est pâteux, quand i température est assez élevée, et c'est dans cet état qu'il îut être façonné par les verriers, étiré en fils, soufflé, re- •urbé, en un mot travaillé d'une infinité de manières. De ême, l'alcool excessivement refroidi, devient pâteux. L'état rteox n'apparaît pas toujours dans le voisinage de la tempétare de fusion ; il résulte dun arrangement particulier des olécules et peut se présenter à d'aulte?» Vewvç^x^Vx^^'^. »/ ce qui arrive pour le soufre, qui cslçvvVeuiiNCÇ'&'i^^ ^^-

180 LA ClIALEUU.

Appliquons notre attention au phénomène principal que nous venons d'observer, à savoir, à la constance de la température de fusion et de solidification, et cherchons à nons rendre compte du rôle de la chaleur dans ces opérations.

Quand un solide fond, ses molécules sont évidemment séparées les unes des autres par Faction de la chaleur qui pro* vient des corps voisins. Comme ces molécules étaient liéfô entre elles par des forces intérieures, la résistance de ces forces a dû être surmontée ; de là un travail intérieur produit et de la chaleur dépensée. De ce que la température reste constante, nous devons conclure que la chaleur qui arrive au corps en fusion n'y entre pas à l'état de chaleur sensible, mais qu'elle est transfoniiée en travail mécanique. Ce travail est seulement intérieur, si aucune pression extérieure n'agit sui" la surface du corps de manière à gêner le changement de volume qui accompagne toujours la fusion. Si au contraire une telle pression existe, celle de l'atmosphère pai' exemple, il faut tenir compte du travail extérieur ; mais habituellement il est très-faible en comparaison du travail inlé* rieur, et on peut dire que ce dernier dépense presque la totalité de la chaleur prise au dehors. On appelle ordinairement clialeu7' latente toute la chaleur dépensée ; mais comme une telle expression, créée autrefois par les partisans du calorique, peut laisser croire que cette chaleur existe réellement, caciiéc dans le corps ; il vaut mieux l'apiJeler simplement chaleur de fusion.

Dans l'opération inverse, dans la solidification, la constance de la température s'explique dès lors très-aisément. Les molécules liquides que l'on refroidit cessent d'être séparées les unes des autres par la chaleur, dès que leur température atteint celle de fusion ; les forces intérieures, cessant fïètrc vaincues, reprennent leur empire et reconstituent le corjfs solide. Or elles dépcusenl d\i Vv«n^A\ ^ç^wc de la cha-

ir est créée, et c'est cette clialeur qui en se dégageant peu peu empêche la chaleur sensible du corps de diminuer et ir suite la température de s'abaisser. Il doit y avoir lors de solidification une quantité de chaleur dégagée égale à la laleur dépensée pendant la fusion, le travail extérieur étant égligé. Tentons quelques expériences jiour vérifier l'exacliide de notre raisonnement.

Nous connaissons déjà la chaleur de fusion de la glace ; DUT fondre 1 kilogr. de glace à zéro, il faut verser sur la lace 1 kilogr. d'eau à 79 degrés. Cette eau est refroidie à [lesure que la glace fond, et elle atteint la température de le zéro, à partir de laquelle elle cesse d'agir. A chaque l€gré d'abaissement de température , elle dégage une ^rie; la chaleur totale consommée par la fusion de 1 cilogr. de glace s'élève donc à 79 calories. On arriverait au Bême résultat en versant 79 kilogr. d'eau à 1 degré.

On peut faire une expérience semblable avec la cire qui ind à 62 degrés. Prenons une grande quantité de cire d'abeilles maintenue à cette môme température à l'état soHde, ît versons sur cette cire M kilogr. d'eau à 65 degrés ; cette Bau s'abaissera à 62 degrés, en dégageant 44 calories, et vous trouverez 1 kilogr. de cire fondue. Donc la chaleur de fusion de la cire est de M calories, un peu plus que la moitié de celle de la glace.

Il est aussi facile de prouver que la solidification est accompagnée d'un dégagement de chaleur. Le plomb fond à 332 degrés; maintenons exactement à cette température 1 •ûlogr. du métal à l'état solide ; il suffit pour cela de cesser de le chauffer dès qu'il a atteint 532 degrés et de ne laisser ^&r le foyer que faiblement, pour empêcher seulement le plomb de se refroidir. Jetons ce plomb dans 1 kilogr. d'eau ^îéro. !Nous verrons la température de l'eau s'élever de 10 déliés. Donc le kilogramme de plomb eu se To,(YO\d\s%^wt ^ v\4-

gagé i calories. Faisons une autre expérience avec 1 kilogr. de plomb fondu complètement à 552 degrés, jetons-le dans iO kilogr. d'eau à -zéro ; nous verrons la température s'élevei à 15 degrés. Pourquoi ces 5 degrés de plus que dans la première expérience? Ces 5 degrés indiquent un dégagement de 5 calories qui n'avait pas eu lieu précédemment. C'est que le kilogramme de plomb, qui était fondu, a commencé par se solidifier au contact de l'eau froide, avant de se refroidir, et qu'il a dégagé une quantité de chaleur égale à celle qu'il avait prise au foyer pour fondre. La conclusion de cette double expérience est que la chaleur de fusion ou de solidification du plomb , est de 5 calories, 16 fois moindre que celle de la glace. *

Chaque substance fusible a sa chaleur de fusion qui lui est propre, et, ce qui est remarquable, c'est que la glace est encore celle qui exige le plus de chaleur pour fondre, de même qu'elle a la plus grande capacité pour la chaleur. Aussi lorsqu'en hiver la gelée arrive, le sol reçoit une provision de chaleur qui tempère l'action refroidissante de l'atmosphère et des espaces célestes, et qui empêche la température de s'abaisser rapidement au-dessous de zéro : car chaque kilogramme d'eau qui se congèle dégage 79 calories. Quand vient le dégel, l'eau reprend cette chaleur, el par là elle tempère l'action échauffante de l'atmosphère et du soleil ; elle empêche la température de s'élever rapidement au-dessus de zéro : nouvelle cause de la douceur du climat dans les régions où il y a beaucoup d'eau, qu'il faut ajouter à celles que nous connaissons déjà. Le froid et le chaud se succèdent moins bmsquement ; il n'y a pas, comme dans les pays privés d'eau, tels que l'Asie centrale et l'Australie, des hivers et des étés excessifs. On peut dire que l'eau est le régulateur naturel de la chaleur à la surface de la terre.

La lenteur de la fusion de la glace est une conséquence de ce que celte substance a besom Ae \ife^\SLÇ,Q\j;^ dft chaleur poui

idre. Aussi une couche de glace à la surface d*uii corps -elle un abri souvent très-efficace contre la chaleur : tanl e la couche n'est pas complètement fondue, la température

corps ne peut s'élever au-dessus de zéro. Inversement e couche d'eau préserve contre le froid, à cause de la lenur de la congélation. Enveloppez un corps de Unges mouil- , et entretenez l'eau qui les imprègne, vous empêcherez le •ps exposé à un froid très- vif de se refroidir au-dessous de «; l'eau formera lentement de petits glaçons surle linge, en j;ageant sans cesse de la chaleur. C'est un moyen de pré- •ver les substances organiques de la gelée pendant l'hiver. On cite de curieux exemples de la lenteur avec laquelle la ace fond.

Dans l'hiver de 1740, on construisit à Saint-Pétersbourg ec les glaçons de la JNéva un palais dans lequel on donna is fêtes. Évidemment une grande quantité de chaleur était cumulée dans l'intérieur, et elle fondait peu à peu la suîrficie des murs ; mais la fusion était très-lente, de sorte ne les murs suflisamment épais résistèrent pendant longanps. On fit aussi avec de la glace des canons de A wces d'épaisseur, et on lança des boulets de fer, sans que « canons fussent fondus ou brisés par l'explosion de la poure. En Sibérie, on se sert de plaques de glace pour les feutres; leur surface intérieure ne fond même pas, parce que « couches extérieures sont très-froides, et qu'elles maintien- BQt la température au-dessous de zéro.

L'existence de la chaleur de fusion est suffisamment confiée par tous les faits que nous venons de rapporter. Nous 'ons à rechercher des preuves expérimentales du travail ^teneur qui s'opère dans la fusion et dans la solidification.

Faites fondre du soufre dans un grand creuset en km, puis laissez-le refroidir sans aucinie agitation. I^e refroîdiss^ ment sera ti-Ès-leiil, et la tem[>érature atteindra 110 degrés d'abord i la surface et sur les parois ; la partie centrale restera cncjjre liquide, lorsqne la folidilication aura commencé. Vous venei des aiguilles de soufre se former it surface en se croisant dans toutes b directions. A ce moment, écarlM les aiguilles qui sont au centre, el l'euTcrscz le creuset ; la partie liquide sccoulera cl vous pourrez voirlawiiclic solidifiée sur les parois- elle pr^ t 1 pe t d fi giul'"

j n 1 1 p nt to t d ^'^- ~ d 1 pa I ce tr d

u t(fg 59) 1 ppell des cristau d t t i^tud t so 1 u t me on a reconnu que chaque cristal est termine par des faces planes disposées i-éguliirement.

Une loi préside donc à l'arrangement des molécules ; loi^' que la solidification a lieu, il y a des forces motrices qui amènent chaque molécule à une place déterrninéc. Or l^^ mouvement d'une molécule, sous l'inllucnce d'une force, est un travail mécanique dépensé ; et l'ensemble de tous les travaux moli«ulairos est ce que nous avons appelé le travail i»' téi'ieur. Nous avons donc prouvé l'existence de ce travail, e" l'arrêtant à temps, tandis qu'il s'eiécutait, et en montrant /alat iiitcricur du corps à ce moment. Si noua avions laissé K

lIVc se refroidir entièrement, ce travail eut continué silenasemcnt, caché par la couche superficielle, et Tadmirahle ucture que présente l'intérieur eut échappé à nos regards. s forces moléculaires sont de grands avcliitecles (pii obéisnt à la loi souveraine dictée par le Créateur. 11 n'est pas toujours facile de faire cristalliser les corps aur fusion ; et il faut attribuer notre insuccès à rinsuffisance e nos procédés. Bien souvent les cristaux sont très-petits et nchevètrés, de telle sorte que la cassure ne présente aucun idice de cristallisation ; c'est ce qui arrive lorsque le liquide st agité pendant son refroidissement. Jjorsque les cristaux ont assez gros, la cassure met à nu leurs facettes planes, mit)itantcs; on ditqu'elle est cristalline.

C'est encore l'eau qui nous offre le plus bel exemple de la cristallisation avec tous ses détails. Lorsqu'on contemple les >ropriétcs si variées de cette substance, ne pourrait-on pas îftnser que Dieu a voulu nous révéler par elle les mystères les )las cachés de la nature ?

Quand la température de l'air est très-basse , l'eau qu'il îontient se rassemble en petits cristaux réguliers (jui tantôt onnent une fine poussière blanche, tantôt conservent une ransparence si parfaite, qu'on ne peut les apercevoir, et ju'on est averti de leur présence seulement par la sensation ïu'on éprouve en les recevant sur son visage ; ce dernier état Ida glace a été signalé par MM. Barrai et Bixio dans une os- *nsion en ballon. Transportés dans des couches d'air plus ^ïumides, ces petits cristaux condensent de l'eau à leur sm*face, et grossissent en conservant leur régularité ; peu à peu ils deviennent des flocons de neige, aux formes les plus vanées. Le célèbre astronome Kepler est le premier qui ait étudié ces formes avec soin ; ce sont surtout les navigateurs qui ont pu en faire une étude complète, dans les régions polaires, ^^ la n&ge tom/>e fréquemment ola(Y\KC\ve\\Vc,ç>\.ç;\!w^Wv>\.\\\^.'^,

.03 LA CHALEVn. 1

Scorcsby a dessine 96 formes de neige, et aujourd'liui onta | connaît plusieurs centaines qui sont classées. Toutes préseu- 1 tentl'aspectd'étoiles à sixrajons, avec des modilications s<- -< métriques par rapport au centre de l'étoile (fig. 60).

La coiigétatiou de l'eau à la surface de la terre suit U même loi ; mais les cristaux sont souiiés les uns ans autres

<s3^ miçm H>p -^v -— «-# -4^ )-''•'

Fig. 60. - Formes divi

pour formel' k's glaçons, il est liabitucHcmciiI impossible de les discerner.

Voici une IrËs-belle expérience de M. Tyndall, qui va nous foire assister à une sorte de dissection de la glace compacli', et nous mettre sous les yeux le travail intérieur qui s'exéculi' pendant la fusion. Nous avons vu comment l'édifice solide était construit ; nous allons maintenant le voir détruit régulièrement ; ses diverses parties voiitêlre séparées dans l'onlrc même suivant lequel elles avaient éti^ assemblées : et le sous du travail sera seulement diannfr..

On prend une plaque de ^Xac* \i\tï».\ta,ft%iiMti*&,^\«stteax faces nat^.i-cllement parâmes -, « *ftw^«\V% ^vn''^-*^

PL'SION BT SOLIDIFIUTIO». 103

iontales lorsque la plaque a été formée à la surlace de ; OD les appelle plans de congélation. Avec un miroir on ; iunizofltalemeiit sur cette glace un faisceau de rayuns 'es, et on dispose la plaque, de manière à ce que ses de congélation soient parallèles aux rayons, ou en res termes que les rayons entrent par la tranche. On

tig. 01. — Ditseclit» de la glace par un faisceau solaire

nsuite sur le trajet du faisceau solaire une lentille cotinte, à une place telle que le foyer se forme dans l'Intéde la plaque, et on regarde ce qui se passe dans la STecune forte loupe (fig, 61). Voici ce qu'on observe : l'entrée des rayons, de petites étoiles à six branches, labiés à des fleurs, apparaissent très- rapprochées les des autres ; on les suit jusqu'à deux centimètres de la 'entrée ; mais à cet endroit elles sont plus espacées : oi» on en découvre d'autres encore çlus ^^i^% (^ écédentes. On peut Toir ces étoiles se ïoimat e.\.^ itir gradueUemani. C'est d'abord un çomt\iv\"û»a,v, wf». le centre d'une tache arrondie; ç\ns ui\'b'!«^v\- 'V^'^

rayons ; ceux-ci s'étendent peu à peu et leurs bords sedéc^ peut en feuilles de fougère (fig. 62).

Expliquons ce phénomène avec détail.

Le faisceau solaire apporte la chaleur au milieu delà gla les premières couches absorbent une partie des rayons cal fiques, et le faisceau en j)énélrant plus avant est gradue ment dépouillé des rayons absorbablcs par la glace. A pî d'une certaine profondeur, il cesse d'être échauffant. ? retrouvons ici une propriété de la chaleur rayonnante nous avons étudiée dans le chapitre iv. La glace doit < être plus échauffée près du point d'entrée du faisceau une certaine distance de ce point.

Lorsqu'un point brillant apparaît, il est dû à la fusio la glace qui commence; à mesure que la fusion conl autour de ce point, il devient l'étoile. Chaque fde de i cules se détache à son tour, et comme les molécules et arrangées par files régulières, distribuées dans trois direc principales, nous trouvons dans les rayons de l'étoile lie l'indication de ces directions.

C'est suivant ces trois directions que les forces mo laires cèdent le plus tôt a l'action de la chaleur ; comi elles étaient celles où se concentre la lutte. Nous distin^ l'eau qui provient de la fusion, parce qu'elle réfléchit notre œil de la lumière; et nous apercevons au c de l'étoile un point d'aspect métallique parce qu'i formé par un espace vide qui réfléchit abondammei lumière.

Pourquoi ce vide? Nous savons déjà que la glace est ï\

dense (pie l'eau ; chaque étoile mesure un petit volun

^'lace qui a été londu, et l'eau produite occupe un vo

moindre, C est ainsi que uows \,tovxNOYv& ^^ws^V.'s» ^'^Vsikc

phénomène une foule d'ulWes em^\Ç)Vv^vsv^\v\.'î».\ii.^\^

une harmonie; « la niissiOTv àe\^ ç.çàç,wç,ç^, $L\\.^.

fîg.es.— Fleurs de gtaee.

FLSIOH ET SOLiniFlCmu\ ' de puiilîei a<:sc/ nos oi^Jiie» poui |ii sir ces accords »

On peut rendre la foi ttion des fleurs de la »cc ïis)ble par un grand mbre de persoiuies à la s. 11 iaut alors taire trer le faisceau solaire lis la plaque de „laco rpendiculai remet t au\ insdecongtlabou puis icer nne lentille de utre cd\é dt la plaque g. 63j abn de projeter ir un l'cran blanc 1 image Il versée de la glace expérience se lait dan« obscurité et après quel ucs tâloHiienieiits ou Ht les étoiles se dcssuicr " l'écran elles -m di 'chcnt li-^orement oui ^ sur un fond cla i <rce que Icau absorbe "s de lumière que la 'Ce, et le vide est mai V par un point blanc ■^quil nabsoibeau ■>e lumière On peut c«re substituer aux Ions du soled ceux de tï Toltaïque ou d un aliimeaudeDrummond

3. CHANQEMENr DE VOkUME ET TRAVAU. EXTÉRIEUR. — FORCE EXPANSIVE