TRAVAIL INTÉRIEUR ET TRAVAIL EXTÉRIEUR CHALEUR D'ÉVAPORATION

Quel est le rôle de la chaleur dans Tébullition lorsque la pression reste constante et que par conséquent la température ne cliangc pas ? Évidemment la chaleur sans cesse fournie i)ar le foyer n'est plus sensible en passant dans le liquidai puisque le thermomètre n'accuse pas sa présence ; elle est consommée, anéantie comme chaleur, et son équivalent est le travail mécanique produit. Ici il faut considérer à la fois le travail intérieur, dû à ce que les molécules liquides sont séparées malgré la force de cohésion qui les unit ; et le travail extérieur, dû à ce que le volume est augmenté malgré la résistance des corps extérieurs qui pressent la surface du liquide. Quand le liquide bout à l'air hbre, c'est l'alniosphère qui olfre cette résistance ; quand il bout dans la machine à vapeur, c'est le piston. Le travail extérieur est dans ces circonstances d'une grandeur très -comparable à celle du travail intérieur, et il n'est jamais néghgeable comme dans h fusion des corps sohdes. Cela lient à ce que le volume de h vapcuv est toujours bcaiweoxxY ^Xxi^ %\^vA Qjcwi. celui du

uide qui Ta produite : ainsi Teau en se vaporisant à 100 gn»s prend un volume 1700 fois plus grand.

Pour représenter le travail produit, il faut imaginer un lindred'un décimètre carré de section, contenant un kilolumne d'eau à 100 degrés, et un piston exerçant sur la irface de cette eau une pression de 105 kilogrammes. Quand 1 aura dépensé 556 calories, on aura réduit cette eau en ipeur, et le piston sera élevé à la hauteur de 1 70 mètres iviron. Le travail extérieur produit est donc supérieur à 7000 kilogrammètres, et il a consommé 40 calories, c'est-àire presque le treizième de la chaleur dépensée.

Gomment les physiciens ont ils pu déterminer la chaleur '^aporation, c'est-à-dire le nombre de calories que con- )mme un kilogramme de Hquide, lorsqu'il se réduit en va- 6ur sous une pres>ion constante ? C'est en mesurant la chaw dégagée par la vapeur, lorsqu'elle revient à l'état liquide MIS les mêmes circonstances. Supprimons en effet la source e* chaleur autour du cylindre rempli de vapeur qui nous serait dans le raisonnement précédent, voici ce qui va se passer.

k piston redescendra à mesure que les molécules de va- ^ devenues libres obéiront à leurs attractions mutuelles, t reformeront le liquide. Il y aura ainsi deux sortes de traîïtt dépensés ; d'abord celui du piston, puis celui des forces moléculaires. De là le dégagement d'une quantité de chaleur ïni?alente à tout ce travail. Quand le kilogramme d'eau à 00 degrés sera reconstitué, la chaleur totale dégagée sera istemenl égale à celle qui avait été dépensée dans la vapoisation. La condensation de la vapeur, opérée dans les mêmes i^iditions de pression que l'ébuUition, présente les mêmes apports entre la chaleur et le travail ; il y a seulement in- Bïrion dans le sens de ces quantités. Or il est très-aisé de Mesurer la chaleur dégagée : pour cela on entoure le c^liudre ^m ù^'tde ; du poids de cette eau et àe Vé\fes^\\WN. ^^ ^^

23t LA CHALEUR.

température on déduit le nombre de calories recueillies. Voili pourquoi on préfère efTectuer les mesures dans le retour i rétat liquide ; et c'est en faisant des eipérîences de ce genre, que M. Rennault a reconnu que, dans Topération précédemment décrite, il y a 556 calories dépensées.

Nous avons dans la distillation un exemple très simple de la condensation des vapeurs sous une pression constante. Cette opération a pour but de séparer les unes des autres plusieurs substances inégalement volatiles, qui composent un mélange liquide. Le cas le plus simple est celui où le mélange ne contient qu'un seul liquide, dans lequel des matières non volatiles sont dissoutes ou maintenues en suspension. Le mélange est introduit dans une chaudière, et soumis sui me large surface à l'action du foyer. lUentôt il entre ei éhullition ; sa vapeur provient du liquide seul ; elle se ren( dans un serpentin entouré d'eau froide et ouvert dans Tat mospbère à son extrémité, de sorte que la pression atmo spbérique s'exerce librement dans l'intérieur de Tapparei (iig. 75). La vapeur refroidie se condense d'abord soiiscett pression, en dégageant de la chaleur, et en conservant s température ; le liquide ainsi produit descend dans le sei pentin en se refroidissant, et dégage cle la chaleur^jusqu ce qu'il soit revenu à la température ordinaire ; on le « cueille dans un vase placé au bas de l'appareil. Quant a» matières non volatiles, elles s'accumulent dans la chaudièn et se trouvent complètement séparées du liquide.

On conçoit que la chaleur dégagée pendant la condensaii( de la vapeur est employée à chauffer l'eau qui environne serpentin ; et comme il est nécessaire, pour perdre le moii possible de vapeur, que le liquide distillé sorte le jdus fro possible, il faut remplacer sans cesse Teau échauffée par i ïeau froide. Celle-ci arrive par un tuyau veitical au bas ( serpentin, et chasse \er8 \e W\\V.V^«>\<^^\i4^c\\ûs'écot

ÊTAPORAIIOR ET ËBUI UTION. 233

ihors. Telle est la disposition de l'appareil qu'on appelle bic.

est à remarquer que la chaleur dégagée dans le serpenst égale à celle que le mélange a prise au foyer, et que ;tiUation opère un véritable transport de la chaleur. Auss'

Fig 73 — *l>mhit

n appliqué cette opération au chaulTagc Le procédé du f&ge par circulation de vapeur n est pas autre chose ne distillation en grand de I eau S agit il d'une maison la^er , la chaudière est installée dan-i les cuves , et des ux sont disposés comme un vaste serpentin dans toutes Mèces de la maison, le long des murs et sous les par- 8, la vapeur s y rend, s j condense en dégageant de la iiir, et l'eau condensée retombe dans la cliaudière. Elle Drend âe la cbakar, qu'elle transporte àa noûNtaM.-, %».

même que le sang prend la chaleur aux poumons, la distrib dans toutes les parties du corps, et revient à la source po y réparer ses pertes.

6. COMMENT LA CHALEUR EST UTILISÉE DANS LA MACHINE A VAPEUR ET DANS LA MACHINE A AIR CHAUD.

Une machine à vapeur munie d'un condenseur pourr être comparée à un alambic, si Ton se contentait d'un exam superficiel. Car on y trouve la chaudière, dans laquelle l'e dépense de la chaleur pour se réduire en vapeur , et le c( denseur, réservoir entouré d'eau froide, dans lequel la peur se rend en sortant du cylindre ; c'est là que celte peur repasse à l'état liquide, en dégageant de la chaleur; on pourrait croire, comme on l'a fait pendant longtem que la chaleur dégagée dans le condenseur est égale à la cl leur dépensée dans la chaudière. On sait depuis quelqi années , diaprés les observations d'un grand nombre de vants , et surtout d'après les belles expériences de M. Hi dont il a été question dans le chapitre premier, que ce égalité n'a pas lieu. La chaleur dégagée est toujours pi petite que la chaleur dépensée , et la différence est prop tionnellc au travail mécanique produit par le piston de machine, de sorte que la chaleur prise au foyer par l'eau la chaudière est en partie transportée dans le condenseur, elle échauffe les corps environnants , en partie anéar comme chaleur et transformée en mouvement mécanit dans le cylindre , où s'effectue un travail extérieur. La n chine la plus parfaite est celle où la proportion de la chaie transformée en travail est la plus grande possible ; et la ih rïe ijîdiqiie que cette proportion ne peut guère dépasser sixième de la chaleur dèçetvs^ci Yç^çWcïûfcwV ^'ax \^ Niw^eur.

EVAPORATION ET EBULLITION. 235

'autres termes, dans la meilleure machine à vapeur, sur six ilories que le foyer fournit à la chaudière il y en a une consrtie en travail, et cinq transportées au condenseur comme ans un alambic; on peut donc dire que cette machine est à i lois un moteur et un calorifère.

Quand on compare à ce point de vue la machine à vapeur ux machines à air, dont nous avons donné une idée dans le hapitre premier, on trouve que les dernières sont théoriqueoent bien préférables. Par exemple, quand Tair de la maihîne n'est guère chauffé au-dessus de 300 degrés, ce qui est lécessaire pour que les organes ne soient pas détruits par lue oxydation rapide , il est possible en théone de convertir a moitié de la chaleur dépensée en travail mécanique, Tautte moitié étant simplement transportée dans les corps environnants, résultat bien supérieur à celui que nous donne la machine à vapeur. Il faut donc que les machines à air soient L'objet d'études sérieuses, et que les inventeurs connaissent tout le parti qu'ils peuvent tirer de pareilles machines , afin de perfectionner leurs dispositions , et de diminuer les pertes de chaleur inévitables. Malheureusement les nombreuses tentatives que Ion a faites pour construire de grandes machines à air sont loin de répondre aux espérances que Ton &it autorisé à concevoir. A cause des vices d exécution et souvent de conception, les machines à air ne surpassent pas encore les machines à vapeur. Mais l'avenir leur appartient : elles n'offrent aucun danger d'explosion ; elles peuvent fonctionner sans eau, et surtout réaliser la conversion de la chaleur en travail de la manière la plus économique. Que les inventeurs ne perdent pas courage ; qu'ils approfondissent les règles posées par la nouvelle théorie de la chaleur ; et que l'exemple de Watt reste toujours présent à leur pensée! N'estH^ pas après des efforts inouïs et des sacrifices pécu-

>ïiaires immenses, que l'illustre inventeur a n\x ?>^\ïûiOkv\nr.V

m LA CHALEUR

vapeur entrer définitivement dans Tindustrie; et com d'autres avaient auparavant succombé, depuis que I Papin (de Blois) avait découvert le principe de cette mach découverte qui a rendu le nom de Papin à jamais immoi

Revenons aux phénomènes qui se passent dans la mac à vapeur. C'est un fait d'expérience qu'un kilogramm vapeur d'eau , en se liquéfiant dans le condenseur , dé| une quantité de chaleur inférieure à celle qu'il avait dé| sée pour se former dans la chaudière. Nous pouvons ex quer cela, en examinant dans quelles conditions s'opèrei vaporisation et la liquéfaction. L'eau est réduite en va] par ébullitiou sous une pression constante , et la chaleur pensée sert, d'une part, à séparer les molécules du llquid produisant un travail intérieur ; d'autre part, à surmonte résistance du piston en produisant un travail extérieur ; équivaut à la somme de ces deux travaux. Dans l'opéra inverse, la vapeur se précipite du cylindre dans le coiu seur, où la pression est très-faible : le travail extérieur pensé pendant la diminution de volume de cette vapeur peu considérable, et crée peu de chaleur ; le travail intéri dépensé par les forces moléculaires au moment de la liq faction est seul capable d'amener le dégagement d'une qt tité de chaleur comparable à la chaleur dépensée. C'est d l'absence d'un travail extérieur suffisant pendant la cond sation qui explique les faits observés par M. Hirn.

Nous voyons ainsi qu'une vapeur en se refroidissant dégage pas la même quantité de chaleur, lorsqu'elle se c dense sous une pression constante ou sous une pression j duellement décroissante, et cette observation nous condu étudier l'ébuliition dans des circonstances analogues.

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