CHAPITRE PREMIER

Sommaire. — Le soleil est une source calorifique des plus intenses ; preuve expérimentale. — Rôle de la chaleur solaire à la surface du globe; elle y entretient le mouvement et la vie.— Transformation de la chaleur en travail; équivalent mécanique de la chaleur. — La chaleur solaire est la source des seuls travaux naturels que l'homme ait su jusqu'à présent recueillir. — Possibilité d'emmagasiner directement le travail de la chaleur solaire ; avantages qui doivent en résulter pour certaines contrées. — Nouveau récepteur solaire; sur quels principes en est fondée la théorie; moyen facile et peu coûteux de produire assez vite au soleil une température élevée sur une surface de chauffe indéfinie. — Plan de l'ouvrage.

Les observations les plus récentes, malgré les précieux indices qu^elles ont fournis relativement à la constitution du soleil, sont encore loin de suffire pour fixera cet égard Topinion des savants. Cependant si Deluc a pu, vers la fin du dernier siècle, soutenir avec quelque apparence de raison que les rayons solaires ne sont pas cliauds par euxmêmes et n'engendrent la chaleur qu'en atteignant les parties les plus basses de la surface terrestre, on ne doute plus aujourd'hui que la température du soleil ne soit fort élevée. Voici d'ailleurs un des faits qui viennent à l'appui de cette opinion. Lorsqu'on reçoit derrière une vitre les rayons solaires on en ressent la chaleur à peu près comme à l'air libre. Or, les vitres présentent la singulière propriété d'intercepter presque totalement la chaleur obscure et même celle d'un feu de bois ordinaire, tandis qu'elles se laissent instantanément traverser par les rayons émanant

d*une source calorifique intense, telle que le fer en fusion. L analogie nous conduit donc à assimiler la température du soleil à celle de nos plus ardentes fournaises. Si l'on observe en outre que par suite de son prodigieux éloignement ce vaste foyer n'envoie à la terre que des rayons extrêmement affaiblis, on ne peut que s étonner de la puissance d'une source calorifique capable de produire à une pareille distance de semblables efiets.

A une époque comme la nôtre, où les progrès de la physique ont déjà permis, non-seulement d'évaluer avec exactitude l'intensité de la radiation solaire à la surface du globe, mais encore d'apprécier mieux que jamais le rôle de la chaleur dans les machines, il était naturel d'examiner s'il ne serait pas possible aux habitants de certaines contrées d'emmagasiner au profit de leur industrie les rayons du soleil et de se ménager cette ressource gratuite au moyen de récepteurs aussi faciles à construire que peu dispendieux. Telle est la question que nous nous proposons de traiter dans cet ouvrage en faisant connaître à la fois les détails qu'il nous a été donné de recueillir à ce sujet et les résultats de nos propres expériences. Nous espérons prouver de la sorte que, si l'inégale transparence du verre pour les rayctns calorifiques d'espèces différentes a déjà permis de concentrer la chaleur solaire sous des châssis vitrés, on peut, moyennant quelques modifications apportées à un appareil aussi simple, attendre du soleil des services fort importants dans les régions privilégiées où le ciel reste longtemps pur. Pour plus de clarté, nous commencerons par un examen rapide du rôle de la chaleur so* laire à la surface du globe.

La terre n'est, à vrai dire, qu'une vaste serre chaude

relativement aux espaces célestes. Lair qui lenvironne de toutes parts forme autour d'elle une atmosphère transparente analogue à une immense cloison vitrée ; car il est prouvé que ce gaz se comporte comme le verre à Tégard des rayons calorifiques, c'est-à-dire qu'il livre immédiatement passage à la chaleur du soleil en même temps qu'il s'oppose au rayonnement du sol. Cependant, cette enveloppe aérienne évidemment destinée à protéger sur la terre l'existence des êtres organisés, ne suffirait pas seule à remplir une pareille tâche. En effet, une atmosphère d'une extrême pureté, tout en affaiblissant dans une certaine mesure la radiation solaire ne saurait en modérer convenablement l'ardeur. De plus, elle ne préserverait la surface terrestre du refroidissement qu'à la condition de rester immobile et comme stagnante. Or, ce calme absolu de l'atmosphère est incompatible avec les effets de l'insolation ; car, les couches d'air inférieures en s'échauffant au contact du sol dans les contrées équatoriales tendent sans cesse à s'élever pour aller retomber au loin dans les régions les plus froides, tandis que l'air moins dilaté et par conséquent plus lourd de ces dernières régions s'écoule vers la zone torride afin d'y combler les vides qui s'y forment ; d'où résultent pour l'équilibre atmosphérique des perturbations continuelles, cause immédiate des vents. Ainsi, la trop grande pureté de l'air présenterait le double inconvénient de n'empêcher ni l'extrême chaleur du jour, ni le froid glacial des nuits : de là des conditions excessivement défavorables à l'existence des êtres organisés. Il fallait pour combattre ces influences pernicieuses l'intervention d'un voile toujours prêt à se déployer ou à disparaître suivant le besoin. C'est alors que l'eau dut commencer à

remplir le rôle important qu elle joue dans Téconomie du globe. On serait tenté de croire au premier abord qu entre ce liquide et lair le plus pur la ligne de démarcation est des mieux tranchées ; il n'en est rien cependant. L'air, sans même avoir besoin de changer d'état, se dissout constamment dans Teau pour y entretenir la vie, et Teau se mélange pareillement à lair en s'y répandant sous forme de vapeur. Or, la seule présence de la vapeur d'eau dans l'atmosphère suffit pour maintenir entre des limites convenables les variations thermométriques de la surface terrestre. En effet, lors même qu'elle reste invisible, cette vapeur diminue déjà la transparence de l'air pour la chaleur au point de rendre tolérables et l'ardeur du soleil et le rayonnement nocturne du sol. Mais c'est particuUèrement quand le froid la condense en nuages qu'elle exerce avec énergie cette double influence. Car, d'un côté les nuages renvoient à la terre la clialeur qu'ils en reçoivent, et de l'autre ils interceptent la radiation solaire jusqu'à ce qu'elle les fasse repasser à l'état de vapeur invisible, ou que le froid les précipite sur la terre. Disons de plus que, tout en mettant le sol à l'abri des grands écarts de température, riiumidité de l'air est indispensable à l'existence des animaux et des plantes dont les organes se dessécheraient dans une atmosphère privée de vapeur d'eau. L'ensemble des phénomènes qui concourent à produire ces résultats importants contitue d'ailleurs une des harmonies les plus admirables de la nature, puisqu'il faut alors que l'eau réduite en vapeurs par les rayons du soleil s'élève dans l'air en vertu de sa légèreté relative ; qu'elle s'y condense en nuages par l'effet du refroidissement; puis, qu'elle retombe sur la terre à l'état de pluie ou de neige, et qu'elle

retourne enfin par les artères fluviales au sein des lacs et des mers pour y reprendre bientôt le cours de ses pérégrinations.

En résumé, les mouvements de l'atmosphère et là circulation de leau dans cette enveloppe gazeuse sont, aussi bien que les phénomènes électriques résultant de pareilles vicissitudes, l'œuvre du soleil. Toutefois, ce n'est là qu'une des phases de la lutte engagée entre cet astre et la pesanteur. Car, si cette dernière enchaîne en quelque sorte les corps pondérables à la surface de la terre, le soleil en les dilatant les soustrait à sa puissance et tend sans cesse à les mettre en mouvement. On peut même dire qu'à l'exception des marées, produites en grande partie par la lune, et de quelques autres phénomènes dus à la chaleur centrale du globe, tout déplacement observé sur la terre est un résultat de l'influence du soleil. Mais, sans parler ici des courants superficiels ou sous-marins que cet astre produit dans l'Océan, du magnétisme qu'il développe dans l'écorce du globe ou des changements qu'il apporte à la structure des montagnes dont les glaciers déchirent les sommets et dont les fleuves charrient les débris jusqu'au fond des mers, bornons-nous à rappeler comment par une transformation suprême il entretient le mouvement des animaux.

Les rayons solaires ne versent pas seulement sur notre globe la lumière et la chaleur, ils y répandent encore des influences chimiques sans lesquelles les êtres organisés ne pourraient que s'étioler et mourir. On sait, en effet, que loin du soleil les végétaux perdent la faculté de décomposer les aliments qu'ils puisent dans l'air ou dans le sol et de s'assimiler par suite les principes nécessaires à

- 6 ~ leur accroissement. Quant aux animaux, s*ils ne semblent pas tout d abord dépendre au même degré de la radiation solaire, ils ont besoin pour atteindre leur développement complet d'en subir de temps à autre les salutaires influences. D'ailleurs, ils ne pourraient sans elle prolonger longtemps leur existence ici-bas, et la raison en est^que : semblables aux machines mues par le feu, ils exhalent constamment dans lair, en guise de fumée, un gaz qui finirait par les asphixier si les plantes ne le décomposaient sans relâche sous Faction directe du soleil. Les animaux ont, en effet, pour fonction spéciale de se mouvoir, et, comme toute machine thermique, ils n'arrivent à produire le mouvement qu'en brûlant du combustible. Aussi, leur nourriture est-elle exclusivement organique et le carbone y entre-t-il pour une large part : ce carbone est porté par la digestion dans leurs veines où il se consume lentement en dégageant plus ou moins de chaleur ; puis, il est exhalé dans lacté de la respiration sous forme de gaz acide carbonique, gaz impropre à l'entretien de la vie animale, et que les végétaux décomposent sous l'influence des rayons solaires, afin de s'en approprier le carbone et de mettre en liberté l'oxygène, principe de la combustion. Les végétaux à leur tour deviennent la nourriture des animaux herbivores; ceux-ci, la proie des carnivores ; et c'est ainsi que le soleil' fait circuler comme dans un tourbillon la vie à la surface du globe. On peut donc caractériser sa double influence sur les êtres organisés, en disant qu'elle a pour but d'emmagasiner le combustible dans les végétaux et de permettre aux animaux de convertir ce combustible en mouvement. Il est bon d'ajouter toutefois que le carbone absorbé par les végétaux n'est pas exclusivement affecté à la

nourriture du règne anîmal, et qu'il sert encore à constituer le bois dont la combustion nous préserve des rigueurs de l'hiver en nous restituant sous une autre forme la chaleur bienfaisante du soleil. Rappelons enfin que Thomme a su joindre à cette provision de combustible une nouvelle richesse destinée à alimenter longtemps son industrie, en allant chercher dans les mines de houille les débris de la végétation luxuriante qui Ta précédé sur la terre.

Tel est l'ensemble des principales influences dont nous avons cru devoir retracer le tableau, afin de rendre plus inteUigibles les considérations où nous allons entrer.

Les propriétés si diverses qu'on vient de reconnaître aux rayons solaires n'ont pas médiocrement contribué à modifier les vues des physiciens sur la chaleur, la lumière et l'électricité. Depuis Newton, la tendance générale était de regarder ces agents impondérables comme des fluides distincts. Mais on a fini par n'y voir, conformément à l'opinion de Descartes, que des mouvements particuliers imprimés à l'éther, fluide éminemment subtil, qui remplit l'espace en pénétrant tous les corps. Comme d'ailleurs toute matière en mouvement représente un certain travail, ou, en d'autres termes, équivaut à l'élévation verticale d'un poids à une hauteur déterminée, on a été naturellement conduit à chercher l'équivalent mécanique des diverses vibrations de l'éther. Or, l'une des plus belles conquêtes de notre époque est d'avoir résolu ce problème pour la chaleur ; car on sait maintenant que le travail correspondant à une élévation de température d'un degré produite dans un kilogramme d'eau est de 425 kilogrammètres environ, ou qu'il suffirait pour soulever à la hauteur d'un mètre un poids de 425 kilogrammes.

Mais, s'il est vrai que toute chaleur puisse être convertie en travail, il est à présumer que le soleil offre sous ce rapport dans les contrées méridionales de grandes ressources à lagriculture et à Tindustrie. Cette conjecture semble, au reste, d autant plus rationnelle que déjà la chaleur solaire est pour ainsi dire la source des seuls travaux naturels que riiomme ait su jusqu a présent détourner à son profit. On ne peut guère, en effet, compter parmi ces travaux que ceux qui résultent de lemploi du combustible, des moteurs animés, des cours d*eau et du vent. Or, comme on vient de le voir et comme le fait si bien observer sir John Herschel dans son Traité d astronomie, « ce sont les rayons du soleil qui donnent naissance aux vents ; ce sont encore eux qui forcent les eaux de la mer à circuler en vapeur, à arroser les continents et à produire les sources et les rivières ; c'est enfin par leur action vivifiante que sont élaborés au sein de la matière inorganique les végétaux qui alimentent les animaux et l'homme, et constituent les strates charbonneux où celui-ci a su trouver un immense dépôt de force vive. » On le voit donc, sous quelque forme qu'elle emprunte le concours des agents naturels, l'industrie humaine ne relève que du soleil. Ajoutons qu'elle est encore loin de recueiUir la majeure partie du travail engendré sur la terre par cet immense foyer. Mais, si, comme l'expérience l'a depuis longtemps établi, la chaleur reçue en très-peu de temps par une surface de médiocre étendue soumise à l'insolation est considérable; si, de plus, il est facile de préserver cette surface du refroidissement et de lui conserver sur le milieu qui l'environne un excès de température de plusieurs centaines de degrés, il est clair qu'on peut se proposer d'emmagasiner directement

le travail de la chaleur solaire et d'accroître ainsi d une manière notable la portion de ce travail qu'utilise déjà riiomme. On comprend d'ailleurs toute l'importance d'une pareille conquête pour les régions où le soleil est ardent et l'atmosphère longtemps pure ; car, c'est le plus souvent dans ces régions que l'énergie des moteurs animés, les cours d'eau et le combustible font défaut : comme si la nature les avait dotées d'une provision suffisante de travail en les inondant de chaleur. A peine est-il besoin d'ajouter que, si les rayons solaii:es peuvent constituer, pour certains clioiats, une ressource précieuse au point de vue des applications mécaniques, il en sera certainement de même pour les besoins ordinaires de la vie.

Notre but, ainsi que nous l'avons déjà dit, étant de prouver qu'il est possible de construire à peu de frais une sorte de réservoir où s'accumule la chaleur solaire comme l'eau d'un courant dans un barrage, nous allons d'abord donner une idée des principes sur lesquels repose la théorie de l'appareil ; après quoi, nous réunirons dans quelques chapitres les détails historiques et surtout les données expérimentales relatives à cette même question.

Tout corps bon conducteur offrant une grande surface de chauffe, ou plutôt d'insolation, sous une épaisseur assez faible, peut rapidement atteindre au soleil une température supérieure à celle de l'eau bouillante. Cette assertion parait d'abord s'accorder assez mal avec ce qui se passe habituellement sous nos yeux : car, si l'on prend, par exemple, une. feuille mince et large d'un corps bon conducteur, tel que le cuivre ; qu'on la recouvre d'une coudie de noir de fumée afin d'en augmenter le pouvoir absorbant, et qu'on la présente aux rayons solaires de manière à ce

qu elle les reçoive d a-plomb, on trouve que, si la température de ce corps s'élève assez vite en commençant, elle finit par rester stationnaire à un degré notablement inférieur au point d ebullition de Teau. Mais, celte dernière circonstance est due à ce que la feuille de cuivre ne conserve pas toute la chaleur qu elle absorbe, et qu elle en perd la plus grande partie par suite de son rayonnement vers les espaces célestes et de son contact avec lair ou certains corps qui lui servent d'appui. Ce qui le prouve, c'est qu'il suffit de supprimer une à une les causes de refroidissement que nous venons de signaler pour voir la température du métal s'élever progressivement et dépasser cent degrés. A cet effet on commence par isoler la feuille métallique en l'appuyant sur un corps mauvais conducteur, tel que le sable, le plâtre en poudre, etc. , ou mieux en la plaçant au fond d'une caisse ouverte à sa partie supérieure et construite en bois blanc. Cela fait, comme l'air en contact avec la feuille de cuivre devient plus léger à mesure qu'il s'échauffe, et monte sans cesse pour faire place à Tair froid, on doit encore, en vue de combattre cette cause de déperdition de chaleur, entraver autant que possible le mouvement ascensionnel du gaz, sans trop affaiblir l'intensité des rayons incidents. On y rédssit à merveille en recouvrant la caisse d'une lame de verre mince et bien transparente. Car cette lame, tout en s'opposant au renouvellement delà couche d'air voisine du métal se laisse instantanément traverser par la chaleur solaire. Mais là ne se borne pas, comme on sait, l'heureuse influence du verre en cette circonstance, et ce corps si facilement perméable aux rayons du soleil refuse au contraire de livrer immédiatement passage à la chaleur émise par le métal noirci et

ne la transmet que lentement à l'air extérieur par voie de conductibilité. En d autres termes, la caisse munie de sa paroi vitrée devient une sorte de barrage où les rayons calorifiques pénètrent sans difficulté tant qu'ils proviennent d'une source de chaleur aussi intense que le soleil, mais ne trouvent en quelque sorte plus dUssue, à cause de la faible conductibilité du verre, dès qu'ils se sont transformés en rayons obscurs. Il est bon d'ajouter que, d'après ce qu'on a dit plus haut, l'air à son tour peut servir à protéger la paroi vitrée contre le refroidissement, et que si l'on couvre la caisse d'un châssis formé de deux lames de verre interceptant entre elles une couche d'air épaisse d'environ deux centimètres, on accroît l'intensité de la chaleur qui s'y trouve concentrée. Ces précautions suffisent déjà pour qu'un thermomètre placé dans la caissse atteigne et dépasse à la longue cent degrés. Mais, les effets sont beaucoup plus rapides et plus intenses dès qu'on fait converger de nouveaux rayons sur la feuille de cuivre à l'aide d'un réflecteur ou miroir métallique : car il est facile d'obtenir par ce moyen des températures de 200** et au delà. Inutile de faire observer que nous parlons ici, non pas de ces phénomènes curieux qui résultent de la concentration des rayons solaires sur un seul point, mais d'effets calorifiques dus à la répartition à peu près uniforme de ces rayons dans un corps d'une certaine étendue, ce qui est d'une toute autre importance pour l'industrie.

Comment les propriétés remarquables que nous venons de mentionner ont-elles été découvertes ? Quelle est la somme de chaleur et par conséquent de travail qui, dans chaque lieu, tombe par minute et par mètre carré sur une surface normalement exposée aux rayons du soleil ? Par

quel moyen est-il possible d'accroître sur cette même surface Tintensité de la radiation solaire? Quels sont enfin depuis lantiquité jusqu a nos jours les essais tentés en vue d'utiliser cette source féconde de chaleur? Telles sont les questions auxquelles nous allons essayer de répondre. Nous exposerons d'abord le résumé des recherches entreprises au sujet de la transparence des vitres pour la chaleur par Mariotte, Dufay, de Saussure, Ducarla, les deux Herschel et Melloni. Puis, nous ferons connaître les résultats trouvés par sir John Herschel et Pouillet en mesurant l'intensité de la radiation solaire à la surface du sol. Nous rappellerons ensuite les propriétés des réflecteurs et les effets les plus remarquables obtenus au moyen de ces appareils. Enfin, nous parlerons de nos propres expériences et nous terminerons cet ouvrage par l'histoire des applications mécaniques de la chaleur solaire.