CHAPITRE PREMIER

Phénomènes généraux. — Appareils employés.

§ 1er. Effets généraux. Miroirs ardents, Lentilles.

Quand on se trouve exposé aux rayons du soleil ou à ceux d’un foyer brillant, l’effet le plus immédiat que l’on peut constater est la sensation de chaleur que l’on éprouve et l’élévation de température des corps soumis à l’influence de ces rayons. L’action calorifique augmente quand on reçoit sur un miroir concave ou sur une lentille convergente une certaine quantité de rayons qui viennent se réunir vers leur foyer, et les rayons solaires peuvent devenir alors une de nos plus puissantes sources de chaleur.

D’après quelques passages d’auteurs grecs et latins, la propriété que possèdent les lentilles de verre et les miroirs concaves de concentrer la chaleur, comme la lumière, dans les points où convergent les rayons solaires était fort anciennement connue. Ainsi il paraît qu’ Aristophane dans une de ses comédies (1) propose de fondre des tablettes en cire au moyen d’une houle de verre exposée au soleil. Pline, dans son histoire naturelle, dit que « des boules de verre remplies d’eau, opposées « aux rayons du soleil, s’échauffent tellement qu’elles brûlent les étof-

(1) Encyclopédie , édition originale in-fol, t. Ier, p, 624. Article, Miroirs ardents.

Dutens, Recherches sur l'origine des découver les..., t. 2, p. 138; Paris, 1706.

fes (1) ». Et plus loin, « Je lis chez des médecins que le meilleur cau- « tère est une boule de cristal recevant les rayons du soleil (2) ».

Les propriétés des miroirs courbesétaient également connues vers cette époque, car Plutarque, en parlant de Numa (3), dit que dans le temple de Delphes et à Athènes quand le feu sacré vient à s’éteindre, les prêtresses en allument un tout nouveau « en tirant du soleil une flamme « pure et nette par le moyen de certains vases d’airain concaves et « taillés selon la section conique en triangles rectangles, de manière « que toutes les lignes de la circonférence aboutissent à un point du « centre. On les expose au soleil ; tous les rayons se rassemblent et se « réunissent dans ce seul point , et prenant corps et force de feju par la « reverbération, ils subtilisent et enflamment si fort l’air, qu’il embrase « très-promptement la matière sèche et aride qu’on lui présente ». Cette description se rapporte évidemment à un miroir de forme concave construit au moyen de miroirs plans d’airain.

Si l’on en croit les récits de quelques historiens, ce fut par l’emploi de miroirs de ce genre qu’Archimède incendia à distance la flotte romaine lors du siège de Syracuse par Marcellus, l’an 212 avant J.-C. Ce fait a été révoqué en doute, non-seulement en raison des dimensions que l’on devait supposer à ces miroirs, mais encore parce que plusieurs des auteurs anciens qui ont parlé d’Archimède n’en ont pas fait mention. Aussi Dacier, traducteur de Plutarque, a-t-il émis l’opinion suivante f-4) : « Il faut remarquer en passant que ni Polybc , ni Tite- « Live, ni Plutarque ne disent pas un mot des miroirs ardents avec « lesquels on prétend qu’Archimède brûlait les vaisseaux des Ro- « mains; c’est une tradition moderne qui n’a nul fondement. »

Descartes (3), en examinant l’étendue que doit avoir un miroir concave pour produire la combustion à une distance déterminée, a nié la possibilité du fait ; car, dit-il : « Ces miroirs dont on a dit qu’Archimède « brûlait des navires de fort loin, devaient être extrêmement grands,

« ou plutôt ils sont fabuleux ».

(1) Pline, livre 3G, ch. 07. « Quum addita aqua vitreæ pilæ sole adverso, in tantum excandescant, ut vestes exurant. »

(2) Id., livre 37 ch. 10. « Invenio apud medicos, quæ sunt urenda corporum, non «aliter uliliusid fieri putare, quam cristallina pila adversis opposita solis radiis. »

(3) Les Vies des hommes illustres de Plutarque, tradition de Dacier, t. 1, p. 307-1721.

(4) Id., t. 3, jiage 200, en note.

(6) Dioptrique, discours 8e, édition publiée par Cousin, t. 5, p. 117.

EFFETS CALORIFIQUES

A peu près à la même époque le père Kircher (I) traita la même question, et crut à la possibilité du fait. 11 rappela que deux auteurs grecs du douzième siècle, Tzetzès et Zonare, avaient parlé des propriétés des miroirs ardents dont Archimède et Proclus avaientfait usage. D’après Tzetzès, « lorsque les vaisseaux romains furent à la portée du mi- « roir, Archimède fit faire une espèce de miroir hexagone et d’autres <( plus petits de 24 angles chacun, qu’il plaça dans une distance pro- « portionnée, et qu’on pouvait mouvoir à l’aide de leurs charnières et « de certaines lames de métal; il plaça le miroir hexagone de façon « qu’il était coupé par le milieu par le méridien d’hiver et d’été en sorte « que les rayons du soleil reçus sur ce miroir, venant à se briser, allu- « nièrent un grand feu qui réduisit en cendres les vaisseaux romains « quoiqu’ils fussent éloignés de la portée d’un trait». Zonare rapporte qu’au siège de Constantinople, sous l’empire d’Anastase Ier, l’an 514 de J.-C., Proclus brûla avec des miroirs d’airain la flotte de Yitalien qui assiégeait Constantinople; il ajoute que les miroirs étaient une découverte ancienne, et que l’historien Dion en attribue l’honneur à Archimède, qui s’en servit contre les Romains au siège de Syracuse.

Le père Kircher dit ensuite qu’à la place de miroirs courbes on peut se servir de miroirs plans juxtaposés et inclinés l’un sur l’autre, et donne une description (2) de la manière dont on peut les ajuster pour produire une forte chaleur par la réunion des images du soleil.

Jusque là on s’était borné à discuter la possibilité du fait sans essayer de le reproduire par expérience. Buffon, au milieu du siècle dernier (3), entreprit des recherches pour éclaircir ce point historique, pensant que si Archimède avait produit l’inflammation à distance, c’était au moyen de miroirs plans en métal poli et non de miroirs courbes. Il commença par montrer que, contrairement à l’assertion de Descartes, de grands miroirs produisent toujours plus d’effet que les petits, car si théoriquement une môme étendue de foyer reçoit la même quantité de rayons dans l’un et l’autre cas, cependant, quand une surface plus grande est échauffée au même degré qu’une plus petite, la déperdition de la chaleur par conductibilité est moindre dans le premier casque dans le second. 11 fit construire ensuite un miroir formé de 168 glaces planes étamées, chacune d’elles ayant 6 pouces sur 8 pouces et étant inclinée l’une sur

(1) Ars magna lucis et umbræ, Romæ, 1G45, livre 10, partie 3e, cliap. Ier, p. 874.

(2) Ibid., page 887.

(3) Mémoires de V Académie des sciences, t. G5, page 82, 1747, ett. GG, p. 305.

LUMIÈRE. — T. IF. 2

l’autre de façon à ce qu’elles puissent agir comme des éléments d’un miroir courbe, et, suivant l’inclinaison des miroirs, réfléchir les rayons solaires sur une même surface à des distances diverses.

Au moyen de celte construction il put faire tomber sur le même point les 168 images du soleil formées par les miroirs plans et brûler des matières combustibles à des distances de 20, 30 et 150 pieds (ou 50 mètres). Dans la première expérience, qu’il fit le 23 mars 1717, il mit le feu à GG pieds de distance à une planche de hêtre goudronnée, avec 40 glaces, c’est-à-dire avec \ du miroir. Dans une des suivantes, le 16 avril, il mit le feu à une planche de sapin goudronnée à 150 pieds (50 mètres) avec 128 glaces; l’inflammation fut très-subite et se fit dans toute l’étendue du foyer, qui avait environ 16 pouces de diamètre à cette distance. Plus tard, en 1749 et 1750, il fit construire un autre miroir de 360 glaces, dont chacune avait 4 pouces de largeur et de hauteur (c’est-à-dire de 10 à 11 centimètres).

Buffon, après avoir rapporté plusieurs expériences de fusion faites

avec les miroirs, notamment la fusion de lames d’étain, d’argent et

l’incandescence d’une plaque de tôle, dit que sans avoir l’espérance de brûler à de grandes distances, cependant on aurait pu aisément en augmentant le nombre des miroirs brûler des matières inflammables à des distances de 300 et de 600 pieds, c’est-à-dire à 100 ou 200 mètres.

Ainsi, ces expériences montrent la possibilité du fait attribué à Archimède dans le cas seulement où la combustion aurait eu lieu à une distance n’excédant pas 100 à 200 mètres; plus loin, cela n’aurait pas été possible. On ne sait pas si à cette époque les miroirs de verre étaient en usage, bien que, deux siècles et demi après, Pline ait dit(l) : « Jadis Sidon était célèbre par ses verreries; on y avait même inventé des miroirs de verre; » mais Archimède aurait pu faire usage de miroirs métalliques plans.

Parmi les miroirs ardents un peu puissants que l’on ait construits, et qui cependant ne donnaient pas l’inflammation des matières combustibles à une aussi grande distance que celui de Buffon, on peut citer ceux de Septala, chanoine de Milan , de Villette et de Tschirnhausen ; celui de Septala brûlait à une distance de 15 ou 16 pas (15 ou 16 mètres ). Zahn rapporte également qu’en 1699, à Mienne, un nommé Neufnann

(1) Pline, livre 36-6C. « Sidone quondam in ofûciis nobili : si quidern etiam spécula excogitaverat.»

EFFETS CALORIFIQUES

construisit un miroir en carton qui liquéfiait aisément les métaux à son foyer sous l’action des rayons solaires (1).

Actuellement les expériences d’incandescence et de fusion au moyen des rayons solaires convergents et réunis à une petite distance des appareils se font avec des miroirs sphériques en métal ou en verre argenté, ou plus facilement en se servant de lentilles de convergence. Les rayons solaires réfractés par une lentille doivent donner au foyer une image du disque solaire, dont l’étendue angulaire est d’environ % degré, angle sous lequel nous voyons cet astre; la dimension de la surface de cette image dépend donc du diamètre de la lentille. D’un autre côté, l’aberration de sphéricité donne plus d’étendue à cette image , et en augmentant l’ouverture de la lentille on augmente aussi l’étendue de la surface focale, et on ne produit pas en chaque point une plus grande élévation de température ; cependant, comme on l’a fait observer plus haut, le refroidissement étant moindre quand on se sert d’un grand* miroir ou d’une grande lentille, il y a avantage à faire usage d’appareils d’une certaine dimension, qui peuvent permettre de porter à la fusion ou à l’incandescence de plus grandes quantités de matière.

Buffon (2) s’est également occupé de la construction des lentilles de verre destinées à produire des combustions ; comme il avait observé la diminution d’intensité des rayons due à l’épaisseur des lentilles quand elles sont un peu grandes , il eut l’idée de la construction de lentilles à échelons, dont les parties annulaires ont le même foyer que la partie centrale, qui se trouve ainsi avoir une épaisseur restreinte. On sait tout le parti que Fresnel (3) a tiré de la construction de ces lentilles pour l’installation des appareils de phares et de la belle industrie dont ce physicien a doté la France. Au lieu de construire ces lentilles par fusion comme le proposait Buffon, il les a formées par parties séparées.

La fig. 40 représente une lentille à échelons disposée suivant le système de Fresnel et appartenant au Conservatoire des arts et métiers; son diamètre est de 70 centimètres et sa distance focale est de 1 mètre.

(1) Encyclopédie, article déjà cité. Voir aussi, pour l’antiquité des miroirs, Amusements philosophiques, etc., par le père Abat-, Paris, 1763, page 433. Dutens, Recherches sur l’origine des découvertes , 1766-, Monlucla, Histoire des mathém., t. 3,p. 525 et suiv. 1802.

(2) Mémoires de l’Académie des sciences, t. 66, p. 305.

(3) Fresnel, Mémoire sur un nouveau système d’éclairage des phares, lu à l’Académie des sciences, le 29 juillet 1822. Voir Mém. sur V éclairage et le balisage des cotes de France , par M. L. Reynaud, Paris, 1864, page 361.

Les parties annulaires ont sensiblement le même foyer que la lentille centrale; ce foyer consiste en un espace d’une certaine étendue se trouvant au milieu de la partie cylindrique AB, qui est supportée par les tiges latérales.

Pour opérer avec cet appareil, on le tourne et on l’incline au moyen du quart de cercle C, de façon à ce que les rayons solaires tombent perpendiculairement sur sa surface M, puis l’on approche les corps sur lesquels on veut agir de la partie centrale a de l’espacecylindrique AB, oiisetrouvelefover

des diverses parties de la lentille. On reconnaît alors que les métaux les plus réfractaires, comme le platine, l’iridium sont rapidement fondus, et que le charbon est porté à une incandescence qui n’est comparable qu’à celle que peut produire l’arc voltaïque.

On doit observer que l’action de cette source calorifique est nécessairement limitée par la température de la source rayonnante, c’est-à-dire du soleil, température qui ne saurait être dépassée, à moins d’admettre l’influence de l’intensité des rayons dans l’effet calorifique produit, comme on le dira dans le 3e paragraphe du second chapitre de ce livre; on a pu voir dans le premier volume, p. 122, que la limite extrême de 2000 à 2100 degrés ne saurait être dépassée, en supposant que la température de la photosphère solaire ne s’écarte pas beaucoup de celle que l’on obtient entre les charbons polaires d’une pile voltaïque.

Les sources brillantes ne sont pas les seules qui produisent de la chaleur par voie de rayonnement; les sources obscures donnent lieu à

EFFETS CALORIFIQUES

des effets du même genre. Ainsi, les masses de fer échauffées au-dessous de 500°, les métaux comhie le plomb, l’étain, qui sont à leur point de fusion, rayonnent à distance et agissent sur les thermoscopes et les thermomètres, mais n’intluencent pas la rétine. Un corps, quelque soit son état calorifique, à la température ambiante comme à de très-basses températures, rayonne de la chaleur ainsi que Prévost de Genève l’a énoncé le premier, et le rayonnement entre les corps placés dans une même enceinte conduit à l’équilibre de leur température ; c’est une conséquence nécessaire de l’hypothèse dynamique de la chaleur.

On A déjà vu dans le Ier volume, livre III, page Cl etsuiv., en parlant des sources de lumière par l’action de la chaleur, que si l’on considère un centre de rayonnement dont la température s’élève, on observe plusieurs effets bien distincts :

1° A partir d’une limite déterminée de température, l’émission lumineuse devient sensible; cette limite est environ de 480 à 500° centigr.

2° Aux rayons émis à une température donnée viennent s’ajouter de nouveaux rayons de plus en plus réfrangihles.

3° A mesure que la température croît, l’intensité augmente pour chaque groupe de rayons de diverse réfrangibilité.

lien est encore de même pour les rayons émis à basse température, et qui n’ayant pas d’action sur la rétine ont été nommés rayons obscurs; à chaque température correspond une limite supérieure delà réfrangibilité des rayons émis, et chacun de ces rayons différemment réfrangihles a une intensité correspondant à cette température. Du reste, ces rayons suivent les mêmes lois que celles qui régissent les propriétés des rayons de lumière ; ils se réfléchissent, se réfractent, se transmettent, se polarisent, interfèrent comme eux, conséquence d’une origine commune. Il n’est donc pas utile de décrire les phénomènes qui s’y rapportent, et il n’est pas nécessaire de s’y arrêter du moment que l’on admet l’identité des causes productrices de la chaleur et de la lumière. De même, il n’a pas été question des propriétés analogues delà lumière, puisque ce sujet est traité habituellement dans les ouvrages d’optique et sort du cadre que je me §uis tracé.

§ 2. Appareils thermo-électriques.

On s’est borné pendant longtemps à faire usage des thermomètres à air ou à liquide pour l’étude du rayonnement de la chaleur, et l’on a pu

\oir danslepremier volume, livre IV, page 143, le parti que l’on a pu tirer du thermomètre à air, à réservoir très-petit, pour observer la distribution de la chaleur dans le spectre solaire (I) ; mais depuis que Nobili et Melloni (2) ont construit une pile thermo-électrique d’une grande sensibilité, cet instiumenl est devenu indispensable pour les expériences sui la cbaleui rayonnante (3) ; Melloni a même fait toutes ses recher- ( lies au mojcn de cet instrument. La pile thermo-électrique représentée

fig. 41 se compose ordinairement d’un certain nombre de barreaux de bismuth et d’antimoine, placés parallèlement les uns aux autres et formant un faisceau prismatique M, dont la longueur est de 2 cent, et la section telle que le côté du carré qui la compose est de 12 millim.;

(1) J’ai employé, pour des recherches que le temps ne m’a pas permis de compléter, une disposition telle qu’un petit thermomètre à gaz peut devenir très-sensible; elle consiste à construire le réservoir de façon à ce qu’il contienne un fragment de charbon de bois bien recuit ; on remplit le thermomètre de gaz acide carbonique, dont le charbon absorbe 30 à 35 volumes, puis on introduit dans la tige du thermomètre une petite colonne d’un liquide qui n’absorbe pas le gaz, comme l’acide sulfurique. Les changements calorifiques font éprouver à cet appareil des variations de volume assez grandes, qui ne sont pas proportionnelles aux différences de température, mais qui peuvent être utiles dans des circonstances déterminées.

(2) Bibliothèque univ. (le Genève, I,e série, t. 37, p. 11!) (1830). Ann. de chimie et de physique , 2e série, t. 48. p. 198.

(3) En 1823, Fourier et Œrsted ( Ann. de cliim. et dephys ., 2e série, t. 22, p. 475), avaient eu l’idée de construire des piles thermo-électriques avec des barreaux de bismuth et d’antimoine soudés bout à bout,- ces piles n’eurent aucune application.

En 1820, M. Becquerel ( Ann. de chim. et de phys., 2e série, t. 33, p. 371 ) a fait «usage des courants thermo-électriques pour déterminer la température soit des flammes, soit des fourneaux, et plus tard celle des parties intérieures des animaux, ainsi que celle du sol à diverses profondeurs.

Nobili et Melloni, en 1830 (voir la citation précédente), ont fait usage des piles thermoélectriques, ainsi que des principes précédents, pour l’étude de la chaleur rayonnante.

EFFETS CALORIFIQUES

les deux faces terminales sont noircies. Les barreaux de bismuth qui se succèdent alternativement avec ceux d’antimoine sont soudés à leurs extrémités de deux en deux, et séparés dans toute leur longueur par du papier ou une autre substance isolante très-mince. Au premier et au dernier barreau sont soudés des fils de cuivre qui viennent aboutir à l’une des chevilles A et B de même métal, passant à travers un morceau d’ivoire fixé sur l’anneau GG'. L’intervalle compris entre cet anneau et la pile est rempli de matière isolante. Les extrémités libres de ces deux fils sont mises en communication avec les deux bouts du fil d’un multiplicateur indiquant, par les déviations de l’aiguille aimantée, si la température d’une des faces de la pile s’élève ou s’abaisse par rapport à celle de l’autre face. En effet, une des faces est formée de toutes les soudures de rang pair, l’autre de celles de rang impair.

A l’aide de tubes de cuivre CD, C'D' , on garantit les faces de la pile des rayonnements latéraux, et les rayons venant directement sur un des côtés de la pile agissent seuls. C’est en disposant cet appareil sur une règle divisée qui porte les sources lumineuses , les écrans, les réflecteurs, etc., destinés aux expériences que l’on a en vue d’exécuter, que l’on a pu étudier les différentes circonstances du rayonnement de la chaleur.

J’ai montré (1) comment on pouvait substituer au bismuth et à l’antimoine, dans les piles, des alliages dont le pouvoir thermo-électrique est supérieur h celui de ces métaux et avoir une sensibilité plus grande. Au lieu de bismuth il est préférable d’employer un alliage composé de dix parties de bismuth et de une d’antimoine, alliage dont la force électromotrice est supérieure à celle du bismuth et qui présente une régularité remarquable dans la manifestation des effets thermo-électriques.

Au lieu d’antimoine, il y aurait avantage à se servir de tellure; mais cette matière étant très-rare, on peut avoir recours à un alliage d’antimoine et de cadmium à équivalents égaux. Cet alliage est plus cassant que l’antimoine. Mais en prenant celui qui renferme une quantité de bismuth comprise entre ^ et de son poids, on le rend assez résistant. Celui que je conseille est formé de :

Antimoine 80G ) . . . .

„ i • équivalents chimiques égaux.

Cadmium 096) 1 °

Bismuth entre ^ et -,u en poids du mélange précédent.

(1) Ann. de chimie et de physique, 4e série, t. 8, p. 385 (1806). — Am. du Conservatoire impérial des arts et métiers , t. f>, p. 593.

On fond d’abord l’antimoine (I) dans un creuset ; on ajoute ensuite le cadmium et le bismuth, le bain métallique étant couvert d’une légère couche de charbon pulvérisé; puis on coule l’alliage aussitôt que la fusion est opérée.

Les couples formés avec les alliages précédents ont une force électromotrice plusieurs fois aussi considérables que les couples bismuth antimoine; aussi les piles construites de cette manière sont-elles beaucoup plus sensible spour les effets de rayonnement que les piles ordinaires.

Quand on veut étudier le rayonnement calorifique d’un faisceau de rayons d’une petite épaisseur, comme par exemple lorsqu’il s’agit de la comparaison des effets des différentes parties du spectre solaire, on forme alors une pile avec huit ou dix couples disposés sur un seul rang, de manière à présenter une ligne d’une longueur de 12 à 15 millim. sur une largeur égale à l’épaisseur des barreaux; en outre, un écran rectiligne placé en avant de la pile limite la largeur du faisceau actif.