PREMIÈRE PARTIE

Idées des physiciens et des chimistes snr la vapeur, il y a cent ans. — Définition de la vapeur, dans V Encyclopédie, — Hypothèse de Bossut.

Avant de décrire les machines à vapeur, avant d'essayer de dérouler devant les yeux du lecteur les conséquences de cette merveilleuse et puissante application des lois de la physique, je voudrais lui donner une idée précise de ce qu'est la vapeur elle-même, de la manière dont elle se produit, des circonstances qu'on observe dans sa formation, des lois enfin qui président aux variations de sa force élastique. Sans cette élude préalable, nous ne pourrions nous faire qu'une idée confuse des machines, du jeu de leurs organes ; nous ne sau-

rions comprendre les progrès apportés depuis Torigine à leurs dispositions, ni enfin, à plus forte raison, concevoir les progrès que dans l'avenir elles peuvent recevoir encore du génie des inventeurs.

Je sais que cette façon de procéder, conforme à la logique et au bon sens, n'est pas du goût de tout le monde, que certains lecteurs la trouveront dogmatique et ennuyeuse, et qu'il pourrait sembler plus amusant d'aborder tout de suite les effets sans s'attarder à en connaître les causes. Les esprits curieux et sérieux, j'en suis convaincu, ne seront pas de cet avis-là.

Il n'y a pas si longtemps qu'on le pourrait croire qu'on sait avec netteté ce qu'est la vapeur. On a utilisé ses propriétés mécaniques avant de la connaître. La raison en est bien simple : les découvertes toutes modernes des physiciens et des chimistes sur les gaz n'avaient pas encore appris qu'il y a des différences essentielles entre les substances qui affectent l'état gazeux ou aériforme. Aussi croyait-on que la vapeur était, soit de l'eau que l'action du feu change en air, soit de l'air ou tout autre fluide subtil qui était primitivement renfermé dans l'eau. L'Encyclopédie ded'Alembert et Diderot définit ainsi le mot vapeur : « C'est l'assemblage d'une infinité de petites bulles d'eau ou d'autres matières liquides, remplies d'air raréfié par la chaleur et élevées par leur légèreté jusqu'à, une certaine hauteur dans l'atmosphère ; après quoi elles retombent, soit en pluie, soit en rosée, soit en neige, etc. » C'était, comme on voit, confondre la vapeur proprement dite, toujours invisible, avec les nuées visibles, comme le prouvent d'ail-

qu'est-ce que la vapeur? 29

leurs les lignes suivantes : « Les masses de cet assemblage, qui flottent dans l'air, sont ce qu'on appelle nuages. »

Voici comment s'exprime sur le même sujet Bossut, qui écrivait en 1775, c'est-à-dire quatrevingts ans après Tinvention de la machine à vapeur : a Le feu fait sortir de l'eau, en forme de vapeur, un fluide très-léger, très-subtil, très-élastique, capable de faire équilibre à des poids considérables.... Cette vapeur n'est pas de Tair qui se dégage de l'eau, comme quelques personnes pourraient le penser. » Il cite alors, pour appuyer cette manièredevoir, une expériencedeDésaguliers qu'il est supierflu de reproduire, et il ajoute en manière de conclusion : « Il paroît que la vapeur est un fluide particulier, mêlé dans l'eau, ou, si l'on veut, la partie la plus subtile de l'eau, que le feu met en action, et qui perd subitement sa vertu expansive , jusqu'à n'occuper qu'un volume presque infiniment petit, quand on la refroidit d'une manière quelconque.»

L'idée que la vapeur n'est autre que l'eau ellemême, transformée en gaz par l'action de la chaleur, n'était pas claire encore à cette époque; on le voit par les passages que je viens de transcrire. Mais aujourd'hui aucun doute n'existe plus sur les circonstances de cette transformation, que nous allons étudier rapidement d'après toutes les données de la science.

L'eau se réduit spontanément en vapeur à toute température. — Évaporation à la surface. — ÉbuUition de Teau ou vaporisation interne ; Teau chante. — Constance de la température pendant Tébullition.

L*eau, comme tous les liquides, se réduit spontanément en vapeur à toute température. En exposant à Tair libre, dans un vase ouvert, imperméable, une certaine quantité d'eau, on voit peu à peu celle-ci diminuer et finalement disparaître, et cette disparition qu'on ne peut attribuer à l'absorption du vase ne s'explique que par le passage graduel du liquide à l'état aériforme ou gazeux.

Aux températures ordinaires, la transformation de l'eau en vapeur n'a lieu qu'à la surface ; aucune bulle gazeuse ne se dégage de la masse interne; on reconnaît seulement que le phénomène est d'autant plus rapide, que la surface liquide est relativement plus étendue, et que la température est elle-même plus élevée. Mais il faut ajouter que cette rapidité dépend encore, et de l'état hygrométrique de l'air

ambiant, et dé la pression atmosphérique pendant la durée de Texpérience.

Pour le moment, ne faisons varier que la température.

Mettons sur le feu le vase contenant Teau et échauffons -la ainsi progressivement. Si le foyer est suffisamment actif, on verra bientôt la vapeur se former, non -seulement à la surface du vase, d'où elle s'échappe sous forme de nuages qui s'élèvent et se dissipent dans l'air, mais encore au sein du liquide même.

Sur le fond et sur les parois inférieures du vase, celles qui sont en contact direct avec

les charbons ardents, ^g, ,o.- Première phase de rébullUion.

des bulles gazeuses L'eau ckme.

apparaissent, se détachent, puis s'élèvent en forme de cônes jusqu'aux couches supérieures de l'eau. Ces premières bulles de vapeur diminuent de volume en s'élevant, et disparaissent avant d'avoir atteint le niveau supérieur du liquide. On entend alors un bruissement particulier causé précisément par la condensation de toutes ces bulles, ou mieux par le mouvement brusque de l'eau qui se précipite dans chacun des

petits vides occasionnés par la condensation. C'est ce qu'on exprime communément en disant que Peau chante.

En ce moment Teau ne bout pas encore; en d'autres termes, la surface liquide extérieure reste calme, unie et horizontale. L'agitation provenant de la formation active de la vapeur est restreinte aux couches intérieures ; elle n'atteint pas encore les couches les plus élevées. C'est que l'élévation de température n'est pas uniforme ; mais les courants provoqués dans la masse par l'ascension de l'eau la plus chaude et dès lors la plus légère, la chaleur abandonnée par les bulles qui se condensent sans interruption, vont bientôt rendre le phénomène général. Les bulles de vapeur qui, tout à l'heure, disparaissaient avant d'atteindre la surface, montent jusqu'à celle-ci et, en crevant, rompent l'équilibre : le bouillonnement se manifeste dans la masse entière. Le phénomène de l'ébullition est maintenant complet.

La transformation de l'eau en vapeur par l'ébullition, et celle qu'on observe sans qu'il y ait ébullition, à une température quelconque, sont deux phénomènes différents, qu'il ne faut point confondre, et qu'on distingue en réservant le nom de vaporisation au premier et au second celui d'évaporation. La différence essentielle est celle-ci. L'évaporation, nous l'avons déjà dit, se fait par la surface libre du liquide; et elle a lieu, plus ou moins rapide, il est vrai, à toute température, et quelle que soit la pression extérieure de l'atmosphère. La vaporisation se fait à une température qui reste constante, dès que l'ébullition a com-

mencé, bien que cette température dépende ellemême de la pression atmosphérique.

Voilà une condition caractéristique de Tébullition . Supposons, par exemple, que dans Texpérience très-simple que nous venons de décrire, nous ayons, dès l'origine, plongé un thermomètre dans Teau. A mesure que celle-ci s'est échauffée, nous aurions pu voir monter progressivement le niveau du mercure dans le tube, jusqu'à ce que, l'ébullition ayant commencé, ce même niveau, parvenu au maximum d'élévation, fût devenu stationnaire. Il eût marqué 100% dans l'hypothèse où le baromètre, à ce même instant, eût indiqué lui-même la pression atmosphérique de 760 millimètres.

Alors, quelle que soit l'intensité du feu, tant que l'eau du vase bout, tant que la vaporisation dure, vous verrez cette température de 100® persister. En activant le foyer, vous rendrez l'ébuUitîon plus rapide, c'est-à-dire la transformation de l'eau en vapeur plus prompte; mais vous ne parviendrez pas à échauffer l'eau davantage, non plus que la vapeur qui s'en échappe. La chaleur fournie est tout entière occupée à cette opération du passage de l'eau de l'état liquide à l'état gazeux.

Influence de la pression extteienre sur l'ébulUtion.

Ébullition dans le ride. — Faire bouillir de l'eau en la refroidissant. — Température de rébullition sur les montagnes ; impossibilité de faire du thé sur les Alpes. — Ébullition au-dessus de 100»; le digesteur de Papin.

Cette même condition caractéristique de la constance de température de rébullition —disons, par parenthèse, qu'elle se présente aussi dans rébullition des liquides autres que Teau — a lieu, quelle que soit la pression extérieure. Seulement plus celle-ci diminue, moins est élevée la température de rébullition. C'est ce qu'on peut vérifier expérimentalement de diverses manières.

Par exemple, on place sous le récipient de la machine pneumatique un vase qui renferme de Teau à une température inférieure à celle de rébullition à Tair libre. Puis, on fait fonctionner la machine, c'est-à-dire on extrait peu à peu Tair contenu dans le récipient, ce qui revient à diminuer la pression que cet air exerce à la surface de Teau. Quand la raréfaction est suffisante, on voit Teau bouillir; seulement les bulles de vapeur, au lieu de partir du fond du vase, comme il arrivait dans notre première expérience, prennent naissance dans les couches supérieures, parce que c'est dans ces couches que la pression est plus faible. Du reste, l'ébullilion s'arrête bientôt; cela tient à ce que la vapeur formée, en s'accumulant, presse elle-même la surface de l'eau. En continuant alors de faire le vide, on voit recommencer rébullition. En faisant un vide aussi complet que possible, on pourrait faire bouil-

lir de l'eau , sans que sa température dépassât beaucoup 0*, température de la glace fondante.

Voici une autre expérience, qui sert à montrer que Teau peut bouillir ou se vaporiser par ébuUition, à une température moindre que 100® ; mais c'est toujours par le fait de la diminution de pression à la surface du liquide. L'eau, contenue dans

Fig. 11. — Ébullition de l'eau dans le.vide.

un ballon à long col, est d'abord soumise à l'air libre, et sur un foyer ardent, à une ébullition assez prolongée pour que l'air du ballon soit chassé par la vapeur qui s'échappe. On bouche alors le flacon, qu'on retire du feu, et pour éviter la rentrée de l'air, on le renverse le col plongé dans l'eau. Si alors on Fafiroi4it le ballon, en l^aapergeaBt d'eau^

froide, ou en le couvrant de morceaux de glace, la vapeur intérieure se condense ; le vide qui se forme détermine une diminution de pression, et l'ébullition recommence. 11 semble ainsi qu'on fasse bouillir de Veau en la refroidissant.

Cette expérience nous instruit aussi d'un fait d'une haute importance ; c'est qu'un abaissement

Fig, 12. — Ébullition de Teau par le refroidissement.

de température ramène la vapeur, en partie du moins, à l'état liquide, en d'autres termes la.condense. Nous reviendrons plus amplement tout à l'heure sur ce phénomène, inverse de celui de l'évaporation ou de la vaporisation.

Enfin, il y a un autre moyen de faire bouillir l'eau à une température moins élevée que 100* : c'est de s'élever en des points du sol où la pression atmo-

sphérique soit inférieure à 760 millimètres. Et, en effet, Texpérience prouve que sur les montagnes, Feau bout à moins de lOO*. De Saussure a trouvé 86* pour la température de TébuUition de Feau au sommet du mont Blanc : la hauteur du baromètre n'était alors que de 434 millimètres. Bravais et Martins ont fait des expériences semblables aux grands Mulets, sur les flancs du même mont : Teau bouillait à 90* sous une pression de 529 millimètres. Ils ont trouvé pour la température de Tébullition au sommet du mont Blanc, 84*,4 pour une pression barométrique de 424 millimètres. Au sommet du mont Rose, Tyndall a trouvé que Teau bouillait à 84®,95. A Mexico, la température de l'ébuUition est de 92^ Ainsi, TébuUition de l'eau n'est pas nécessairement une preuve de la grande élévation de sa température, puisque la température du point d'élévation s'abaisse en même temps que la pression extérieure. Dans les pays dont l'altitude est considérable, l'eau bouillante ne permettrait que difRcilement, imparfaitement certaines opérations culinaires. «A Londres, dit Tyndall, on assure que, pour faire du thé parfait, l'eau bouillante (à 100*) est absolument nécessaire. S'il en est ainsi, on ne pourrait pas se procurer cette boisson dans toute son excellence aux stations les plus élevées des Alpes. »

On conçoit dès lors que, si au lieu de diminuer la pression supportée par la surface du liquide, on augmente cette pression, de manière à lui faire dépasser la valeur de 760 millimètres, l'ébuUition en sera d'autant plus retardée que la pression sera elle-même plus forte. Dans ces conditions, l'eau

bout à des températures qui peuvent être de beaucoup supérieures à 100®. Un moyen très-simple d'accroître celte pression consiste à employer la vapeur elle-même, la force élastique dont elle est douée, force que nous mettrons bientôt en évidence et dont nous étudierons les variations avec soin, puisque c'est sur elle que repose le principe même de la machine à vapeur.

C'est à Papin, à l'immortel inventeur de la machine à vapeur, qu'on doit la découverte de ce fait, qu'il sut utiliser en inventant la marmite connue aujourd'hui sous son nom, et dont il publia la description à Londres, en 1681, sous le titre de New Digester^.

Voici en quoi consiste la marmite de Papin :

Un vase cylindrique, en fer ou en bronze, aux parois épaisses et résistantes, est fermé par un couvercle de môme métal, qu'une vis de pression maintient appuyé contre les bords du vase. Celui-ci étant empli d'eau aux deux tiers, par exemple, et placé sur un foyer incandescent, de la vapeur se forme en quantité croissante ; mais comme elle n'a pas d'issue, elle s'accumule au-dessus du liquide, sur la surface duquel elle exerce une pression de plus en plus grande. L'eau peut ainsi atteindre, sans

1. La traduction française du New Digtster a été publiée à Paris en 1682, sous le titre : La manière d'amollir les os et de faire cuire toutes sortes de viandes en fort peu de temps et à peu de fraiSj avec une Description de la machine dont il faut se servir à cet effet, ses propriétés et ses usages confirmés par pluswurs expériences, nouvellement inventée par M. Papin, docteur en médecine; chez Estienne Michailet, rue Saint-Jacques. Paris, 1682; un petit volume in-12, de 175 pages. {Histoire des Machines à vapeur, par M. Hachette.)

bouillir, une température dépassant de beaucoup 100% capable, par exemple, de faire fondre certains métaux, de Tétain, du bismuth, du plomb*. Les légumes, la viande y cuisent plus rapidement que dans Feau bouillante ordinaire ; les substances

^^^iÇ>

Fig. 13. — Marmite de Papin ou Nouveau Dîgesteur {iQBl).

susceptibles de se dissoudre, comme la gélatine des os, se ramollissent et se dissolvent très-aisément. On a obtenu ainsi de la gélatine, en soumettant à l'action de cette eau surchauffée, des os fossiles, ayant appartenu à des mastodontes et autres ani-

1. L'étain fond à 235«; le bismuth, à 26o»j et le plomb, à 335* centigrades.

maux antédiluviens, qui vivaient, il y a quelques dizaines de milliers d'années.

La pression de la vapeur peut, dans certaines conditions, atteindre une force considérable, qui, s'exerçant à la fois sur la surface liquide et sur les parois du vase, risquerait de le faire éclater et rendrait dès lors Texpérience dangereuse. C'est pourquoi la marmite est munie d'une soupape de sûreté. Un trou est percé dans le couvercle, et sur la pièce mobile qui ferme ce trou s'appuie un levier dont la grande branche supporte un poids qu'on peut placer à une distance variable, suivant la pression limite qu'on ne veut pas dépasser. Si la température de l'eau qui correspond à cette limite est franchie, la vapeur soulève le levier, s'échappe en sifflant au dehors, où elle se condense sous l'apparence d'un nuage ; la pression intérieure diminue par le fait de cette projection de vapeur et le danger d'explosion est conjuré.

La. soupape de sûreté, telle que l'a inventée Papin, est encore employée dans tous les appareils ayant pour objet la génération de la vapeur.

Étude plus intime da phénomène de Tébullition. — La tension de la Tapeur, pendant Tébullition, est égale à la pression atmosphérique. — Influence de la pureté de Teau sur la température de Tébullition ; influence de la nature du Tase : ébullition dans les Tases en Terre, dans les Tases métalliques; expériences de Deluc, de Donny. — Ébullition de Teau purgée d'air.

Revenons maintenant au phénomène de la formation de la vapeur d'eau par ébullition. Étudions ce phénomène d'une façon plus intime.

Pourquoi d'abord avons-nous vu la température d'ébuUition varier avec la pression extérieure? La raison de ce fait est bien simple. C'est que la vapeur d'eau, pour se dégager du fond du vase, doit être douée d'une force élastique ou tension assez grande pour surmonter la pression que supportent les couches inférieures du liquide, pression qui se compose de deux éléments, savoir : d'une part la pression de l'eau, d'autre part la pression atmosphérique. Or, comme nous le verrons plus loin, la force élastique de la vapeur augmente avec la température.

Ainsi, à Torigine, quand se forment au fond du vase les premières bulles de vapeur, la tension de ces bulles est d'abord assez forte pour faire équilibre à cette double pression; nous avons vu qu'elles s'élèvent à cause de leur légèreté spécifique; mais comme les couches d'eau qu'elles traversent n'ont pas toutes encore la même température, que les plus élevées sont momentanément plus froides, les bulles se refroidissent en montant, elles se condensent sous l'influence de ce refroidissement, diminuent de grosseur et finalement s'évanouissent. C'est ce qui explique pourquoi elles repassent entièrement à l'état liquide avant d'avoir pu atteindre le niveau de l'eau dans le vase.

Peu à peu cependant, Teau s'échauffe partout, soit par le mélange provenant des courants liquides

Fig. 14. — Phase de lébullition complète. aSCCUdautS et dCSCeU- Les bulles crèvent à la surface. dautS, SOit par la Cha-

leur que lui cèdent en se condensant les bulles de vapeur, et à la fin la tension de ces dernières est assez forte pour qu'elles puissent conserver leur état en faisant leur ascension complète. On les voit apparaître à la surface de l'eau enveloppées de

minces couches d'eau hémisphériques. En cet état elles n'ont plus à supporter que la pression de l'atmosphère; elles crèvent alors, provoquant de la sorte à la surface un mouvement tumultueux, indice visible de l'ébullition propremenldite.il est donc bien évident que la tension de la vapeur est en ce moment précisément égale à la pression extérieure, à la pression atmosphérique, si le vase est ouvert et que l'ébullition se fasse à l'air libre.

Quand donc la pression atmosphérique diminue — c'est ce qui arrive chaque jour selon les circonstances météorologiques, c'est ce qui arrive encore si Ton s'élève sur une montagne, ou en ballon, — la vapeur, pour faire équilibre à cette pression plus faible, n'a pas besoin d'une température aussi grande. L'ébullition a lieu au-dessous de 100». Il faut échauffer l'eau, au contraire, audessus de ce degré, si la pression extérieure augmente, résultat qu'on produit artificiellement en se servant de la tension même de la vapeur emprisonnée, comme on l'a vu dans l'expérience de la marmite de Papin.

Retenons donc ces deux lois qui président au phénomène de l'ébullition :

Première loi : la tension de la vapeur de l'eau ou d'un liquide quelconque, en ébullition, est toujours égale à la pression extérieure, c'est-à-dire à celle qui s'exerce à la surface du liquide;

Deuxième loi : la température du liquide en ébullition reste constante pendant toute la durée de la vaporisation, si la pression extérieure reste invariable; cette température d'ailleurs augmente

OU diminue, si la pression elle-même augmente ou diminue.

Dans tout ce que nous venons de voir, il n'a pas été question de deux circonstances qui exercent Tune et l'autre sur le phénomène de Tébullition une influence notable : je veux parler de la pureté de Teau et de la nature du vase dans lequel elle est contenue.

L'expérience montre que les substances simplement mélangées, ou en suspension dans Teau, ne modifient point la température d'ébuUition. Il n'en est plus ainsi quand ces substances sont combinées ou en dissolution.

Le liquide dissous, Talcool, par exemple, est-il plus volatil que Teau : en ce cas, le point d'ébullition s'abaisse; il s'élève, au contraire, si c'est un liquide dont la vapeur se forme moins facilement, comme l'acide sulfurique. Mais la vapeur produite n'est plus de la vapeur d'eau : c'est un mélange ou une combinaison des vapeurs de chaque liquide.

Enfin, quand la substance dissoute dans l'eau est un sel, la température du point d'ébullition est toujours plus élevée que celle de l'eau pure, et cette élévation est d'autant plus grande que la proportion du sel en dissolution est plus forte elle-même. C'est ainsi qu'une dissolution de sel marin bout :

à 101*,5, si la proportion est de 10 pour 100,

Aussi qu'arrive-t-il, quand on porte une disso-

lution saline à TébuUition? c'est que Tévaporation la concentre. Quand rébullition est obtenue, la vapeur d'eau, se formant en grande quantité, la proportion relative du sel qui reste dissous augmente, la température monte progressivement, jusqu'à ce que, la dissolution ayant atteint son maximum de concentration ou étant, comme on dit, saturée, la température d'ébuUition à ce moment devienne fixe, comme celle de TébuUition de Teau pure, mais toujours plus élevée qu'elle.

Une dissolution de sel marin est saturée, quand la quantité en poids de sel dissous dans 100 parties d'eau est 41,2; le point fixe d'ébullition est alors 108%4. La dissolution saturée de sel ammoniac renferme 88,0 pour 100 et bout à 114^,2; celle de chlorure de calcium renferme 325 pour 100 et ne bout qu'à 179«,5.

Ces notions ne sont pas étrangères à notre sujet, tant s'en faut. Il est rare, en effet, que les eaux employées dans les machines à vapeur soient pures; le plus souvent elles contiennent en dissolution des matières étrangères, des sels de diverses natures; l'eau de la mer, par exemple, est très-chargée de telles substances dont il importe de connaître l'effet sur la production de la vapeur et qui, en se déposant sur les parois des chaudières, peuvent provoquer des explosions formidables.

Des raisons semblables nous engagent à dire quelques mots de Tinfluence qu'exercent sur l'ébulliûon les matières qui composent les parois du vase où l'eau est renfermée.

L'eau bout plus vite, c'est-à-dire à une température moins élevée, dans un vase en métal que

dans un vase en verre. La qualité du verre, Tétat de sa surface ont aussi une influence marquée sur le phénomène.

Dans un vase en verre dont la surface intérieure a été préalablement bien nettoyée, la formation des bulles gazeuses est plus lente : ces bulles sont grosses, peu nombreuses : on dirait qu'elles ont peine à se détacher du fond du vase. Fait-on bouillir Teau dans un vase métallique, on voit les bulles plus petites, mais beaucoup plus nombreuses, partir de tous les points de la paroi inférieure, et, comme indice caractéristique de cette formation plus aisée de la vapeur, on trouve que le point d'ébullition est moins élevé que dans le verre : la différence peut s'élever de 1 à 2 degrés. Ce dernier point est facile à constater. Prenons un vase en verre renfermant de Feau dont Tébullition a cessé il y a peu d'instants, c'est-à-dire dont . la température a légèrement baissé : projetons-y de la limaille métallique. Voici TébuUition qui recommence; et ce qui montre bien quelle est Tinfluence de la nature de la substance, c'est que du verre en poudre projeté de la môme manière produit moins d'effet que la limaille métallique. Quelle est la raison de ces différences?

Qu'est-ce qui, dans le verre, s'oppose à la formation des bulles de vapeur ?

Il y a là probablement une action moléculaire, l'adhérence des molécules liquides qui, très-considérable pour le verre, est bien moindre pour une surface métallique. Le changement d'état, le passage de l'état liquide 4 l'état gazeux éprouve, pour se produire dang le premier eus, une résistaaee

plus grande que dans le second. Quand une première bulle a réussi à se former au contact du verre, elle augmente de volume pour deux motifs, par accroissement de température d'abord, ensuite par la formation de nouvelle vapeur sur la surface sphérique interne de la bulle. La tension de la vapeur devenant tout à coup plus forte que la pression subie, il en résulte les soubresauts que l'on remarque alors, quelquefois même la projection violente d'une portion de liquide hors du vase.

Dans un vase en verre, en verre vert notamment, dont la surface interne n'a pas été préalablement bien nettoyée, les poussières qui tapissent le fond provoquent la formation de la vapeur, tout comme il arrive quand on y jette des parcelles de limaille.

Ce n'est pas seulement l'adhérence de l'eau pour le verre que doit vaincre une molécule d*eau chauffée à 100* pour se convertir en bulles de vapeur, c'est encore la cohésion, la force qui unit cette molécule à toutes les molécules qui l'entourent. Cette cohésion est d'autant plus grande que l'eau est plus pure et surtout qu'elle est mieux purgée d'air. L'air en dissolution dans l'eau semble jouer le rôle d'un diviseur qui a préparé les molécules liquides à la séparation. Et de fait, l'expérience confirme cette manière de voir.

Le physicien Deluc ayant enfermé dans un matras à long col de l'eau purgée d'air, put la porter à une température de 112« sans qu'elle entrât en ébullition. Plus tard, un grand nombre d'expériencos décisives dues à M. Donny ont mis en évi^

dence cette action de Tair dissous dans l'eau sur TébuUition du liquide. Voici Tune de ces expériences.

Un tube doublement recourbé et terminé à l'une de ses extrémités en forme de boule (flg. 15) renferme de Teau complètement purgée d'air. Cette condition essentielle a été obtenue en faisant

Fig. 15. — Expérience de Donny sur l'ébullitioa de Teau purgée d'air.

bouillir Teau dans le tube encore ouvert; la vapeur qui se dégage chasse peu à peu Tair du tube ainsi que celui qui était dissous dans Teau ; on ferme à la lampe dès qu'on est assuré qu'il n'y a plus dans le tube que de l'eau et sa vapeur. On a ainsi une sorte de marteau d'eau dont or plonge la partie recourbée contenant le liquide refroidi dans un bain d'huile. On chauffe ce dernier à l'aide d'une lampe à alcool, et l'on constate alors par le

thermomètre que la température peut être portée à plus de 130*, sans que Tébullition se produise. A la température de 138% la vapeur se forme tout à coup et si brusquement, que Teau du tube est projetée à l'extrémité située hors du bain. Le choc qui en résulte est amorti par les boules; il peut arriver cependant que l'appareil éclate avec explosion.

Les circonstances dans lesquelles la vapeur se produit brusquement, d'une façon irrégulière et en quantités plus considérables que dans les con^ ditions ordinaires ou normales, méritent un examen spécial, parce qu'elles peuvent se rencontrer dans les chaudières de machines à vapeur et donner lieu à de graves accidents, à des explosions dangereuses.

On vient de voir un exemple de cette brusque production de la vapeur dans l'ébuUition de l'eau purgée d'air. En voici un autre qui n'offre pas un moindre intérêt.

Si l'on fait tomber quelques gouttes d'eau sur un creuset de métal incandescent, le liquide se rassemble et s'arrondit sous la forme d'un globule qui demeure transparent, sans que la température à laquelle on le croirait soumis le mette en ébullition. Tantôt le globule reste immobile, tantôt il tourne rapidement sur lui-même, et alors il a l'apparence d'une étoile ; il s'évapore et diminue ainsi peu à peu de volume, mais avec lenteur, et il ne disparaît tout à fait qu'après un temps assez long.

En cet état, l'eau ne mouille pas le métal, il n'y a pas contact entre la surface inférieure du globule et celle du creuset, et Ton a pu s'assurer

qu'une mince couche de vapeur, celle qui produit révaporation, est interposée entre les deux corps dont elle empêche le contact. Comment une si faible quantité de liquide, si voisine d'une source de chaleur intense, n'est-elle pas plus promptement réduite en vapeur? Comment résiste-t-elle à l'ébullition?

Il y a de ce phénomène singulier deux raisons : la première, c'est que le métal ne peut échauffer par conductibilité Teau qu'il ne touche pas et qui en est séparée par une couche protectrice de vapeur, couche dont la conductibilité est elle-même très-faible ; c'est par rayonnement que réchauffement pourrait avoir lieu. Or, la chaleur ainsi envoyée au globule par le métal incandescent est en partie réfléchie à la surface du liquide, en partie employée à l'évaporation active qui se fait à cette surface; et, comme l'eau est une substance diathermane, laissant passer les rayons de la chaleur sans s'échauffer elle-même, il n'y a, en définitive, qu'une très-petite quantité de chaleur qui soit réellement absorbée et propre à élever la température du globule.

Le globule reste donc à une température inférieure à 100^, et dès lors ne peut bouillir. Mais les choses ne se passent ainsi que quand il y a absence de contact entre le globule et le métal du creuset ; ce qui exige que la température de ce dernier dépasse une certaine limite, que l'expérience a permis de déterminer. Température variable d'ailleurs avec la nature du liquide : elle est de 140» pour l'eau environ.

Si donc on vient, pendant que le globule d'eau

est sur le creuset, à laisser peu à peu refroidir ce dernier, au moment où sa température s'abaisse à 140», le contact s'établit entre le métal et la petite masse d'eau; le globule prend rapidement la température de l'ébullition, il bout avec violence et se réduit presque aussitôt entièrement en vapeur. C'est là un fait que nous devrons nous rappeler, quand il s'agira de chercher les causes de l'explosion des chaudières à vapeur.

Force élastique ou tension de la vapenr. — Sa mesure*

Lois de formation et tension des vapeurs dans le vide. — Tension maximum et saturation. — Variations de la tension maximum avec la température ; énoncé des lois de Dalton. — Échelle des tensions depuis 2* au-dessous de 0«, jusqu'à 230» au-dessus. — Tensions de diverses vapeurs.

Parmi les propriétés des vapeurs et surtout de la vapeur d'eau, il en est une qui nous intéresse plus particulièrement : je veux parler de leur force élastique ou tension. C'est cette force, en effet, qui est le principe du mouvement des machines à vapeur. Il est absolument nécessaire de bien connaître et comprendre les lois de variations de cette force et d'en savoir mesurer l'intensité, si l'on veut se rendre compte du fonctionnement des divers organes de ces machines.

Les effets mécaniques de la vapeur d'eau sont connus, nous l'avons dit, depuis la plus haute antiquité. Une marmite contenant de l'eau en ébuUition a suffi pour faire constater l'existence de la force élastique en question : un couvercle fermant un peu hermétiquement Tustensile de ménage est soulevé par la vapeur, qui cherche une issue* Et

voilà, pour qui sait voir et observer, la tension de

la vapeur d'eau reconnue.

Mais de 1& à en déterminer les lois, il y avait loin. Le premier physicien quia fait celte étude avec précision est le savant anglais Dalton, sous le nom duquel on connaît les lois de la formation et de la tension des vapeurs dans le vide.

Décrivons rapidement et succinctement les expériences qui ont conduit Dalton à formuler ces lois.

L'appareil employé est des plus simples. C'est un tube barométrique qu'on peut à volonté élever ou abaisser dans la cuvette pleine de mercure d'un baromètre, dont le niveau supérieur va servir, comme on va le voir, ^ de repère ou de terme % de comparaison.

Au début de l'expé- ^__ rience, le mercure des

Fig. 16.— Loi de formation et de ten- deUX tubcS s'élèVC à UnC sion des vapeurs dans le vide. ^^^^^ j^^^^^^^ aU-dCSSUS

du niveau de la cuvette, et cette hauteur mesure,

comme on le sait, la pression atmosphérique, la force élastique avec laquelle Pair extérieur presse la surface du mercure de la cuvettp. Dans les deux chambres barométriques, il y a le vide.

Introduisons maintenant, sous Tun des tubes, comme Ta fait Dalton, à Taide d'une pipette recourbée, un petit volume du liquide dont il s'agit d'étudier la vapeur. Ce sera de Teau si vous voulez.

Aussitôt que Feau, par sa légèreté spécifique, a monté dans le tube et pénétré dans le vide barométrique, on voit le niveau du mercure se déprimer et s'abaisser jusqu'à un certain point b. A quoi est due cette dépression instantanée? Évidemment à la vapeur d'eau qui s'est formée dès que le liquide a pénétré dans l'espace vide de la chambre. On peut s'assurer, en effet, ou bien que* le liquide a disparu complètement, où s'il en reste encore au-dessus du mercure, que son volume a diminué.

Que prouve cette première expérience? Que, dans le vide, les liquides se réduisent spontanément en vapeur, et que cette vapeur est douée d'une certaine force élastique ou tension. La différence de niveau des surfaces a, 6, du mercure dans les deux tubes est d'ailleurs la mesure de cette force, qu'on peut comparer ainsi à la pression atmosphérique au moment de l'expérience.

Examinons maintenant à part chacun des cas qui peuvent se présenter.

Supposons que tout le liquide introduit ne se soit pas réduit en vapeur, qu'il en reste un excédant au-dessus du mercure. Abaissons rapide-

ment le tube dans la cuvette : que voyons-nous? Le niveau b reste à la même hauteur au-dessus du mercure de la cuvette, bien que la chambre barométrique ait diminué de volume, c'est-à-dire bien que l'espace occupé par la vapeur soit moins grand qu'au début de l'expérience. Il faut en conclure que la forme élastique de la vapeur n'a pas changé. Seulement, la quantité du liquide qui surnage a augmenté, comme on peut le voir, ce qui provient évidemment du retour d'une partie de la vapeur d'eau à l'état liquide. Si, au lieu d'eau, on employait pour les expériences que nous venons de décrire, un liquide très-volatil comme l'éther ou l'alcool absolu, l'accroissement d'épaisseur de la couche liquide qui surmonte le mercure serait plus aisément appréciable. Remontons maintenant le tube à son premier niveau ; les choses reprendront leur premier état, et si l'on continue à agrandir la chambre barométrique par l'ascension du tube, on reconnaîtra que le niveau b reste invariable tant que le liquide reste en excès, c'està-dire n'est point entièrement vaporisé.

Arrive un moment, toutefois, où l'eau est entièrement réduite en vapeur. Là, encore, le niveau b n'a point changé; mais si l'on continue à soulever le tube, le mercure remonte progressivement ; b se rapproche du point a sans d'ailleurs jamais l'atteindre. Quand la vapeur n'est plus en contact avec le liquide qui l'a formée, sa tension diminue donc : elle devient d'autant plus faible que l'espace vide occupé par cette vapeur est plus grand. Dans cette condition particulière, la vapeur se comporte comme un gaz, et la loi des variations de sa ten-

sion est, en effet, la même que la loi de Mariotte*.

Enfin, si Ton abaisse de nouveau le tube dans le prolongement de la cuvette, on voit à mesure augmenter la pression de la vapeur jusqu'à sa valeur primitive. Le niveau du mercure revient en b ; mais à partir de ce moment, il reste encore invariable, et une partie de la vapeur reprend l'état liquide comme auparavant.

De ces nouvelles expériences Dalton a conclu :

Que la vapeur d'un liquide qui s'est vaporisé dans le vide atteint un degré de force élastique ou de tension maximum qui reste invariable, tant qu'un excès de liquide reste en contact avec l'espace plein de vapeur. On dit alors que l'espace en question est saturé ^.

N'oublions pas, d'ailleurs, que les expériences qu'on vient de décrire sont supposées faites à une température rigoureusement invariable, et que les lois que Dalton en a conclues s'appliquent aux vapeurs des liquides quelconques. Mais, pour une même température, la tension maximum de chaque espèce de vapeur est loin d'être la même, ainsi qu'on peut s'en rendre compte avec l'appareil de la figure 17, qui est connu sous le nom de faisceau barométrique.

1 . Celle loi, qui a été découverte par le physicien du dix-huitième siècle dont elle porte le nom, peut s'énoncer ainsi : « Les volumes occupés par l'air ou par tout autre gaz varient en raison inverse des pressions que ces gaz supportent. » Cette loi n'est plus .rigoureusement exacte, quand les expériences ont lieu à des températures voisines des points de liquéfaction.

2. Par un défaut de langage qu'on devrait éviter, on dit souvent que, dans ces conditions, la vapeur est elle-même saturée.

Ce sont des tubes barométriques dans les chambres desquels on a introduit divers liquides, de Teau, de l'alcool, de Téther, du sulfure de carbone, etc. En déterminant, comme Ta fait Dalton, la

Fig. 17. — Faisceau barométrique. Inégalité des tensions maxima des Tapeurs de diiîérents liquides à la même température.

tension maximum de la vapeur de chacun d'eux, on voit, par la différence des niveaux du mercure dans les tubes, que ces tensions sont essentiellement différentes à une même température.

Il nous reste maintenant à dire comment varie

la tension d'un espace saturé de vapeur, quand on a fait passer la température par toutes ses valeurs entre deux limites extrêmes.

L'expérience montre que la force élastique de la vapeur quand l'espace est saturé, ou sa tension maximum, varie avec la température, décroissant si celle-ci s'abaisse, augmentant, au contraire, si elle s'élève. D'ailleurs, cet accroissement est rapide. Ainsi nous savons qu'à 100^ la vapeur d'eau a une tension maximum de 760 millimètres de mercure, égale à ce qu'on nomme en physique une atmosphère. Or, à 150% elle atteint la valeur de 4 atmosphères 1/2 ; à 200% celle de 15 atmosphères. Pour des températures inférieures à celle de TébuUition, cette loi de progression se présente pareillement. A 0% la force élastique maximum de la vapeur n'est que de 4"",6 de mercure; à 50% elle atteint 91 millimètres, près de 20 fois aussi grande qu'à 0®; à 100% elle a une valeur 165 fois aussi considérable.

L'étude de ces variations, si importante pour la théorie des machines à vapeur, a été l'objet, depuis Dalton, de grands travaux auxquels se rattachent les noms de plusieurs savants; citons ceux de Dulong et d'Arago et, parmi les physiciens contemporains, ceux de M. Magnus et surtout de M. Regnault. La mesure des tensions des vapeurs, de la vapeur d'eau notamment, a été déterminée avec une précision extrême pour un grand nombre de températures, depuis les plus basses jusqu'aux plus élevées qu'on ait pu produire sans redouter des accidents, des explosions dangereuses. Voici un tableau qui donne les tensions maxima de la

vapeur d'eau saturée, depuis 20* au-dessous de la glace jusqu'à 230* au-dessus de 0». C'est vers cette limite que les expériences de M. Regnault ont dû s'arrêter : à 232% la tension de la vapeur égalait environ 30 fois la pression atmosphérique, mais cette force pressait la chaudière où la vapeur était emprisonnée, avec une telle puissance qu'un boulon de l'armature qui consolidait les parois se rompit. Il fallut s'arrêter. On comprendra la nécessité de cette mesure de prudence, si l'on veut bien songer que chaque décimètre carré de la paroi interne de la chaudière supportait alors une pression équivalente à un poids de 3100 kilogrammes.