INFLUENCE DE LA PRESSION EXTÉRIEURE SUR L'EBUI-UTIOM
Ébullition dans le vide. — Faire tMmillir de l'eau en la refroidissant. — Température de rébullition sur les montagnes; impossihilité de faire du thé sur les Alpes. — ÉlMiUilion aii-dps«us de KXJ*; le dipesteur de Papin.
Cette môme condition caractéristique de la constance de température de TébuUition, — 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 celleci diminue, moins est élevée la température de rébullition. C'est ce qu'on peut vérifier expérimentalement de diverses manières.
Pai exemple, on place sous le récipient de la juachine pneumatique un vase qui renferme de l'eau à une température inférieure à celle de rébullition à l'air libre. Puis, on fait fonctionner la machine, c'est-à-dire on extrait peu à peu l'air contenu dans
W I.-V lAI'LLIl.
le itîcipient, ce qui revient à diminuer la (iression que cel air exerce à la surface de l'eau. Quand la raréfacUon est suffisante, on voit l'eau bouillir;,
souleineal les bulles de vapeur, au lieu de partir du
fond du vase, coinmo 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'ébullîtion s'arrête bientût ; cela tient à ce que la vapeur formée, en s'accumula ni, presse elle-inOme ia surface di- l'eau. En continuant alors de faire le vide, oa
COMMEM SE KOK.ME LA VAPHIK.
voit recommencer rébullition. En fuisunt un \ide aussi complet (lue possible, on pourrait faire bouillir de Teau, sans que sa température dépassât beaucoup 0°, température de la glace fondante.
Voici une autre expérience, qui sert à montrer
Fig. 12. ÉbuUilion do l'eau par le refroidisseiiiriil.
que Teau peut bouillir ou se vaporiser purébullition," à une température moindre que 100°; mais c'est toujours parole fait de la diminution de pression à la surface du liquide. L'eau, contenue dans un ballon à long col, est d'abord soumise à Tair libre, el sur un foyer ardent, à une ébuUition assez prolongée pour que Tair du ballon soit chassé par la va-
pciir (jui s'éL'Iiiipiiiî.On lioui'hc alors \c llacmi, iju'ini retire du feu, et pour éviter la renti-ée de l'air, on le renverse le col plongé dans l'eau. Si alors on l'efi-oidit le ballon, en l'aspcrgeanl 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 /Vn» en la refroidissant.
Celle expérience nous instruit aussi d'un fait d'une haute iniporlnnce; c'est qu'un abaissement de température ramène la vapeur, en partie du moins, à l'élal liquide, en d'autres termes la condense. Nous reviendrons plus amplement tout à l'heure sur ce phénomène, inverse de cehii de l'évaporalion ou de la vaporisation.
Enfin, il y a un autre moyen défaire bouillir l'ean à une température moins élevée que 100": c^est de s'élever en des points du sol où la pression atmosphérique soit inférieure ù 760 millimètres. Et, en effet, l'expérience prouve que sur les montagnes l'eaubout . à moins de lt)0°. De Saussure a trouvé 86° pour la température de l'ébullition do l'eau au sommet du mont Blanc : la hauteur du baromètre n'était alors que de 43i millimètres. Bravais et Martins ont fait des expériences semblables aux grands Mulets, sur les flancs du même mont : l'eau bouillait à 90° sous nnc pression de ^2'^l millimètres. Us oui trouvé pour
COMMENT SK FORME LA VAPEl 11. i'j
la température de rébuUitioii au sommet du uioiil Blanc, 84°,4 pour une pression barométrique de 424"^. Au sommet du mont Rose, Tyndall a trouvé que Teau bouillait à 84%95. A Mexico, la température de Tébullition est de 92°. Ainsi, Tébullition deTeau n'est pas nécessairement une preuve de la <,Tande élévation de sa lempérature, puisque la température du point d'ébullition s'abaisse en môme temps que la pression extérieure. Dans les pays dont l'altitude est considérable, l'eau bouillante ne permettrait que difficilement, imparfaitement certaines opérations culinaires. « A Londres, dit Tyndall, on assure que, pour faire du tbé parfait, l'eau bouillante (à 100'') est absolument nécessaire. S'il en est ainsi, on ne pourrait pas se procurer celte boisson dans toute son excellence aux slations 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'ébullition 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 ^00^ Un moyen .très-simple d'accroître cette pression consiste à employer la vapeur elle-même, la force élastique dont elle est douée, force que nous mettrons bientôt en évidence
el doiil nous étuilioroiis Itjs varialioiis avec soin, puisque c'est sur elle que reposi; li! principe môme de la macliine à vapeur.
C'est à Papin, ii i'imniorlel invcnlcur de la machine ù vapeur, qu'on doit la di^couverte de ce fait, qu'il sut uliliser en inventant la marmile connue aujourd'lini sous son nom, et dont il publia la destriplion à Londres, en 1681, sous le lilre de i\'e»' Digester'. Voici en quoi consiste la marmile de Papin :
Un vase cylindrique, en fêr ou en bronze, aux parois épaisses et rôsistantes, est fermé par un couvercle de mfimc mêlai, qu'une vis de pression maintient appuyé contre les bords du vase. Celui-ci èlaul empli d'eau aux deux tiers, par exemple, et placé sur un foyer incandescent, de la vapeur se forme en quanlilé croissante ; mais comme elle n'a pas d'issue, elle s'accumule au-dessus du liquide, sur la surface duquel elle eserce une pression de plus en plus grande. L'eau peut ainsi atteindre, sans bouillir, une température dépassant de lieancoup
vapeur, par H. Hachette,)
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COSiaENT SE FOItHK I.A V.M'KI H. 45
100", capable, par exemple, de luire fondre titntains mélaux, de i'étain, du bismuth, du plomb '. Les légumes, la viande y cuisent plus rapidement iHic dans l'eau bouillante oi-dinaire; les substances
susceptibles de sedis^oudic comme la ^elatme des os, se 1 amoUis-ient et se dissohent trcs aisément. On a obtenu ainsi de la gelalme en soumettant à l'action de cette eau suichaufiLt des 01 fossiles,
ayant u)>parleau à .les mastodoiiti^s el autres animaux aiiléililuvieiis, qui vivaient, il y a quelques dizaines de milliers d'années.
La pression de la vapeur peiiL, dans certaines conditions, atteindre une force coiisidéi-able, qui, s'cxei'çanl à la fois sur la surface liquide et sur les parois du vase, risquerait de le faire éclater et rendrait dès lors l'expérience dangereuse. C'est pourquoi la marmite est munie d'une soupape de sûreté,^ Un trou esl percé dans le couvercle, el sur la piùce mobile qui ferme ce trou s'appuie un levier dont la grande branclie 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 celte limite est franchie, la vapeur soulève le. levier, s'échappe en sifllant au dehors, où elle se condense sous l'apparence d'un nuage ; la pression intérieure diminue par le fait de celte projection de vapeur cl 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.
Élude plus intime du phénomène de I ebullilion. — La tension de la va peur, pendant l'ébuliition, est égale à la pression atmosphérique. — Influence dç la pureté de l'eau sur la température de l'ébullilion ; Influence de la nature du vase : ébuUition dans Içs vases en verre, dans les vases métalliques; expériences de DeUic, de Donny. — Ebullilion de l'eau 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 (l'ébuliition 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.
brce eTas-
Or, comme nous le verrons plus loin, la force liiiye (le la çapeur augmenle avec la lempéralure.
Ainsi, il l'origine, rjiiand se forment au fond du vase les premières bulles de vapeur, la tension de ees bulles est d'abord assez forte pour faire équilibre à cette double pression; nous avons vu qu'elles s'élôvent à cause de leur légèreté spécifique; mais comme les couches d'ca» qu'elles traversent n'ont pas toutes encore la même températm'e, que les plus élevées sont moment anénicnl plus froides, les bulles se refroidissent en montant, elles se condensent sous l'influence de ce refroidissement, diminuent de giosseur 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 i> peu cependant, l'eau s'ccbauffe partout, soit par le mélange provenant des courants liquides ascendants et descendants, soit par la chaleur que lui cèdent en se condensant les bulles de vapeur, et Il 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 sur- j face 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 iiloi-s, provoquant de la sorte à la surface un mouve-
TOUCE ELASTIQUE l)E LA VAPEIR. *i
meut tumultueux, indice visible de l'ébulUtion pi-opremenl dite. Il est donc bien évident que la tension de la vapeur est en ce moment précisi'imenl ^galc à la pression extérieure, à la pression at os phérique, si I vas est ouvert et que i bullition se fa e l'air libre.
Quand donc lap e sionalmosphér que I minue — c'est c qu arrive chaque jou e Ion les circon tance météorologique c e t ce qui arrive ei co es l'on s'élève si r u montagne, ou b 1 ion — la vapei pou p
faire équilibre d ell
pression plus fa bic n j a bc o n d une te p ra ture aussi grande. L ebuUitiun a lieu au-dessous de lOO". Il faut écliaufferreau, au contraire, au-dessus de ce degré, si la pression extérieure augmente, i-ésnltat qu'on produit artificiellement en se servant de la tension môme de la vapeur emprisonnée, comme on l'a vu dans l'expérience de la marmite de Papin.
I i-nn-
M LA VAI'LKl.
Retenons donccea deux lois qui président au pUènomène de l'ùbullilion.
l'iemière loi : la tension de la vapeur de l'eau ou d'un liquide quelconque en ébulUlion est toujours égale à la pression extérieure, c'esl-à-diiai à celle qui s'exerce ii la surface du liquide ;
Deuxième loi : la température ilu liquide en ébullilion reste constante pendant toute la durée de la vaporisation, si la pression extérieure reste invariable ; celle température d'ailleurs aug'incnte ou diminue si la pression elle-même augmente ou diminue.
^ansloul ce que nous venons de voir, il n'a pas été question de deux circonstancosqui exercent l'une et l'aulre sur le phénomène de l'ébullilion une influencé notable : je veux parler de la pureté de l'eau et.de la nature du vase dans lequel elle est contenue.
L'expénencc montre que les substances simplement mélanftées, ou en suspension dans l'eau ne modifient point la température d'ébullilion. Il n'en est plus ainsi, quand ces substances sont combinées ou en dissoin lion.
Le liquide dissous, l'alcool par exemple, est-il plus volatil que l'eau ? en ce cas, le point d'ébuUi- I lion s'abaisse; il s'élève au contraire, si c'est un liquide dont la vapeur se forme moins facilement, i-onime l'acide suH'urique. Maïs la vapeur produite 4
FORCK ÉLASTIQUE DE LA VAPEIH. M
n'est plus de la vapeur d'eau : c'est un inélangr ou une combinaison des vapeurs dci oJiaque liquide.
Enfin, quand la substance dissoute dans l'eau esl un sel, la température du point d'éhullition est toujours plus élevée que celle de Teau pure et cette élévation est d'autant plus grande que la proporlioii 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, à 103° 5, — 20 —
Aussi qu'arrive-t-il, quand on porte une dissolution saline à TébiiUition? c'est que Tévaporation la concentre. Quand rébuUilion 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 avant atteint son maximum de concentration, étant, comme on dit saturée, la température d'ébuUition à ce moment devienne fixe, comme celb* de l'ébullition de l'eau pure, mais toujours plus élevée qu'elle.
Une dissolution de sel marin esl saturée, quand la quantité en poids de sel dissous dans 100 parties d'eau est 41,2 ; le point fixe d'ébuUition est alors 108°,4. La dissolution saturée de sel ammoniac
renferme 88,9 pmir 100 cMjouI à lli^.S; celle de chlorure de calcium reulerme 525 pour 100 et ne bout qu'à n9'',5.
Ces notions ne sont pas élrangci'es à notre sujet, tant s'en faut. 11 est rare eu effet que les eaux employées dans les maehinesà viipeur soient pures; le plus souvent, elles contiennent en dissolution des matières étrangères, des sets de diverses natures; l'eau de la mer, par exemple, est très chaînée de telles substances dont il importe de connaître l'effet sur la production de la vapeur et qui, en se déposant sur lesparoisdesehaudién's, peuvent provoquer des explosions formidaitles.
Dca raisons semblables nous engagent à dire quelques mots de l'inHueuce qu'exercent siirTébullition les matières qui composent les parois du vase niï l'eau est renfermée.
L'eau bout plus vite, c'est-Ét-dire à une tempéra- , ture moins élevée, dans un vase en métal que dans l un vase en verre. La qualité du verre, l'état de sa j surface ont aussi une influeuee marquée sur le phénomène.
Dans un vase eu verre dont la suiface intérieure a été préalablement bien nettoyée, la formation des bulles gazeuses est plus lente : ces bulles sont grosses, peu nombreuses : on dirai! qu'elles ont peineà \ se détaclierdu fond du vase. Fait-on bouillir l'eau \
FORCE ÉLASTIQl'K DK LA VAI'KrU. .V.
dans un vase métallique, on voit les bulles plus petites, mais aussibeaucoup plus nombreuses, partir de tous les points de la paroi inférieure, et, coninu» indice caractéristique de cette formation plus aisée de la vapeur, on trouve que le point d ebullition csl moins élevé que dans le verre : la différence peu! s'élever a 1 ou 2 degrés. Ce dernier point est facile à constater. Prenons un vase en verre renfermant de l'eau dont l'ébuUition a cessé il y a peu d'instants, c'est-à-dire dontla température a légèrement baissé ; projetons-y de la limaille métallique. Voici l'ébuUition qui recommence, et ce qui montre bien quelle est l'influence de la nature de la substance, c'esl que du verre en poudre projeté de la même 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 à l'état gazeux éprouve, pour se produire dans le premier cas, une résistance plus grande que dans le second. Quand une première bulle a réussi àse former au contact du verre, elle augmente de volume pour deux motifs, par accroissement
(le température d'aliord, eusuilc parla lonnalioii tie nouvelle vapeursur lu surface sphiTique interne lie la bulle. La tension de la \apeur devenant tout à coup plus forte (]ue la prassiou subie, il eu résulte les soubresauts qu'on remarque alors, quelquefois même la projection violente d'une porlion de liquide hors du vase.
Dans un vase en verre, en verre ('i;('( notamment, dont la surface interne u'a pas été préalablement bien nettoyée, les poussières qui tapissent le fond provoquent la fonnalion do la vapeur, tout comme il arrive quand on y jette dos pai'celles de limaille.
Ce n'est pas seulement l'adhérence de l'eau pour le verre que doit vaincre une molécule d'eau chaull'éeà 101)* pour se convertir en bulles de vapeur, c'est encore la cohésion, laforce qui unit cettemolécule 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 prépnré les moléci.les liquides h la séparation. Lt, défait, l'expérience confirme cette maniérede voir.
Le physicien Deluc ayant enfermé dans un matras à long col de l'eau purgt'c d'air, put la porler à une température de 1 12" sans qu'elle entrât en ébulliliou. Plus tard, un grand nombre d'expériences décisives dues à M. Donny ont mis en évidence c
nences dé- à ilcnce cette j
ranci-: élasti^vk iik i,a vapki-ii. x,
action de l'air dissous dans l'eau sur rébullilion du liquide. Voici l'une de ces expéncuccs.
Un tube doublcmenl recourbé et tcrniiuùûruiii! de ses extrémité» eu forme de boule (fig. 15) renferme de l'eau complètement purgée d'air. Cette condition essentielle a été obtenue en faisant bouillir
-.ft>-.
l'eau dans le tube encore ouvert; la \apeur qui se dégage chasse peu à peu l'airdu tube ainsi quccelui qui était dissous dans l'eau ; on ferme à la lampe dès qu'on est assui'é qu'il n'y a plus dans le tube que de l'eau etsa \apcur. On a ainsi une sorte de marteau d'eau dont ou plonge la partie recourbée •contenant le liquide refroidi dans un bain d'huile. On chautfece dernier à l'aide d'une lampe à alcool.
58 lA VAI'tliU.
choses ni! se passenl ainsi que quanil il y a absence de contact enti-eli! gloliule et le inélal du creuset; ce qui exige que la température de ce dernier dépasse une certaine limite, que l' expérience a permis de déterminer. Température variabled'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 » peu refroidir ce dernier, au moment où sa température s'abaisse à 140", le contact s'élablîl entre le métal et la petite masse d'eau; le globule prend rapidement la température de rébullition, il bout avec violence et se réduit presque aussitôt enlièremeut en vapeur. C'est là un fait que nous devrons nous rappeler, <;[uand il s'agira de clierclier les causes de l'explosion des chaudières ti vapeur.
Lais de toijualinn el («mion des vapcui-s dans le Tidc. -^ Tension laaiimoni et saluratiun. — Vai'iations de la lenslan maiiinuiu Hvec U tBmpéralare; Énoncé des lois du Ballon. — EcUelle des lensions di^sii
Parmi les propriétés des vapeurs et surtout de la vapeur d'eau, il en est une qui nous intéresse plus pai'liculicrement : je veux parler de leur force élast'Hpie nnleiislou. C'est celle force, en effet, qui est
FOIICK ELASTIOIE DK LA VAI'KrU. bi)
le principe du iiiouveuienl des inacliines à viipeur. Il est absolument nécessaire de bien connailre et comprendre les lois des variations de celle force et de savoir en mesurer l'intensilé, si Ton veul se rendre compte du fonclionnemenl des divers organes de ces machines.
Les effets mécaniques de la vapeur d'eau sont connus, nous Tavons dit, depuis la plus haute antiquité. Une marmite conlenanl de Teau en ébullilion a sufii pour fîîire constater l'existence de la force élastique en question : un couvercle fermant un peu hermétiquement Tuslensile d(^ ménage est .soulevé par la vapeur, qui cherche une issue. Et voilà, pour qui sait voir et ol)server, la tension de la vapeur d'eau reconnue.
Mais de là à en déterminer les lois, il v avail loin. Le premier physicien (|ui ait fait celle élude avec précision (»st le savant anglais Dallon, sous le nom duquel on connaît les lois de la formation et de la tension des vapeurs dans le vide. Décrivons rapidement et succinclement les expériences qui ont conduit Dalton à fornmler ces lois.
L'aj)pareil emjdoyé est des plus simples. C'est un tube barométrique qu'on peut à volonlé 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.
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LA VAl'KUll.
Au (l('biil lie
l'cxiiérience, le meicui-e des deux
tubes s'élève b une même
hauteur au-dessus du ni-
veau de la CHvelle , el
ceUe hauteur mesure ,
comme on sait, la pression almosphériquc, la force élastique avec laquelle l'air extériempresse la surl'ace du mercure de la cuvelle. Dans les deux chambres ba-
rométriques, il y a 1p vide.
Introduisons mainle-
!* liant sous l'un des tu-
l)cs , comme l'a fait Dal-
lon, il l'aide d'une pi-
pette recourbée, un pe-
1 lit volume du liquide
i\\ dont il s'agit d étudier
\\ la vapeur. Ce sera de
* Y'-^ï- l'eau, si vous voulez.
'^"^ Aussitôt que l'eau, par
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