CHAPITRE III

DD RAYONNEMENT CALORIFIQUE DANS LE VIDE ET DANS t’AIR ATMOSPHÉRIQUE.

Expériences de Newton et d'antres physiciens sur la propagation de la chaleur dans le vide de la machine pneumatique et dans le vide du baromètre. Moyens propres à démontrer la transmission rectiligne instantanée et immédiate des rayons de chaleur dans l’air atmosphérique. Expérience des miroirs conjugués ; modifications qui en rendraient les résultats pins clairs et plus décisifs. Démonstration expérimentale du rapport existant entre l'intensité de l'action échauffante et le carré inverse de la distance à la source calorifique. Conséquences qni s'en déduisent A l'égard de la transcalescence de l'air< et de la comparaison des rayonnements mesurés par le thermomnltiplicatcur.

Transmission de la chaleur rayonnante dans le vide.

Newton trouva que deux thermomètres renfermés dans deux récipients de verre exactement pareils, l’un desquels était vide et l’autre plein d’air, montaient ou descendaient

do In meme quantité en très-peu de temps lorsqu'on les portait ensemble duns un lieu plus ou moins chaud que celui où ils se trouvaient d'abord (•). Or, puisque la propagation ordinaire de la chaleur n’a lieu quo dans les cas où oet agent passe successivement et lentement do l’une à l'autre couche de matière pondérable , on pouvait déjà conclure de celte observation da grand philosophe anglais, que la variation éprouvée par le thermomètre , introduit dans le récipient prive d'air, lire son origine de l'échange des rayons établi, à travers le vide, entre les parois du récipient et l’enveloppe du thermomètre. ‘Cependant les moyens employés pour faire le vide étant fort imparfaits du temps de Newton, on aurait pu croire que l'effet calorifique observé provenait d’un reste d’air contenu dans le récipient.

Ce fut sans doute une réflexion de cette nature qui engagea Rumford à reprendre expérimentalement l’élude de la question du passage de la chaleur rayonnante dans un espace complètement privé d’air. Comme les expériences do Rumford sont aussi concluantes que simples et ingénieuses, et que d’ailleurs on les dirait presque totalement oubliées aujourd’hui , la plupart des traités modernes de physique n’en faisant plus aucune mention , je vais les décrira ici avec les paroles mêmes de l’auteur:

« lin ouvrier habile, Arteria de Manheim, ayant réussi à fixer solidement la boule sphérique d’un thermomètre à mercure, d’un demi pouce de diamètre, nu centre d’une boule de verre d’un pouce et demi de diamètre, on remplit de mer-

ci Voyez la XVI II f de* question* ptar(e$ <i la fin de l’Optique de tVcH'ton.

cure l'espace compris cuire la surface extérieure de la boule du thermomètre et la surface intérieure do la grande boulo , par le moyen d'un long tube barométrique , qui fut soudé à une petite projection ou ouverture en forme de pointe appartenant à la grande boule, laquelle pointe se trouvait en bas quand le thermomètre , qui était attaché h la grande boule, se trouvait dans sn position naturelle verticale. ï

s Aussitôt que l’espace dans la grande boule, qui n’était point occupé par le thermomètre , eut été rempli de mercure, aussi bien que le tubo barométrique soudé à la boule qui avait trente-six pouces de long, l’ouverture de ce tube fut submergée dans du mercure contenu dans un bassin , et lo tube fut renversé et placé dans une position vcrticalo , avec la grando houle ( contenant lo thermomètre ) en haut. »

t L’instrument étant alors devenu un baromètre, le mercure descendit de la grande boule et de la partie supérieure du tube barométrique jusqu’à la hauteur de vingt-huit pouces au-dessus du niveau de la surface de mercure dans le bassin, où il demeura stationnaire ; son poids étant balancé par la pression de l’atmosphère; pour lors on approcha une bougie allumée à la partie supérieure du tube , près do sa jonction avec la boule , où le diamètre du tube avait été préalablement diminué, et par le moyen du chalumeau on dirigea la pointe de la flamme oontre la partie du tubo où on voulait la sceller, s

« ï/; verre étant ramolli par la chaleur , la pression de l’atmosphère ne larda pas à forcer les parois du tube en dedans, et l'opération fut ^heureusement terminée sans accident. s

« On détacha ensuite le tube barométrique, et la boule * du thermomètre resta entourée do tous les côtés par unespace vide d'air; puis , le thermomètre ayant été rempli préalablement de mercure et fourni d’une échelle, on peut facilement se figurer mon impatience à voir si la chaleur serait en état ou non de franchir cet intervalle, s

c Ayant exposé cet appareil dans un baquet d’eau à la température de 18 degrés du thermomètre de Réaumur , jusqu'il ce que je fusse assuré ( par le moyen de l'échelle de l'instrument ) que la boule du thermomètre remplie de mercure , qui se trouvait au contre de la boule vide d’air , était à la température do 18 degrés R, j’ôtai l’instrument du baquet , et je le plongeai dans un vase rempli d’eau bouillante , où je le tins pendant plusieurs minutes, l'eau dans le vase étant constamment entretenue en ébullition par le moyen d’une lampe, s

c Comme le mercure dans le tube du thermomètre montait , quoique lentement , il était évident que la chaleur de l’eau bouillante passait , à travers le vide , dans la boule du thermomètre, s

s Je fis construire d’autres appareils de cette espèce; je répétai et variai mes expériences; j’observais ainsi leur refroidissement et ensuite leur échauffemenl, tantôt dans l’air, et tantôt dans l'eau. Dans toutes ces expériences , la boule du thermomètre , qui se trouvait entourée d'un espace vide, s’échauffait ou se refroidissait, s

« Le passage de la chaleur dans le vide était un fait d’une si haute importance dans la recherche de la nature de la chaleur , que je désirai le constater par les expériences les plus décisives. »

c Comme la partie du tube du thermomètre qui se trou-

vait ilans l'intérieur do la grande boule de verre ctuit en contact avec l’air ou Veau , dans la(|uellc l'appareil étuit exposé à se refroidir ou à s'échauffer. Von pourrait soupçonner qu’une partie de la chaleur que la houle du thermomètre, entourée du vide, perdait ou gagnait, était communiquée par le tube du thermomètre. Pour ôter toute incertitude à ce sujet, je trouvai le moyen de faire l’expérience avec un thermomètre suspendu par un simple fil de soie , très-mince , au milieu du vide ( fait avec le mercure ) dans un mntrns de verre qui était assez haut pour recevoir et enfermer le thermomètre avec son tube. »

« Les résultats des expériences qui furent faites nvoc cet appareil , ne différaient pas sensiblement des résultats de celles faites avec les autres dont je viens de rendre compte, et la propagation de lu chaleur à travers le vide de Torricelli resta démontrée. * (*)

Pendant les recherches que Dulong et Petit entreprirent dans le but de déterminer la loi du refroidissement des corps, ces deux physiciens durent exécuter des expériences toutà-fait analogues à celles de Itumford , avec la différence que le globe de verre, au milieu duquel se trouvait pincée la boule de leur thermomètre était de trois décimètres nu lieu d’un pouce et demi de diamètre , et que le vide s’y produisait nu moyen d’une excellente machine pneumatique. La chaleur passa du thermomètre central aux parois de l'enceinte , ou de celles-ci au thermomètre , comme dans les expériences de Rumford, quoique l’intervalle fût six à sept fois plus grand.

(*) Rumfurd. Mémoires sur la chaleur. 1 vol. in 8.° Paris 1801 p. 14 H luiv. de la Notice historique.

La fameuse expérience du charbon réduit à l’état d'incandescence par l’action de la pile fournit à If. Davy le moyen de constater aussi de son côté le rayonnement calorifique dans le vide. Cette expérience, que les dernières modifications apportées à l’électro-moteur de Voila mettent aujourd’hui à la portée des fortunes les plus médiocres , consiste, comme on sait, à faire traverser sous le récipient de la machine pneumatique un morceau de charbon par un fort courant d’électricité.

Soit AJ, N, le récipient de la machine pneumatique. On le munit à sa partie supérieure d’une garniture traversée par deux tubes de verre contenant des tiges métalliques P, P'; le tout bien mastiqué pour intercepter le passage de l’air. Entre l’une et l’autre extrémité inférieure de ces tiges est interposé le morceau de charbon e. Lorsqu’on met les deux pôles d’une pile suffisamment énergique en communication avec les tiges P, P', on voit le charbon passer en très-peu d’instants par tous les degrés de l’incandescence, et jeter bientôt une lumière éblouissante. Si le récipient est bien purgé d’air , le charbon n’éprouve aucune diminution appréciable, et sou éclat lumineux dure autant que la traversée du courant.

Maintenant , pour montrer que dans cet état de vive incandescence il y a production et rayonnement de chaleur, on fixe le charbon au foyer e d’un petit miroir métallique AB , et vers l’extrémité opposée du récipient on adapte un second miroir sphérique en métal CD ayant sa concavité tournée vers AU et portant à son foyer J la boule d’un La TiiERMOcnnôsE. 1" partie. . 13

petit thermomètre. Aussitôt que l'appareil est mis en activité on voit la colonne thermomélrique monter successivement de plusieurs degrés. Les bonnes machines pneumatiques d'aujourd’hui, raréfiant l’air au point de ne lui laisser qu’une tension de quelques dixièmes de millimètre, on ne peut supposer raisonnablement qu’un fluide réduit à un tel degré de raréfaction produise l’élévation observée du thermomètre. Et si , malgré cela , on s’avisait encore de soutenir que ces particules d’air si atténuées , après s’étre échauffées au contact du charbon ardent, viennent déposer la chaleur acquise sur le thermomètre , il suffirait de faire remarquer que , vu la disposition des diverses parties de l’appareil , la couche d’air échauffé, devenant plus légère, reste autour du corps incandescent, ou monte à la partie supérieure du vase , et ne saurait se mêler aux couches plus denses qui reposent sur le fond et autour du thermomètre.

Au morceau de charbon, on peut substituer un fil de platine d’une grosseur telle que le passage du courant d’électricité le fasse rougir sans entrer en fusion ; et meme dans ce cas , où la lumière dégagée a un éclat bien moindre que la vive splendeur du charbon , on obtient encore des signes très-prononcés de chaleur sur le thermomètre.

Ainsi les radiations calorifiques des flammes et des métaux incandescents , et celles des corps chauffés au-dessous de l'incandescence sont toutes susceptibles de traverser le vide. Or, si la chaleur rayonnante provenant d’une source quelconque se transmet dans un espace où il n’existe aucune matière pondérable, il s’en suit que l’air n’est nullement nécessaire à sa propagation, et que, par conséquent, la transmission de celte espèce de chaleur dans l’atmosphère a lieu en vertu d’un agent particulier analogue à celui qui

produit les phénomènes lumineux. C'est en elfe! ce que nous allons démontrer nettement par l’expérience.

Des lois qui régissent la propagation du rayonnement calorifique dans f air atmosphérique.

Avant d'entrer en discussion sur le sujet inscrit en tète de ce paragraphe, rappelons en peu de mots les principaux résultats consignés dans les pages précédentes , afin de bien saisir et le point d’où nous sommes partis et celui que nous venons d’atteindre.

L’action échauiïanle, qui a lieu à une certaine distance des corps dont la température est plus ou moins élevée audessus de celle de l’atmosphère, étant un fait indubitable, nous avons d’abord cherché les moyens les plus propres pour la mesurer avec exactitude. Ces moyens, une fois déterminés, nous ont permis de reporter notre attention sur les sources calorifiques , d’en choisir un certain nombre douées de températures extrêmement diverses, et de reconnaître le mode uniforme de leurs actions sur nos instruments thermoscopiques.

Dans le cours de ces études nous avons supposé que , pour agir ainsi hors du foyer , la chaleur prend une forme rayonnante et s’élance de chaque point de la source suivant des lignes droites dirigées dans tous le» sens, précisément comme nous voyons la lumière diverger en rayonnant autour d’un corps en combustion. Et puisque, d’après les expériences précédentes, toute espèce de chaleur rayonnante se meut dans le vide , il est évident que l’analogie

de l'agent qui forme l'objet de nos recherches avec l’agent auquel nous devons les phénomènes de la lumière devient de plus en plus probable.

Mais le rayonnement calorifique est-il réellement comparable au rayonnement lumineux? Les lois qui président à la propagation de ces deux agents sont-elles identiques en tout point , ou diffèrent-elles sous certains rapports ? Voilà les questions que nous allons examiner maintenant.

Et d'abord , cette chaleur sensible à distance , que nous supposons composée de rayons, se propage-t-elle véritablement par radiations rectilignes comme la lumière?

Pour le savoir prenons un écran métallique assez étendu, percé d’un trou à son centre , et fixons-le verticalement ; plaçons à une distance de quelques décimètres, et à la même hauteur du trou central , d’un côté la lame de cuivre chauffée à 400 degrés, de l’autre la pile du thermomultiplicateur ouverte du côté de l'écran. Si le rayonnement calorifique obscur et invisible de notre source se propage en ligne droite, comme les rayons lumineux, il faudra que le maxtnmm d’action développée sur le thermoscope se montre lorsque les centres de la pile, de l’ouverture, et de la source calorifique se trouveront sur une même ligne droite , qui pourra être perpendiculaire ou oblique à la surface de l’écran. Mais si l’on retire graduellement la source ou la pile hors de cet nlignement, les signes calorifiques devront diminuer aveo rapidité et disparaître complètement, lorsque le corps thermoscopique ne pourra plus recevoir aucun rayon de chaleur; et c’est aussi ce que l’on observe , car l’action ne se manifeste avec force que dans le cas de l’alignement cl manque tout-à* fait à l’endroit où le corps rayonnant, vu de la position qu’occupe la pile thermoscopique , s’éclipse derrière les bords

de l’ouverture. L’alignement de la source , de l’ouverture et de la pile s'estime aisément à l’oeil. Cependant l’expérience devient beaucoup plus frappante si l’on fait passer un fil ù travers l’ouverture de l’écran, et si l’on détermine les positions que doivent occuper la source et la pile , en tenant ce fil tendu horizontalement dans une direction , tantôt normale , tantôt oblique à l’écran. Alors , en poussant tant soit peu l’un ou l’autre appareil hors de la direction marquée par le fil , on voit l’index revenir exactement au zéro , malgré le soin que l’on a pris de maintenir constamment l’axe de la pile dirigé vers l’ouverture de l’écran.

Lorsqu’un rayon solaire pénètre dans l’intérieur d’une chambre obscure , non seulement il se propage en ligne droite, comme il est aisé de l’apercevoir au moyen de la trace lumineuse qui accompagne le rayon, mais sa marche s’effectue d’une manière tout-à-fait indépendante de l’air interposé sur son passage , qui peut rester en repos ou en mouvement , sans que l’on observe pour cela aucun changement dans la force ou la direction de la lumière. En effet, si l’on note soigneusement la place occupée par l’image lumineuse que le rayon dessine sur les parois ou le parquet de la chambre , et si l’on observe son intensité et la translation lente qui lui est communiquée par la rotation de la terre, on trouve que le mouvement et la vivacité de celte image sont exactement les mêmes, soit qu’on agite vivement l’air interposé sur le passage de la trainée lumineuse, soit qu’on laisse le milieu ambiant dons le repos le plus absolu.

L’expérience devient encore plus frappante, si l’on fait pénétrer le rayon solaire dans la chambre obscure au moyen d’un héliostat ; car alors le trait de lumière sc trouvant soustrait à l’effet apparent de sa rotation diurne, il est très-