MACHINE DE COMPRESSION

enfonçant le piston, l'air du corps de pompe se comprime; sa tension augmente, ferme la soupape b et ouvre la soupape a en refoulant l'air dans le canal qui communique avec le récipient et dans le récipient môme. En remontant le pis-ton, le vide se fait au-dessous; l'air déjà comprimé du récipient ferme la sou-

Fig. 104. — Pompe de compression de Silbermann; vue extérieure.

Fig. 105. — Pompe de compression de Silbermann; coupe.

pape a ; l'air extérieur ouvre b et finit par remplir le corps de pompe. Il sera refoulé dans le récipient par une nouvelle descente du piston, et ainsi de suite.

Il y a, pour chaque machine, une limite à la compression qui dépend de l'espace nuisible restant au-dessous du piston lorsqu'il est arrivé au bas de sa course. Quand la compression obtenue est telle,, que l'air du corps de pompe réduit à cet

espace a une moindre tension que l'air comprimé, le jeu de la soupape a devient impossible.

On emploie aujourd'hui de préférence des pompes de compression formées d'un seul corps, à piston massif, et dont les

Fig. 106. — Pompes de compression accouplées.

deux soupapes sont placées au fond du cylindre, l'une donnant communication avec l'air extérieur, l'autre avec le récipient'

1. La pompe do compression de ce genre, doiil nous donnons ci-dessus la coupe et la vue extérieure, est due à un savant dont le mérite égale la modestie, M. J. Silhermann, préparateur du cours de physi(iue au Collège de France. Si la j)lacc ne nous manquait, nous dirions comment le robinet dont on voit la position au-dessous des soupapes, permet de comprimer dans un récipient l'air ou tout autre gaz contcmi dans un autre, d'intervertir l'ordre de communication des récipients, ou encore de rétablir entre eux l'équilibre de pression, enfin de l'aire conununiipier cbacuii d'eux avec l'atmosphère. C'est donc à la fois, et à volonté, une machine pneumatique ou une pompe de compression

LOI DE MARIOTTE

(fig. 104 etlOS). S'il s'agit de comprimer un gaz autre que l'air, la première soupape communique avec le yase renfermant le gaz à comprimer. Si l'on veut obtenir une compression plus rapide, on se sert de pompes accouplées. La figure 106 montre la disposition générale des appareils de ce genre. M. Regnault s'en est servi pour obtenir de l'air ou de la vapeur dont la pression équivalait à 30 fois la pression atmosphérique, ou, si l'on veut, était capable de supporter une colonne de mercure de 50 fois 76 centimètres, soit 22"", 80. Dans les applications industrielles de l'air comprimé, nous trouverons d'autres procédés que ceux qu'on vient de décrire, employés pour obtenir la compression de l'air en grandes masses.

§ 5. 1.01 DE MAIilOTTE.

Disons maintenant sur quel principe on s'appuie pour évaluer les pressions des gaz, et quelle loi suivent les variations de ces pressions, sous l'inlluence seule du changement de volume.

Cette loi, dont la découverte est due aux physiciens Mariotte et Boyle, s'énonce ainsi' :

Si une même masse gazeuse est soumise à une série de pressions différentes, les volumes qu'elle occupe successivement varient en raison inverse des pressions qu'elle supporte.

Yoici la démonstration expérimentale de cette loi :

On prend un long tube recourbé dont la petite branche est fermée et la grande ouverte (fig. 107). S'il est parfaitement cylindrique, l'échelle divisée en parties égales, dont on voit les divisions sur la planchette à laquelle il est fixé, indique pour le tube des capacités égales. S'il n'est pas cylindrique, on le divise luimcme en parties inégales, mais d'égale capacité.

1. La loi connue en France sous le nom de Mariotte est dite loi de Boyle en Angleterre. C'est en effet à la même époque qu'elle fut découverte par ces deux physiciens. Elle ne s'appliquait d'abord qu'à l'air atmosphérique, ainsi que le constatent les titres des ouvrages où leurs expériences sur la force élastique de l'air et sur ses degrés correspondants de condensation furent consignées. Voici ces titres : R. Boyle, Nova expérimenta pitysico-mecanica de vi aeris elastica; Mariotte, De la nature de l'air.

Introduisons-y une certaine quantité de mercure, et, par des secousses convenables, faisons en sorte que le liquide se répartisse en deux colonnes de même hauteur dont les niveaux correspondent aux zéros des deux échelles. A ce moment, l'équilibre existe entre l'air extérieur qui presse le mercure dans la grande branche ouverte , et l'air intérieur emprisonné dans la branche fermée. La pression de ce dernier est donc de 1 atmosphère.

Versons du mercure dans la grande branche. L'équilibre sera rompu, et le mercure montera dans la branche fermée. Arrêtons-nous au moment où le niveau atteindra la division 12, c'est-à-dire oii le volume du gaz sera réduit à moitié. Nous constaterons que la différence des niveaux du mercure sera précisément égale à la hauteur barométrique au moment de l'expérience. Or il est clair qu'à ce moment c'est cette différence de niveau qui mesure l'accroissement de pression du gaz emprisonné ; la pression totale est donc de 2 atmosphères.

En versant de nouveau du mercure dans la grande branche , on verra le niveau monter dans la petite branche jusqu'aux divisions 16, 18, 19,2 par exemple, ce qui suppose le volume du gaz réduit au tiers, au quart, au cinquième de son volume primitif. Or on trouve alors que les pressions sont successivement de 5, 4, 5 atmosphères. En général, les volumes occupés })ar l'air ou par tout autre gaz varient précisément en raison inverse des pressions que ce gaz sup})orte : ce qui démontre la loi énoncée. La loi se vérifie avec la même facilité quand on soumet la masse gazeuse à des pressions décroissantes, inférieures à 1 atmosphère : les volumes augmentent comme les pressions diminuent. Cette vérification de la loi de Mariotte pour les pressions inférieures à la pression

Fig. 107. — Vérification expérimentale de la loi de Mariotte.

LOI DE MARIOTTE

atmospliérique se fait à l'aide de l'appareil que représenle la figure 108. Daus uue cuvette pleine de mercure sont disposés deux tubes barométriques, l'un immobile marquant par le niveau a du mercure la pression de l'atmosphère au moment où se fait l'expérience. L'autre tube est mobile et peut s'élever ou s'enfoncer à volonté dans le prolongement inférieur de la cuvette.

Avant l'introduction du gaz, le niveau du mercure s'y élève h la même hauteur que dans le baromètre voisin. Mais si dans le vide on introduit une certaine quantité de gaz à expérimenter , ce niveau se déprime et descend en un point b, de sorte que la différence de niveau ah, exprimée en millimètres, mesure la pression du gaz. En soulevant le tube , le gaz se dilate et la pression augmente. Or on trouve que le produit du volume par la pression correspondante reste constant.

Pour cette vérification, il importe que le tube où le gaz est introduit soit parfaitement cylindrique ; ou, si cette condition n'est pas remplie, qu'à la division en millimètres mesurant les pressions soit jointe une diminution en parties d'égale capacité pour la mesure des volumes.

On voit par cette loi, dont l'importance est extrême, combien les gaz sont compressibles et combien ils diffèrent sous ce rapport des liquides, dont la compressibilité est renfermée, nous l'avons vu, dans de très étroites limites.

Dans les expériences qui précèdent, la temjiérature est sup-

Fig. 108. — Vérification de la loi de Mariette pour les pressions décroissantes inférieures à la pression atmosphérique.

posée constante, et il est bien entendu que l'air ou les autres gaz doivent être préalablement desséchés.

Si la loi de Mariotte était rigoureusement vraie, il en résulterait que tous les gaz sont doués d'une égale compressibilité, et que cette compressibilité est croissante, quelles que soient les pressions auxquelles on les soumet. Dulong et Arago ont bien vérifié l'exactitude de la loi, pour l'air, jusqu'à 26 atmosphères; mais Despretz et, depuis, Regnault sont arrivés à reconnaître que cette compressibilité n'est pas exactement la même pour tous les gaz, et de plus qu'elle est aussi légèrement variable pour un même gaz. L'air, l'azote, l'acide carbonique, se compriment en réalité un peu plus que n'exigerait la loi de Mariotte : le gaz hydrogène s'en écarte en sens contraire. Quant aux gaz susceptibles de passer à l'état liquide, l'écart dont il s'agit a été trouvé d'autant plus considérable que les expériences ont eu lieu à une' température plus voisine de celle où ils se liquéfient. Sans doute, dans le voisinage de cette température, les gaz éprouvent des modifications moléculaires dont on ignore encore la nature, mais qui contrarient les effets dus aux variations de pression.

La mesure de la pression de l'air qui reste sous le récipient de la machine pneumatique, quand on y fait le vide, mesure effectuée à l'aide d'un manomètre ou baromètre tronqué, est une application directe de la loi de Mariotte.

La loi qui exprime les rapports entre les volumes des gaz et les pressions qu'ils supportent, ou, ce qui revient au même, entre leur élasticité et leur compressibilité, est trop importante pour que nous passions sous silence les expériences qui, depuis Boyle et Mariotte, ont restreint successivement les limites dans lesquelles elle est applicable.

D'abord, on reconnut que la loi de Mariotte n'est pas exacte pour tous les gaz. Yan Marum vit le premier que la compressibilité du gaz ammoniac est plus grande que celle de l'air : à peine ce dernier élait-il réduit au tiers de son volume que le

LOI DE MARIOTTE

gaz ammoniac, sous la même pression, passait à rélal liquide. En 1826, un résultat semblable fut trouvé par Œrstedtet Wendsen : le gaz acide sulfureux se comprime d'autant plus qu'il approche davantage de son point de liquéfaction. Despretz, puis Pouillet contirmèrent ces observalions et les étendirent à d'autres gaz. L'appareil de la ligure 109, imaginé par le dernier de ces pliysiciens, met en évidence la différence de compressibilité des divers gaz.

Un cylindre en fonte A contient du mercure, et communique par un tube en fer avec une boîte en fonte à laquelle sont solidement ajustés deux tubes TT de 2 mètres de longueur chacun, et de 2 à 5 millimètres de diamètre. C'est par la partie supérieure de ces deux tubes parfaitement calibrés que s'introduisent les gaz secs dont on veut comparer la compressibilité. On lait en sorte que ces gaz occupent le même volume ; puis l'on scelle les tubes à la lampe. A ce moment, le volume et la pression sont identiques pour les deux gaz. Pour les faire varier, le cylindre A, rempli d'huile au-dessus du mercure, est fermé

Fig. 109

Appareil de Pouillet démontrant l'inégale compressibilité des gaz.

par un piston plongeur P façonné exlérieurcmenl en vis mo-

Fiy- 110. — Appareil de M. Rcgnaiilt pour réliulc de la coiupressibilitc des gaz'.

bile clans un écrou. Un levier L permet d'enfoncer à volonté le

1. A, lî, lubes du manomètre où se mesurent les pressions et les volumes du gaz sur

LOI DE MARIOTTE. 185

piston dans le liqnide et tie comprimer de la sorte le mercure qui transmet sa pression aux gaz des deux tubes T. On reconnaît ainsi que les volumes ne restent point les mêmes, et que la loi de compression varie d'un gaz à l'autre.

La loi de Mariotte avait été trouvée exacte, pour l'air, par Œrstedt et Wendsen jusqu'à 8 atmosphères, et les fameuses expériences de Dulong et d'Arago, que nous n'avons fait que mentionner, poussèrent la vérification jusqu'à 26 atmosphères. Pouillet alla jusqu'à 100. Mais il y avait dans les procédés employés diverses causes d'erreur, dont la plus sensible provenait de ce que plus la pression devenait considérable, plus le volume occupé dans le manomètre par le gaz était petit, et plus les erreurs constantes de lecture devenaient des fractions importantes des résultats.

M. Regnault évita cette cause d'inexactitude en disposant ses appareils (fig. 110) de manière que les volumes restassent à peu près constants pendant tout le cours de ses expériences, 11 fit de plus une série de corrections dans le détail desquelles nous ne pouvons entrer, et qui donnèrent une grande précision aux résvdtats de ses recherches. Ce sont ces résultats que nous allons résumer dans leurs traits essentiels.

La compressibilité de l'air, toujours un peu plus forte que ne l'exigerait la loi de Mariotte, va de plus en augmentant avec la pression. L'azote est dans le même cas que l'air, mais

lequel on expérimente. Ils communiquent, par leurs extrémités inférieures et par un cylindre en fer auquel ils sont adaptés, avec le réservoir H contenant du mercure. Une pomjie p as])iranfe et ibulanto à eau surmonte ce réservoir, et un robinet R permet d'intercepter à volonté la communication avec les tubes. V est le réservoir où l'on peut emmagasiner le gaz sec ; r est une pompe de compression qui sert à donner au gaz le degré voulu de pression. La plus courte branche B du manomètre est en connnnnication avec V et un robinet r sert à intercepter cette communication quand le gaz est introduit et ({u'il a refoulé le nu'rcure jus- (pi'au bas du tube.

11 est aisé maintenant de se rendre compte du i'onclioimement de l'appareil. Le gaz sec étant comprimé dans V, on ouvre les robinets, le gaz pénètre dans le tube B et refoule le mercure, de manière à remplir le tube. La différence de niveau en B et dans la colonne A (haute de .50 mètres) marque la pression du gaz correspondante à ce volume. Puis on ferme r, et l'on manœuvre la pompe p qui foule le mercure et comprime le gaz. Quand ce dernici' est réduit à la moitié de son volume, on note de nouveau la différence de niveau du mercure dans B et dans A, et l'on a la pression du gaz ainsi conqirimé.

l'aiigmeiilalioii de la compressibilité a\ec la pression esl moins sensible. L'écart de la loi est plus grand pour l'acide carbonique.

Quant à l'hydrogène, il s'écarte de la loi de Mariotte dans un sens opposé, et en outre la compressibilité décroît au lieu de croître avec la pression.

On doit donc considérer la loi de Mariotte comme une approximation, non comme une loi rigoureuse. A la vérité, dans la pratique on peut la regarder comme vraie, et l'appliquer toutes les fois qu'il ne s'agit pas des cas spéciaux où les perturbations deviennent brusquement considérables.