CHAPITRE PREMIER

RÉSUMÉ HISTORIQUE DliS PRLNCIPAIJES RECHERCHKS FAITES sua LA CHALECm RAYONNANTE AVANT L'KVIPLOI DU TIII'R.MO- MULTIPLICATEUR. — PRINCIPES DE LA THÉORIE DES ÉCHANGES DE CHALEUR PAR RAYONNEMENT.

§ I. — IDÉES D£ MRWTON. afiCHEECUES D'UEESCUELL.

Les ancieos connaissaient les verres et !os miroirs ardents; ils savaient donc que la rfinleur du soleil ac( ûinpag:ne !a lumière de cet astre non-seuiemenL dans sa propagation rectiligne à travers l'air et l'espace planétaire, mais aussi dans les réflexions ou les réfractions que nous pouvons lui faire subir.

Tranimîfsîon de la chaleur. Idées de Newton. — La transmission directe de la chaleur, venue des sources non lumineuses, n'a fixé que plus tard l'attention des physiciens: niais Newton s'en préoccupait fortement, ainsi qu'on le peut voir dans le texte suivant. {Opt., liv. m, quest. 18.1

« Si, après avoir suspendu dans deux lari^es et longs vases de verre cylindriques deux petits thermomètres, de sorte qu'ils ne touchent point les vases, on fait le vide dans l'un des vases, et si on les transporta ensuite tous deux d'un lieu froid dans un lieu chaud, le thermomètre qui est dans le vide deviendra aussi chaud et presque aussitôt que l'autre thermomètre. La chaleur du lieu chaud n'est-elle pas communiquée à travers le vide par les vibrations d'un milieu beaucoup plus subtil que l'air, lequel miUeu reste dans le vide après qu'on en a pompé Tair, et ce

VIBBAT10N8 CÀLOEIF IQUK8.

milieu n*est-il pas le mémo que œlui qui rompt et réfléchit la lumière, ei par les vibrations duquel la lumière échauffe les corps?... et les vibrations de ce milieu ne cojiLriuuent-elIes pas à la véhémence et à la durée de la chaleur? Et les corps chauds ne communiquenl-ils pas leur chaleur aux corps froids contigus, par les vibrations de ce milieu propagées des corps cliau{ls dans les corps froids? Et ce milieu n est-il pas excessivement plus rare et plus subtil que Tair et excessivement plus élastique et plus actif? Ne pénètre~t-il pas pro[ii[iiement tous les corps? El par sa force élastique n'e^L-il pa^ répandu dans tous les cieux? »

Or, Newton ne s'occupe ici que du mode de propagation de la chaleur obscure à travers le vide; mais avant lui, Bacon, en pensant à la propagation directe de cet agent, se demandait si « la chaleur obscure eL opaque comme celles des métaux ou des « pierres, (jni ne sont pas rougis par le feu, peut être exallée par « les verres aiis-i bien que la chaU'ur lumineuse et brillante. »

Réflexion de la chaleur obscure. Scheele, de Saussure, Piotet.

— Les premières expériences importantes qui aient été faites touchant la concentration de la chaleur obscure sont celles de l^ictet et de de Saussure. Ces physiciens plaçaient devant un miroir sphérique un cube plein d eau chaude ou un boulet chnutfé, mais non lumineux; puis ils plaçaient la boule d'un thermomètre au foyer conjugué de ces sources de chaleur; l'effet produit était instantané, et il dis[>araissait lorsqu'on couvrait la surface du miroir. Scheele, quelques années auparavant, avait de même concentré au foyer d'un miroir la chaleur émanée d'un poêle allume.

Dans les expériences de de Saussure et do Pictot, la chaleur obscure était, suivant les expressions do Bacon, ejaltc'e par les miroirs. Quelques années plus tard, Uerschell la concentrait ii l'aide de lentilles.

Recherches d'Hcrschell — Lc travail d'HorsclicIl est un des plus remarquables qui aient été publiés sur la chaleur rayonnante Nous allons énoncer les propositions qu'il a servi îi vériiier ou à établir.

La chaleur, dit Herscheîl, qu'elle nous vienne du soleil ou des sources terrestres, est produite par des ra\()ns qui sont soumis aux lois de la réflexion et de la réfraction de la lumière. Ces rayons ont des réfrangibilités différentes, ils sont susceptibles d'être arrêtés en certaines prof)ortions par les milieux diaphanes, ils peuvent être diffusés par les surfaces dépolies

Étude du «pectre calorifique. — Comme source de chaleur invisible, Herscheîl employait quelquefois des poêles pleins de feu , mais dont la surface extérieure n était pas portée jusqu'au

564 SHKCTHË CALOiiiFlQU £.

rouge, ou encore des boulets de fer chauffés aussi au-dessous du fM>mt de rincandescenoe.

Mais les plus importantes de ses expériences de chaleur sont celles qui lut ont fait connaître Teiistence et la propriété des rayons calorifiques invisibles qui nous viennent du soleil en même temps que les rayons lumineux ordinaires.

En plaçant un thermomètre sensible dans les différentes régions d*un beau spectre formé avec un prisme de verre bien pur, Herschell reconnut que l'action calorifique , &ible dans le violet, s*accroU rapidement dans la partie la moins réfrangtble du spectre lumineux, et, de plus, il la vit encore se manifester très^nergiquement dans la portion de l'espace qui prolongeait le spectre au delà du rouge. Le spectre calorifique s'étend donc en dehors du spectre lumineux, et c'était même un peu au delà du rouge et dam ce prolongement obscur du spectre solaire que le thermo» mètre éprouvait son maximum d'échauffement.

Dans les expériences d'Herschell , le spectre calorifique obscur avait une étendue peu différente de celle du spectre lumineux; et , dès lors, Il était hien évident que les rayons calorifiques obscurs se distinguent les uns des autres par des différences de réfrangibilité analogues à celles qui les distinguent des rayons lumineux ordinaires.

La chaleur prismatique obscure peut être abondamment concentrée par des lentilles de verre ; seulement, comme la position du maximum de chaleur dans le spectre ne coïncide pas avec celle du maximum de lumière, le point où a lieu la plus grande' concentration de chaleur doit différer un peu du foyer lumineux, et c'est ce qu'Herschell a cherché à vérifier directement.

ComfWMtkm la ohaleur. — Ces rayons de chaleur, qui se distinguent ainsi les uns des autres par leurs différences de réfrangibilité, se distinj,nient aussi par des aptitudes différentes à traverseï divers écriins plus ou moins translucides; ainsi les rayons invisibles, inoins réfrangibles que le rouge, se transmettent abondamment à travers certains verres d'un rouge trèsfoncé, tandis qu'ils sont presque complètement arrêtés par (tos verres bleuâtres.

Les phénomènes d'absorption peuvent donc, comme la réfraction, servir à distinguer entre elles les diverses espèces de chaleur. En appliquant cette méthode, Herschell trouva de grandes difl'crences de natures entre les dillérentes sources de chaleur dont il faisait usa^e; par exemple, un écran de verre blanc arrêtait 0,7o de la chaleur émanée d'un feu peu ardent, et 0,25 seulement de la chaleur solaire.

POU VOirvS ÉMISSIFS.

oG5

Ainsi l'absorption de la chaleur par les lamos demi-transparentes qu'employait Herschell dépendait è la fois et de la nature de la source et de la nature de la lame. On avait déjà remarqué depuis longtemps que la facilité plus ou moins grande avec laquelle les corps opaques s'échauffent sous l'action des rayons solaires dépend de l'état de leur surface, de la nature des enduits dont ils sont revêtus. Mussembrorck, au tome II de son TraïUé de Physique, cite des séries d'expériences faites sur ce point, et d'ailleurs Newton, dans son Optique, avait fait remarquer que « si les corps noirs sont plus aisément échauffés par la lumière que ceux de toute autre couleur, cela t ient à ce que la lumière qui tombe sur ces corps n'est pas réfléchie en dehors, mais qu'elle entre dans ces corps et y est réfléchie et rompue en dedans.

§ 2. — RECilKRCHES DE RUMFORD ET 1>E LKSLIE. — l»OLVOIRS KlilSSIFS, pouvons BéPLECTEVaS.

Vers 4804, Rumford et Leslle établirent par des expériences directes que la nature de la surface des corps n'a pas moins d'influence sur la facilité avec laquelle ils émettent la chaleur que sur celle avec laquelle ils l'absorbent.

iBUttenoe da la Mtvre de la rarfaee «nr l'énuiiMMi. — Bechcf^ dM de Mwmibvd. — Les expériences de Rumford étaient, pour ainsi dire, les réciproques de celles qui avaient établi rînégalité des pouvoirs absorbants des différentes surfaces. Un vaae métallique rempli d'eau chaude était suspendu au milieu d'une chambre k température constante : on suivait la marche décroissante d'un thermomètre plongé au milieu de l'eau, et l'on arrivait ainsi à déterminer la perte de température que le vase subissait en une minute de temps pour un excès déterminé de température ; puis on recommençait l'expérience en changeant seulement l'état de la surface du vase, et l'on constatait que, toutes choses égales d'ailleurs, la vitesse avec laquelle le r^roidissement s'opère dépend de l'état de la surface ; elle est maximum quand la surfoce est noircie, minimum quand elle est métallique.

U résultait clairement de là que les substances noires émettent la chaleur plus aisément que ne le font les surfaces métalliques; mais le procédé de Rumford, bien suffisant pour mettre le fait en évidence, ne pouvait pas servir à comparer rigoureusement les pouvoirs émissifs des corps, parce que les phénomènes dé refroidissement que Rumford observait sont des effets complexes, dépendant à la fois et de la facilité avec laquelle la

POIfTOfRS ÉMISS1VS.

chaleur sort du ror|>- par eniis-ioii directe, et de ia facilité avec laquelle elle pa>se par contact dan- !e>5 couches d'nir plus froides qui viennent sans cesse se renouveler contre leurs surfaces.

Mesure de* pouvoirs émiinfs. — Recherchée de LesKe. —

Les résultats de Leslie ne présentent pas ce genre de complication ; pour étudier l'influence que l'état de la surface des corps exerce sur la facilité avec laquelle ils émettent la chaleur, Leslie prit pour source un vase métallique de forme cubique ^ plein d'eau toujours également chaude, et dont les faces

FIg. 759.

étaient recouvertes de différentes substances (fig. 759), puis, plaçant un thermomètre très-sensible à distance invariable du cube, il fit agir successivement sur lui le rayonnement de chacune des quatre faces, et il reconnut que les'élévations de température produites variaient avec la nature de l'enduit qui recouvrait la face par laquelle se faisait rémission calorifique, et il comparait ces élévations de température. Seulement, comme en ces conditions les effets d*échauffement eussent été très-foîbles, Leslie les accrut dans une forte proportion en plaçant derrière le thermomètre un réflecteur sphérique dans une position telle , que la source et le thermomètre fussent foyers conjui^és par rapport au miroir.

En ces circonstances, la température de Veau du vase et celle de la pièce où se faisait Texpérience restant constantes, Téchauf-*» fement du thermomètre variait beaucoup avec la nature de là face rayonnante ; les quantités de chaleur émises vers le miroir ét ient donc différentes, et Leslie a admis que réchauffement était proportionnel aux quantités de chaleur émises dans le

TUfcRMOMKTRK 0IFFÉREN TlfiL.

ott?

même temps par des eurfaoes égales des corps qui recouvraient la source de chaleur.

Nous reviendrons sur la démonstration de ce principe.

Leelie résuma Tensemble de ses recherches snr rinfiuence des surfoces dans rémission de la chaleur e» un tableau bien connu, et reproduit partout sous le nom de tableau des pomairê émissifs des corps pour la chaleur.

Gomme nous venons de te dire, les nombres qni le composent sont, d*après Leslie , proportionnels aux quantités de chaleur émises normalement par des surfaces planes égales entre elles , de natures différentes, et portées à la température de Teau bouillante. Aucune substance, toutes choses égales d'ailleurs, n'émet plus de chaleur que le noir de fumée. La plupart en émettent moins; on a pour ce motif pris pour unité le pouvoir émissif du noir; et le pouvoir émissif d'un corps quelconque, dans des conditions déterminées, est le rapport entre la quantité de chaleur qu'il émet et celle que le noir émet dans ces mêmes conditions.

TABLEAU DES POUVOIRS BMISSIPS B'APBliS LBSLIB.

N ir fie fiiuéê 1,00

Eau 1,00

Papier à écrire 0,98

Cire à eaehêter 04^5

Ywn 0,90

Encre de Chine OM

aUce 0,85

Minium 0,80

Plonibaorine 0,75

Plomb terne 0,45

Plomb brillaiit 0,19

Fer poli 0,1 S

Étain, ugeat» Cttîvre et

or 0,tî

Thermomètre différentiel. — Lapparpii lliermoSCOpicjUP que

I^slie employait dans ses expériences cLait, non pas un thoniiomètre à mercure ordinaire , mais un thermomètre différentiel

H air qui lui faisiut connaître immédiatement l'excès de la temf>t'rature de la boule focale sur celle de Fenceintc où l'on opérait. Le Ihermométre dinérentiel de Leslie est représenté fi g. 7 (iO.

Il se compose d'un tube capillaire deux fois recourbé, etcommunujuant à ses deux extrémités avec deux boules de i2 à centimètres de diamètre environ, servant de réservoir k air.

Avant de fermer l'appareil on y a introduit de l'acide sulfurique coloré, en quanti (u assez grande pour remplir le tube jusquau milieu des branches verticales, ou a peu j)rès; et l'on peut toujours, quand l'appareil est fermé, faire passer un peu d'air d'une des i>uules dans i autre, de manière ii amener les deux niveaux à \}QU près ii m^me distance du tube horizontal inférieur.

Si Ton chauffe légèrement une des boules, la colonne corres-

TilRRMOMÈTHK DIF PÀRBUTISL.

pondanlc sal>ai.'^, l'autre s'élève, et les oITets sont porportionnels aux (ThaufremcnU«^ produits. SokmU V H V" les volumes dos deux boules,» la section du tube, l la Iou-ih ur do tube primitivement occupée par l'air dans chacune dos eieux branches. / -{- /* et / — h les I on i^ueurs. finales de ces deux colonnes d'air, d la densité de ce fluide à la température 0 et à la pression O.TG; soit enfin p la pression finale dans la boule froide, (l\ le rapport de la densité de l'acide sulfurique à celle du mercure, et ô l'excès de tempérai II !v finale de la boule A sur l autrc. ('onune pendant re.xperiencc il ne passe pas d'air d'une boule dans 1 autre, on

Fig. 760.

peut écrira qu*à la fin de rexpérience la difléraiibe de poids des quantités de ce fluide contenues dans les deux portions de l'appareil conserve la valeur Q qu'elle avait originairement. Ce qui conduit à l'équation suivante :

^ d[Y + (/ ^ h)u] rf[V'4-' iP^iM'i

On en déduit, en né^rliiTeant dans le second membre la différence qui existe entre V et Y',

^ est la différence de volume des deux boules, elle est trés^ petite par rapport ii V, et il en est de même des quantités qui ont

POU?OIR« RÉFLR€TBUR8.

tù en facteur dans le second membre. Si on néglige ces quantités très-petites, l'équation se réduit à

p Tr 9 Vid' ^ ÔJ6 1 -f "~ 0,76

OU simplement

ce qui est la proposition.

laflucfioe de la direction de rémÎMion wmt 9om mtenntéi Lambert, LeiHe. — Leslie chercha à appliquer à la solution d*aiitres questions le procédé de mesure quMI avait imaginé. — Ainsi, il chercha à prouver expérimentalement que, conformément aux idées de Lambert, la section droite ou une section oblique quelconque d'un cylindre émettent à même temps une même quantité absolue de chaleur dans une direction parallèle aux génératrices. Pour y arriver il plaçait entre le cube chaud et le réflecteur deux écrans percés d'ouvertures égales-, carrées ou circulaires, ayant leur centre sur Taxe du miroir^ et de dimensions notablement moindres que celles du cube. Puis, faisant rayonner le cube vers le miroir, à travers ces deux ouvert tores, il constatait que Teflét thermométrique produit était indépendant de Tangle dont il inclinait le cube sur la direction des rayons.

9owwmwB rèfleotem. — Le pouvoir réflecteur absolu d'un corps pour un faisceau calorifique donné de nature et de direction est le rapport qui existe entre Tintensité de la portion de ce faisceau qui se réfléchit régulièrement sur ce corps et l'intensité de la chaleur incidente totale. Leslie cherelia a comparer ces pouvoirs dans différents corps. Dans ce but, à Taide d'une source convenable et d'un réflecteur sphérique, il formait comme à l'ordinaire un faisceau calorifique convergent d'une intensité constante et assez grande pour que les observations fussent possibles. Puis, en avant du point de concours et toujours dans la même position , il plaçait successivement diflérents miroirs plans , qui tous rejetaient le faisceau au même point, sur la boule du thermomètre focal. Ici les variations des efiéts produits dépendaient des différences qui existaient entre les pouvoirs réflecteurs des différents miroirs. Leslie admit qu'il y avait proportionnalité entre ces pouvoirs et les excès slationnaires de température ; et, comme résultats de ses recherches, il donna les valeurs numériques des rapports qui existent entre les pouvoirs réflecteurs de différents miroirs, et celui du cuivre jaune pris pour unité.