I. Origine mécanique de la chaleur

Lorsqu'un corps tombe sur le sol et ne rebondit pas, il subit une modification que nous caractérisons par le mot échauffement dans* le langage ordinaire, par le mot élévation de température dans le langage scientifique. Le premier motestrindîcation d'une sensation particulière que nous éprouvons en touchant le corps ; le second représente un effet purement physique auquel le sens du toucher ne concourt pas. Voici quel est cet effet : un thermomètre étant mis en contact avec le corps, on voit le çiercure monter dans la tige de l'instrument ; on compte le nombre des divisions de l'échelle que le sommet de la colonne a parcourues, et ce noYnbre mesure V élévation de la température.

Nous avons dit précédemment qu'une balle de plomb serait ainsi portée à la température de l'eau bouillante, qui correspond à 100** du thermomètre centigrade, si elle tombait d'une hauteur de 1275 mètres. Si elle tombait d'une Hauteur supérieure à 4300 mètres, à peu près la hauteur du mont Blanc, elle fondrait. Semblablement, une balle de fer qui tomberait d'une hauteur de 48 kilomètres environ serait portée à 1000°, et, par conséquent, serait chauffée au rouge et paraîtrait incandescente après le choc; elle serait donc à la fois chaude et lumineuse. On obtiendrait le même effet en donnant à la balle, par un moyen quelconque, une vitesse de 974 mètres, et l'arrêtant subitement par un obstacle non élastique.

Ces résultats sont indépendants de la masse du corps, et, par conséquent, une molécule de fer qui perdrait subitement, dans une circonstance quelconque, une vitesse de 974 mètres, atteindrait la température de lOOG*" et deviendrait lumineuse.

L'attraction moléculaire est capable d'imprimer de telles vitesses aux particules des corps , et quand ces vitesses sont détruites, sans que le travail moteur qu'elles représentent soit transmis à 4'autres corps, il y a création de chaleur et de lumière.

II. Équivalence de la chaleur et du travail mécanique. — En quoi

consiste le frottement.

Ces exemples font comprendre comment une même loi règle la production de la chaleur et de la lumière par le choc et par les actions moléculaires. Quelques notions préliminaires aous permettront de comprendre cette loi, qui est peut-être la plus grande découverte de la physique moderne, et qui sert de base à la théorie mécanique de la chaleur.

On a vu dans le chapitre ii qu'un Corps peut perdre sa vitesse en la transmettant en quelque sorte à un autre corps, de^ sorte que le travail résistant de ce dernier soit égal au travail moteur du premier. On peut dire que le corps qui perd de la vitesse perd du travail^ et que celui qui gagne de la vitesse gagne du travail. L'effet est mesuré par le travail, suivant les règles de la ihécanique, et cette quantité s'évalue en kilogrammètres^ En se plaçant à un autre point de vue, on dit encore que le corps dépense du travail en perdant de la vitesse, et produit du travail en donnant de la vitesse à un autre corps. Enfin, la transmission du travail d*un corps à un autre désigne l'opération prise dans son ensemble, sans qu'on ait à se figurer le détail do l'opération.

* Voyez page 26.

Lorsque le travail transmis est plus petit que le travail dépensé, on dit qu'il y a perte de travail. C'est alors que la chaleur peut apparaître.

Le mot chaleur désigne ici un certain effet mesurable, sans qu'on ait à s'occuper de la cause ou force qui le produit. Un corps qui s'échauffe gagne de la chaleur, ce qui signifie qu'il acquiert une certaine activité ou énergie qui le rend apte à cerlains phénomènes. Prenons 1 kilogramme d'eau à la température zéro, c'est-à-dire dans un état défini par le thermomètre, et chauffons-le jusqu'à ce qu'il ait la température de 1° ; la quantité de chaleur donnée à cette eau est ainsi parfaitement définie ; nous la prenons pour unité, et nous l'appelons calorie. Cette quantité, répétée plusieurs fois, donnera une quantité de chaleur plus grande, qui sera mesurée par un certain nombre de calories. On apprend en physique à mesurer ainsi les quantités de chaleur.

On comprendra dès lors le sens des expressions suivantes. Un kilogramme de plomb est porté de la température zéro à la température de 100% quand on lui donne 3 calories ; il est porté à 200** environ, quand on lui donne 6 calories.

Nous pouvons maintenant énoncer le principe fondamental de la théorie mécanique de la chaleur.

Lorsqu'un corps perd de lavitesse, sans produire un travail égal au travail dépensé, et qu'il crée de la chaleur, le travail anéanti est proportionnel à la quantité de chaleur créée.

LES l'UlICES iinsiniEs

Expliquons ce((c loi sur un exemple.

rait de 1275 kilogrammètres pour 3 calories créées. Divivisons 1275 par 5, et nous aurons le travail qui correspondrait à 1 calorie. Nous trouvons 425 : ce serait la mesure du travail qui est anéanti, lorsque le corps crée 1 calorie.

L'expérience n'a pas été faite dans les conditions où nous nous sommes placés pour donner un exemple; mais un gi^and nombre d'observations nous apprennent que, si on la tentait, les choses se passeraient comme nous l'avons dit. Les observations faites sur une aussi grande échelle ne sont pas d'ailleurs susceptibles d'une précision suflîsante, et les physiciens ont imaginé d'autres méthodes dont Fexaclitude ne laisse rien à désirer, et qui résolvent parfaitement la question. Je me contenterai d'indiquer une manière d'opérer qui se prêle particulièrement à la démonstration, à cause de sa simplicité.

On dispose à une- hauteur de 3 ou 4 mètres un vase qui contient du mercure et qui est fermé par un robinet, muni d'un levier, afin qu'on puisse aisément l'ouvrir et le fermer sans s'élever à celte hauteur. Sur la même verticale, au-dessous de ce vase, on place un second vase de fer mince (fig. 13)^ et contenant aussi du mercure. On établit un circuit thermo-électrique, à l'aide de deux soudures plongeant respectivement dans le mercure de chacun des vases et d'un galvanomètre. On s'assure d'abord par la position de l'aiguille du galvanomètre de l'égalité de température de ces deux vases.

et on l'établit si elle n'a pas lieu. Puis on ouvre le robinet ; le mercure tombe dans le vase inférieur, et y perd la vitesse qu'il avait acquise pendant la chute, sans produire aucun travail appréciable. Immédiatement l'aiguille du galvanomètre entre en mouvement et indique que le vase inférieur s'échauffe graduellement. On conçoit qu'il soit possible de mesurer l'élévation de la température, et d'en déduire suivant les règles de la physique le nombre de calories créées. Quant au travail anéanti, on l'obtient en multipliant le poids du mercure tombé par la hauteur de chute.

11 y a un grand nombre de circonstances autres que le choc dans lesquelles un corps en mouvement peut perdre de la vitesse et créer de la chaleur ; je citefai le frottement, qui peut produire beaucoup de chaleur et de lumière, dont nous avons journellement des exemples très-frappants i 11 y a longtemps qu'on avait observé que le frottement est accompagné d'une perte de travail. Dans toutes les machines destinées à transmettre le travail, il y a des pièces qui se touchent en se mouvant avec des vitesses différentes : ainsi les tourillons des roues tournent dans des coussinets qui sont habituellement fixes. Toujours le travail moteur surpasse le travail résistant effectivement recueilli. Par exemple, avec un treuil, le travail qui correspond à la descente du poids moteur est toujours supérieur au travail qui correspond à l'élévation du fardeau. Aussi il serait impossible que le fardeau agissant

;omme puissance redescexidît à son point de départ, m relevant le poids moteur, devenu résistance, à sa position primitive. C'est en cela que consiste L'impossibilité du mouvement perpétuel,

. On disait que le frottement consommait du travail, et que le travail moteur se transformait en partie en travail résistant utile, en partie en travail de frottement. On arrivait ainsi à envisager le frottement comme l'effet d'une force particulière, qu'on appelait résistance passive. Une observation plus attentive des phénomènes du frottement a fait rejeter l'introduction de ce genre de force dans la science. On peut bien trouver dans r.usure des corps frottants une partie du travail perdu; car cette usure est l'arrachement des particules des corps, et l'attraction moléculaire a été surmontée, comme une résistance ; il y a donc réellement dans cette opération un certain travail, produit, mesurable en kilogrammètres. Ce travail est relativement peu considérable, et il n'atteint pas la valeur de tout le travail anéanti. Mais il y a une production de chaleur qui est proportionnelle à la perte de travail, comme Font montré en 1857 les expériences de M. G. A. Hirn, et celte proportionnalité n'est plus contestée aujourd'hui. Il y a donc entre le travail perdu et la chaleur créée un rapport de cause à effets et l'expression la plus simple du fait observé est la conversion du travail en chaleur.