IV. L'attraction moléculaire dans Teau. — La chaleur de

combinaison.

Ce principe établit un lien remarquable entre les phénomènes les plus dissemblables en apparence; il resserre encore le lien qui existe entre la gravitation et l'attraction moléculaire.

Considérons, en effet, 1 kilogramme d'eau, et suivons les diverses transformations qu'il peut subir.

A l'état àe glace à la température zéro, il exige 79 calories pour fondre; cette chaleur disparait .dans l'opération, et un travail moléculaire équivalent est produit, si l'on suppose qu'il n'y ait pas de résistance extérieure faisant obstacle au changement àe volume qui résulle. du changement de position des molécules. Ce travail est le même que celui de 1 kilogramme élevé à une hauteur de 33575 mètres.

A l'état de liquide à 100**, notre kilogramme d'eau exige 536 calories pour se réduire en vapeur sous la pression d'une atmosphère. C'est ce qui aurait lieu si on renfermait l'eau dans une enveloppe ifl)perméable, flexible comme une vessie, et suÂisaniment grande. Cette enveloppe, ne contenant que l'eau d'abord liquide et étant parfaitement close, serait d'abord réduite au volume d'un litre parla pression de l'atmosphère ; puis, à mesure que la vapeur se produirait , l'enveloppe se gonflerait et finirait par atteindre un volume 1700 fois plus

grand. La pression de la vapeur serait toujours égale à celle de l'atmosphère pendant le gonflement.

Quels sont les travaux produits? Il y a d'abord Técartement des molécules, représentant un travail moléculaire analogue à celui de la fusion ; mais il y a, en outre, le travail de la résistance de l'atmosphère, qui est graduellement surmontée. Ces deux travaux sont distingués par les épithètes intérieur^ donnée au premier, et extérieur, donnée au second : il est aisé de les calculer.

Le travail extérieur est celui de 1 kilogramme élevé à 17568 mètres de haufeur; on le calcule d'après la règle donnée précédemment, en multipliant l'accroissement du volume par la pression de l'atmosphère sur l'unité de surface. On connaît ensuite le travail total qui équivaut à 536 calories : c'est celui d'un kilogramme élevé à Ténorme hauteur de 227800 mètres.

D'après notre principe, les 5Jî6 calories ont disparu dans l'opération et ont été converties en travail mesuré par le nombre précédent. Sur celte quantité de travail, 17568 kilogrammètres représentent le travail extérieur, et la différence 210252 mesure le travail intérieur. Ainsi, le travail moléculaire, dans la vaporisation de l'eau à 100% est celui de 1 kilogramme élevé à 210252 mètres; il est environ 12 fois le travail extérieur.

Inversement, 1 kilogrammede vapeurqui se liquéfie dans les mêmes circonstances produit autant de chaleur que la chute de 1 kilogramme tombant swv

la terre d'une hauteur de 227800 mètres ; et la congélation de 1 kilogramme d'eau à zéro équivaut à une chute de 55575 mètres. Finalement, les deux opér alions réunies équivalent à une chule de plus de 261 kilomètres. Une pierre pesant 1 kilogramme qui tomberait du sommet du mont Blanc ne produirait qu'un effet 70 fois moindre.

La puissance de l'attraction moléculaire est encore plus grande dans les actions chimiques.

Pour obtenir 1 kilogramme d'eau, il faut combiner m grammes d'hydrogène et 889 grammes d'oxygène environ. Pendant la combinaison, les atomes de ces substances se précipitent les uns contre les autres, et de leur collision résulte la création de 5800 calories. Cette quantité de chaleur équivaut à la chute de 1 kilogramme de la hauteur de 1600 kilomètres (400 lieues environ). Si l'on considère combien est petite la masse d'un atome, on voit combien doit être énorme la vitesse qu'il perd, quand la combinaison s'opère. Aussi la chaleur créée est-elle assez intense pour qu'il y ait production de lumière.

Lorsque des collisions semblables à celles que nous venons de décrire s'accomplissent et se succèdent dans une portion de l'espace, cette portion est une source de chaleur; elle devient source de lumib'e^ quand la vivacité de la collision est suffisamment grande. C'est ainsi que la flamme de l'hydrogène, dans rexpérience de lalmnpe philosophique (fig. 44), est le lieu d'une collision entre les atomes de l'hydro-

rêne qui sort du flacon et ceux de l'oxygène almophérique. L'eau qui résulte de celte collision s'élève lans l'air, à l'état de vapeur invisible, et s'y môle mesure qu'elle se produit; la réaction du zinc, e l'eau, de l'acide sulfurique que renferme le fla- on, renouvelle sans cesse l'hydrogène; il avive la

Lampe [ihilosoplùque

iamme, s'y transforme en eau, de sorte que k colision est incessamment renouvelée à la même ilace. C'est à cette place que nous voyons la lueur 'ue iious appelons flamme. Les atomes sont tou- >urs forlement chauffés, lorsqu'ils s'y trouvent, uis ils s'élèvent, se refroidissent et sont remplacés

84 LES FORCES PUYSIQtJES

par d'autres atomes qui se comportent comme eux.

Notre principe s'applique encore à la décomposition chimique, qui est une opération inverse de Ja combinaison. Les atomes dissemblables sont alors séparés les uns des autres ; leur attraction mutuelle joue le rôle d'une résistance, qui est surmontée par une puissance extérieure, et par suite leur séparation est Taccomplissement d'un travail résistant.

Nous avons dit que la chaleur était capable de dissocier Teau, de la décomposer. En vertu de notre principe, il y a disparition d'une- quantité de chaleur équivalente au travail de séparation des atomes d'oxygène et d'hydrogène, et de même que dans la formation de 1 kilogramme d'eau 3800 calories apparaissent, de même dans la décomposition de ce poids d'eau 3800 calories disparaissent.. L'opération équivaut à l'élévation de 1 kilogramme à 400 lieues de hauteur .

On peut faire des calculs analogues aux précédents pour tous les corps composés. Il y a pour chacun d eux une chaleur de combinaison et un Irflvail moléculaire qui lui sont propres.

Les développements que nous avons donnés jusqu'ici, ont pour objet d'établir une relation précise entre la gravitation, l'attraction moléculaire et b chaleur. Mais il n'est pas question de la nature des causes qui déterminent les phénomènes. Le mol chaleur désigne simplement un certain cHet, me-

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surablc à l'aide d'une unité arbitraire, la calorie. Il n'y a pas d'autres considérations à' introduire en physique, lorsqu'on cherche seulement les lois numériques des phénomènes, et leur enchaînement. Lorsque nous disons, sur 100 calories employées par un corps, 10 sont conservées dans le corps (chaleur sensible), 20 ont été converties en travail extérieur, le reste a été converti en travail intérieur, nous exprimons un fait d'expérience, résultat direct ou indirect des observations ; nous ne \oulons pas figurer cette chaleur, lui assigner une forme, une manière d'ôlre déterminée. Son essence est tout à fait en dehors de la question.

Tel est le caractère fondamental de la Théorie mécanique de la chaleur^ caractère qui appartient aussi à la théorie de la gravitation. Le principe de l'équivalence de la chaleur et du travail est l'expression d'une vérité physique, comme le principe de l'attraction newtonienne, et on s'en sert pour enchaîner les phénomènes du même ordre, sans . chercher à se figurer aucun agent particulier.

Nous continuerons notre exploration, en suivant la même mélhode, et évitant toute hypothèse sur la nature de la chaleur. Nous montrerons en quoi seâ effets différent de ceux de l'altraction.

• * V. Conservation de l'énergie.

Imaginons deux corps séparés de tous les autres corps de l'univers ; s'ils n'ont pas la même température, ils agissent l'un sur l'autre, sans qu'il résulte de celte action mutuelle aucun mouvement visible. Le corps dont la température est la plus élevée perd de la chaleur ; l'autre en gagne une quantité égale, et alors l'action mutuelle cesse; les deux corps sont à la même température. Cette tendance à l'équilibre est caractéristique, et jusqu'à ce que la chaleur soit équilibrée entre les corps, certaines modifications corrélatives s'accomplissent dans leur intérieur.

Nous connaissons déjà quelques-unes de ces modifications. Dans le corps qui se refroidit, les molécules obéissent à leur attraction mutuelle, et le travail qu'elles dépensent est converti en chaleur. De plus, si le corps se contracte par l'effet du déplacement des molécules, comme cela a lieu le plus souvent, et s'il est soumis à une pression sur sa surface, par exemple à celle de l'atmosphère, il y a un travail extérieur dépensé, qui est aussi converti en chaleur. La chaleur provenant de ces deux origines, et une certaine quantité de chaleur qui existait antéi'ieuromcnt dans le corps l'abandonnent.

Dans le corps qui s'échauffe, les modifications sont inverses. Les molécules sont déplacées en sens contraire de leur attraction mutuelle, de sorte qu'il

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y a un travail intérieur produit, et une quantité de chaleur équivalente anéantie. En outre, si le déplacement moléculaire donne lieu à une dilatation, et si le corps supporte une pression extérieure, telle que celle de l'atmosphère, il y a' un travail extérieur produit, auquel correspond la disparition d une seconde quantité de chaleur. Enfin, la chaleur contenue dans le corps, et que nous avons appelée chaleur sensible, augmente. La somme de ces trois quantités de chaleur est précisément égale à la chaleur totale qui a abandonné le premier corps, lorsque l'équilibre de température est atteint.

l^a chaleur créée par le corps et la chaleur sensible qu'il a perdue, se retrouvent donc finalement dans le second, en partie à l'état de chaleur sensible, en partie sous forme de travail mécanique. Si nous recourons à une expression, qui désigne aussi bien la chaleur que le travail, l'action mutuelle des deux corps peut être formulée très-simplement.

Nous appellerons désormais énergie^ une quantité de chaleur, ou une quantité de travail, et si nous voulions représenter en nombres une quantité d'énergie, nous n'aurions qu'à multiplier le nombre de calories qui mesure la chaleur par 425, et à évaluer le travail en kilogrammètres, comme précédemment; l'unité d'énergie serait alors le kilogrammètre.

Voici maintenant un moyen de formuler l'action mutuelle de deux corps à des températures diffé-

renies. V énergie du corps chaud diminue graduellement, et celle du corps froid augmente de la même quantité, jusqu'à ce que les corps aient atteint la même température.

Par conséquent, V énergie totale du système des deux corps ne change pas. Tel est le principe de la conservation de l'énergie, qui unit par un lien mathématique les modifications calorifiques des corps, et celles qui ont pour cause l'attraction.

Nous avons pris pour exemple deux corps seulement. On conçoit que ce cas soit irréalisable dans la nature. Tous les corps de l'univers agissent les uns sur les autres, et il est probable que ces actions s'opposent à ce qu'ils puissent atteindre la même température. Une admirable harmonie règle toutes ces actions, et chacune des lois que nous formulons n'est qu'une subdivision de la loi universelle qui échappe à l'investigation humaine. Aussi ne devons-nous pas tirer de ces lois des conséquences relatives à Tunivers, sans la plus grande prudence. Les lois connues doivent se combiner avec tant d'autres que nous ne soupçonnons môme pas, qu'on s'exposerait aux plus grandes erreurs en voulant résoudre à l'aide de ces lois seules des problèmes tels que celui de l'avenir des corps célestes. Quelques-unes de nos lois physiques peuvent avoir pour conséquence l'égalité de température de tous les corps, c'est-à-dire un repos effrayant pour notre imagination, sans que cette conséquence, appuyée sur un trop petit nombre de données, ait la moindre

robabilité. Elle n'est ni une conjecture, ni une ypothèse; c'est simplement un jeu de Tesprit, i solution d'un problème semblable aux mille roblèmes que pose le mathématicien.

Certains phénomènes naturels peuvent présenter es circonstances telles que la loi de la conservaon de l'énergie s'applique à la chaleur et au traail avec une approximation suffisante. Cela résulte e ce que certaines circonstances sont prépondé- 3mtes, et que les autres sont négligeables. C'est lors que cette loi présente une très-grande utilité, uisqu^elle peut suffire à l'explication et à l'interrétation numérique du phénomène; on en fait sage fréquemment dans la théorie de la chaleur.

Pour donner un exemple de l'application de cette )i, nous prendrons la machine à vapeur.