VI. Comment la machine à vapeur produit du travail

Sur la grille de la chaudière brûle le charbon : 3S atomes s'unissent à ceux de l'oxygène atmophérique et il y a une dépense d'énergie, sous forme e chaleur. Une partie de cette chaleur est gagnée ar les corps environnants, par les parois du foyer, ar les gaz qui sortent de la cheminée, etc. ; elle 5t perdue pour la machine et tous les efforts des igénieurs tendent à la diminuer le plus possible, e reste de cette énergie passe dans l'eau de la haudière. Elle y est employée à échauffer et à va-

poriser Peau. La meilleure chaudière est celle qu prend au foyer la plus grande quantité d'énergie Son rendement est le rapport de cette quantité à 1; quantité totale d'énergie développée par le com buslible; elle se traduit pour l'industriel par 1( poids de la vapeur d'eau produite par kilogramnK de charbon brûlé.

Suivons cette vapeur dans la machine. En Ira versani le cylindre et poussant le piston, l'énergie de la vapeur se transmet en partie aux outils pai l'intermédiaire des organes mécaniques, tige, balancier, bielle, manivelle, etc., en partie aussi aux pièces qui soutiennent les organes et dirigent leurs mouvements, en partie enfin au condenseur et aux corps environnants sous forme de chaleur.

De la transmission de la première partie résullc le travail utile; de la transmission de la seconde résultent les trépidations, les chocs, les frottements. La meilleure machine est celle où cette portion est la plus petite. Son rendement est le rapport de la première partie à la somme des deux premières. L'indicateur de Watt sert à mesurer cette somme ; le frein donne l'énergie utilisée.

Enfin la troisième partie, celle qui est transmise sous forme de chaleur n'est d'aucune utilité pour le fonctionnement des outils ; mais on ne peut l'éviter et tous le? efforts tendent à la rendre la plus faible possible. Nos connaissances exactes sur ce point ne datent que d'hier. La théorie mécanique de la chaleur démontre que dans une machine à vapeur à

LA CIÏALEUR 91

10 atmosphères, l'énergie ainsi perdue ne peut ôtre inférieure aux | de Ténergie totale gagnée par la vapeur dans la chaudière, et elle permet de calculer ce genre de perte, quelle que soit la pression. La perte diminue, quand la pression augmente, mais sans jamais s'annuler ; au dessus de 20 atmosphères, elle est encore supérieure à |.

La machine à vapeur est donc loin de convertir en travail toute la chaleur qu'elle dépense. Elle fonctionne toujours plus ou moins comme un calorifère, transportant l'énergie sous forme de chaleur, sans la convertir en travail utilisable. A ce point de vue, la meilleure machine serait celle qui convertirait en travail la plus grande quantité de chaleur , de manière que le rapport de l'énergie transmise aux outils à l'énergie gagnée par la vapeur dans la chaudière fût maximum. Ce rapport, qu'on peut appeler coefficient économique théorique, se traduit par le travail utile que peut produire la machine par kilogramme d'eau vaporisée.

En tenant compte de la perte d'énergie qui s'opère dans le foyer, on peut calculer le rapport de l'énergie réellement utilisée, à l'énergie totale dépensée sur la grille, et il constitue le coefficient économique pratique. Il se traduit pour Tindustriel par le travail utile que produit la machine par kilogramme de charbon consommé. C'est ainsi qu'une machine à vapeur qui consomme 2 kilogrammes de charbon par heure pour produire 270000 kilogrammètres (machine d'un cheval-

\apeur), n'utilise que ^\de Ténergie que représente la combustion.

Nous voyons ainsi que l'atmosphère, le charbon, l'eau, les organes de transmission, les outils, les corps environnants prennent part aux opérations qui s'accomplissent dans la machine à vapeur. Une certaine quantité d'énergie paèse du ' charbon à toutes les autres parties du système, et quand on considère tous ces corps dans leur ensemble, Ténergie totale reste constante : mais il y a eu des transformations d'énergie, et de la chaleur a été flnalement convertie en travail. Comme cette chaleur provient du travail moléculaire dépensé dans la combustion, on peut dire que ce travail a été converti en partie en chaleur, en partie en travail visible, et que la puissance de la machine dérive réellement de l'attraction mutuelle du charbon cl de l'oxygène.

Cette rapide esquisse montre bien l'usage qu'on peut faire des lois que nous avons formulées jusqu'à présent, sans qu'on ait besoin de recourir à aucune hypothèse sur la nature de la chaleur.

vu. Caractéies de l'action calorifique. — Le rayonnement.

Nous pouvons déduire de l'étude précédente un premier caractère de l'action calorifique qui s'exerce entre deux corps. L'intensité de la chaleur peut varier entre des limites très-étendues dans chacun

des corps, et elle tend à s'équilibrer entre eux.

Continuons l'étude de cette action, et nous reconnaîtrons à de nouveaux caractères, combien elle diffère de l'attraction.

Disposons sur une même ligne droite trois corps A, B, C, et supposons que A soit une source de chaleur, que B et C soient à la même température inférieure à celle de la source.

Si le corps B est recouvert de certaines substances, telles que le noir de fumée, la source n'agit pas sur le corps C ; celui-ci ne peut s'échauffer qu'après le corps B, par son action directe, dès qu'il existe entre B et C une différence de température. Si le corps B est un morceau de glace, noirci à sa surface, il commence par fondre, sous l'influence de la source, sans que sa température s'élève ; elle reste zéro, et comme par hypothèse C est aussi à zéro, aucuneiiihaleur n'arrive jusqu'à lui. Il semble que le corps B soit un écran qui cache la source au corps C.

Mais si le morceau de glace n'est pas noirci» les choses se passent bien différemment.

La source agit directement sur le corps C à travers la glace ; son action est donc transmissible à travers certaines substances.

Taillons le corps B, de manière qu'il ait une face plane, bien polie, du côté de la source. On pourra trouver une position, du même côté, où le corps C recevra encore l'action de la source, mais cette fois ce sera par une réflexion sur la face polie.

M LES FORCES PKÏSIQCES

Pour préciser les circonstances de ce phénomène, nous avons besoin d'une expérience, disposée con- \enaLletnenl.

Nous prendrons pour la source de chaleur A un

i; Ib —Appareil de Melloni.

vase de métal, de forme cubique (fig, 15), contenant de l'eau. Une lampe à alcool, placée au-desaous du cube et cachée aux corps B et C par un écrao de métal, maintient cette eau en ébullition, àU lerapéiaturc constante de 100".

Le corps B sera un bloc de sel gemme ayant deux faces paraUètcs, parfaitement (wlics, placé de sorie

ue Tune des faces soit tournée vers la source A, t l'autre vers le corps G. Ce bloc de sel va se comorter comme le morceau de glace ; son emploi end l'expérience plus facile.

Enfin le corps G sera la pile thermo-électrique, yant une face tournée vers le bloc de sel gemme. ous savons que l'introduction de la chaleur dans 3lte pile est révélée instantanément par la déviaon de l'aiguille du galvanomètre.

Un écran de métal D complétera l'appareil. En le lettant entre la source et lia plaque de sel, on sup- 'îmera l'action de la source ; la plaque de sel et

pile prendront la température ordinaire, et Tailille du galvanomètre occupera une position dérminée. L'expérience est ainsi préparée. Voici aintenant ce qu'on observe.

On supprime l'écran D; instantanément Taiguillc l déviée ; la source agit donc sur la pile à travers

bloc de sel. Gette action est presque aussi intense le.si le sel n'existait pas. Gar lorsque l'aiguille a teint une déviation fixe, si on enlève le sel Tailîlle est très-faiblement déplacée, indiquant que ichauffement de la pile augmente légèrement.

3ilà la transmission de la chaleur démontrée.

On remet l'écran D ; la pile revient à la tempeiture ordinaire, et l'aiguille reprend sa position rimitive. On place ensuite la pile du côté de la mrce, de manière qu'elle regarde la même face j sel que la source, et on règle convenablement { position, suivant une loi connue. On enlève Té-

cran D ; immédiatement l'aiguille du galvanomèlre est déviée, mais moins loin que dans la première observation. L'action delà source sur la pile s'exerce donc par l'intermédiaire du sel, elle est réfléchie.

On comprendra sans peine qu'il soit possible de mesurer à l'aide de l'appareil précédent la chaleur que le corps B reçoit de la source, celle qu'il transmert, celle qu'il réfléchit, enfin celle qu'il conserve, et de vérifier que la première de ces quantités est égale à la somme des trois autres ; ce qui est une conséquence du principe de la conservation de l'énergie.

Ainsi se trouve démontré un caractère remarquable de l'action calorifique. Elle peut s'exercer entre deux corps, soit à travers l'épaisseur d'un troisième, par transmission, soit par réflexion à la surface de ce troisième corps.

On appelle rayonnement ce mode d'action mutuelle entre deux corps qui n'ont pas la même température, et on dit que le plus chaud des deux corps rayonne de la chaleur vers l'autre. Comme on peut supprimer le rayonnement en interposant un écran entre les deux corps, sur la droite qui les joint, on conclut que l'action calorifique s'exerce suivant cette droite, et on appelle rayon de chaleur toute droite qui va d'un corps à l'autre, lorsqu'elle est libre de tout écran qui arrête l'action.

Lorsque les parties d'un même corps ne sont pas à la même température, et qu'aucune influence extérieure n'intervient, elles échangent de la chaleur,

comme le feraient deux corps séparés, et bientôt là température est la même dans toute l'étendue du corps. Ce phénomène porte le nom de conductibilité. n est aisé de le rattacher au rayonnement de la chaleur, en considérant que les molécules doivent agir les unes sur les autres, comme le font deux

Fig. 16. — Réflexion d'une bille élastique sur un plan incliné.

corps, et rayonner la clialeur dans les intervalles qui les séparent. La conductibilité est donc due au rayonnement moléculaire, ou intérieur, et ses effets peuvent s'expliquer d'après les lois du rayonnement extérieur.

Une observation attentive de la transmission et de la réflexion de la chaleur a fait découvrir de nombreuses et remarquables analogies entre ces

phénomènes et la propagation du mouvement dans une suite de corps. Aussi la connaissance de cette propagation est-elle très-utile pour l'intelligence des lois du rayonnement. Nous ne citerons en ce moment que quelques exemples, choisis parmi les plus simples , nous proposant de revenir à cette question lorsque nous aurons étudié la lumière.

Lorsqu'une bille tombe sur un plan d'acier poli incliné à 45*" sur l'horizon (fig. 16), elle rebondit suivant une direction horizontale et, soit avant, soit après le choc, elle se trouve toujours dans un même plan perpendiculaire au plan de marbre. Sans Faction de la pesanteur, elle se mouvrait uniformément en ligne droile, et tracerait dans l'espace un rayon réfléchi^ tandis qu'en tombant elle traçait le rayon incident. On démontre que cet effet est une conséquence des règles connues de la mécanique. Mais la pesanteur fait décrire à la bille une courbe parabolique après la réflexion ; il est aisé de reconnaître que cette ligne courbe résulte de la loi de la réflexion, telle que nous l'avons formulée, et des lois de la pesanteur.

Plaçons une source de chaleur au-dessus du plan d'acier, à la place qu'occupait la bille avant sa chute ; nous verrons que la chaleur est réfléchie comme la bille; car le thermomètre ne s'échauffera que s'il est mis dans la direction de l'impulsion que le choc avait donnée à cette bille.

C'est par la même loi qu on explique l'expérience des miroirs conjugués (lig. 17). Deux miroirs sphé-

riques de cuivre, polis intérieurement, sont disposés de telle sorte que leurs centres de figure et leurs centres de courbure se trouvent sur une même ligne droite. Une grille pleine de charbons incandescents est placée sur cette droite, près de l'un des miroirs, à égale distance de son centre de figure

Fig. 17. — Miroirs coiyugués.

et de son centre de courbure. Un morceau d'amadou ou de fulmicoton est placé suivant la môme règle près de l'autre miroir, et un écran est interposé entre les deux miroirs. Cet écran arrête les rayons de chaleur que les charbons envoient à l'amadou. Dès qu'on l'enlève, ces rayons agl^^^wV^VVi

lUO 1.KS FORCES PHYSIQUES

combustible prend feu. Si l'espérience n'est pas exactement préparée comme nous l'avons dit, elle ne réussit pas. En effet, tes rayons de chaleur partis du charbon, puis réfléchis par le mirov-O vont tomber sur le second miroir , subis seconde réflexion qui les concentre au XQèj el c'est en ce point seul que le combustibled placé, pour qu'il reçoive toute la chaleur r

Otons maintenant les charbons, et mettons à te place une montre ; puis appliquons l'oreille à i

place qu'occupait précédemment l'amadou, nous entendrons distinctement le bruit de cette montre, tandis que partout ailleurs nous ne l'entendons pas. Le son se propage donc par réflexion commf laclialeur (fîg. 18).

L'analogie se présenle aussi dans la transmission. Tout le monde sait qu'une balle renconlraul obliquement la surface de l'eau est déviée de sa direction. On dit que le mouvement est réfracté. \t