THÉORIE DU REGEL. — THÉORIE DE FARADAY

Théorie du regel. — Je vais maintenant vous parler d’une tentative que l’on a faite, il y a quelques années, pour concilier la fragilité de la glace avec son mouvement dans les glaciers. Elle est fondée sur l’observation, faite par Faraday en 1850, que, quand deux morceaux de glace fondante sont mis en contact, ils se soudent ensemble au point de contact.

Ce fait ne vous surprend peut être pas; mais il surprit Faraday et d’autres aussi, et des hommes fort distingués dans les sciences ne se sont pas accordés sur l’explication de ce fait. Le point difficile est d’expliquer oü et comment, dans de la glace déjà fondante, se produit le froid nécessaire pour geler la pellicule d’eau qui sépare les deux surfaces rapprochées.

Le mot de regel a été proposé par le D r Hooker pour exprimer le soudage de deux morceaux de glace fondante observé par Faraday; et le mémoire dans lequel ce terme fut empli yé pour la première fois, a été publié par MM. Huxley et Tyndall dans les Transactions philosophiques de 1857.

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Voici comment l’on peut démontrer le fait du regel et son application, quelle que soit la cause de ce phénomène : — sciez deux plaques d’un bloc de glace, et mettez en contact leurs surfaces planes; elles se souderont immédiatement ensemble. Deux plaques de glace, posées l’une sur l’autre, et que l’on laisse pendant une nuit enveloppées de laine, sont quelquefois si solidement soudées l'une à l’autre le lendemain, qu’elles casseront plutôt partout ailleurs que sur la surface de jonction. Si vous entrez dans une des cavernes de glace de la Suisse, vous n’avez qu’à appuyer pendant un instant une plaque de glace contre la paroi supérieure de la caverne, pour en déterminer l’adhérence complète à cette paroi.

Mettez dans un bassin d’eau plusieurs fragments de glace, et rapprochez-les de manière qu’ils se touchent; ils se soudent ensemble aux points de contact. Vous pouvez former une chaîne de ces fragments ; et ensuite, si vous saisissez un des bouts de la chaîne, vous entraînerez à sa suite toute la série. C’est ainsi que des chaînes de gros glaçons se forment quelquefois dans les mers polaires.

Voyons ce qui résulte de ces observations. La neige se compose de petites parcelles de glace. Alors, si par la pression nous chassons l’air que contient la neige fondante, et que nous amenions les petits grains de glace à se toucher, ils devront se souder ensemble ; et, si l’air est complètement expulsé, la neige comprimée devra présenter l’aspect de la glace compacte.

Telle est la conclusion à laquelle nous arrivons par le raisonnement; soumettons-la à l’épreuve de l’expérience, en nous servant d’une presse hydraulique convenable, et d'un moule pour contenir la neige. L’expérience est d'ac -

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cord avec la théorie, et, par la pression, nous transformons la neige en glace

Mettez dans un moule convenable une masse compacte de glace, et soumettez-la à une forte pression : elle se brise en morceaux. Comprimez alors fortement ces morceaux; ils se réunissent par regel, et vous retirez de la presse une masse de glace compacte, qui diffère entièrement de la première par sa forme. Pour obtenir ce résultat, il faut opérer sur de la glace fondante. Quand la température de la glace est beaucoup plus basse que celle de la glace fondante, la pression ne la transforme pas en une masse translucide d'une autre forme, mais bien en une poudre blanche.

En employant des moules convenables, on peut ainsi changer à volonté la forme de la glace, et obtenir des sphères, des coupes, des anneaux, des cables de cette substance; le changement de forme s’opère, dans tous les cas, par voie de broiement et de regel.

Si l’on comprime avec précaution, on peut éviter le broiement, et forcer la glace à changer lentement de forme, comme le ferait une matière plastique.

Or, notre première expérience explique la consolidation des neiges des régions supérieures des Alpes. Les couches inférieures du névé ont à supporter le poids de toutes les couches supérieures, ce qui les transforme en glace plus ou moins parfaite. Et notre dernière expérience explique les changements de forme observés sur le glacier, où, par l’action lente et continue de la pression, la glace se moule peu à peu sur la vallée qu’elle remplit.

1. Une expérience du môme genre avait été faite par MM. Schlagintweit, antérieurement à la découverte qui l'explique; ainsi ce fait était resté sans explication.

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D’ailleurs les glaciers nous présentent aussi de nombreux exemples de rupture brusque et de regel; telle est la manière dont les crevasses s’ouvrent et se referment. Le glacier se brise aux cascades et se ressoude au pied de ces mêmes cascades. Quand deux glaciers secondaires viennent se toucher par le flanc, le regel est si ferme qu’ils se mettent immédiatement à couler tout d’une pièce dans le lit du glacier principal. La moraine médiane n’indique pas par la lenteur de son mouvement qu’elle vienne de la glace plus lente qui forme les bords des glaciers secondaires.

Le point saillant de la théorie du regel, c'est que la glace des glaciers change de forme et conserve le caractère d’une nappe continue, sous l’influence d’une pression qui maintient la cohésion de ses molécules. Mais lorsqu’elle subit une certaine tension , plutôt que de s’étendre elle se brise, et ne se comporte plus comme un corps visqueux.

Cause du regel. — Jusqu’ici, nous nous sommes servis du fait du regel pour expliquer la plasticité de la glace des glaciers, sans essayer de trouver la cause du regel lui-même. Ce sont là, en effet, deux questions entièrement distinctes. Mais ce ne sera point perdre notre temps que de rechercher cette cause. On s'étonnera peut-être de voir des hommes de science consacrer leur attention à une si petite chose ; mais il ne faut pas oublier que rien n’est petit dans la nature. Les lois et les principes, voilà ce qui intéresse le plus l’homme qui étudie les sciences, et ils s’appliquent aussi bien aux petites choses qu’aux grandes.

La question du regel se rattache d’une manière immédiate à celle de la chaleur latente, dont nous avons déjà parlé, mais qu’il nous faut maintenant approfondir encore

davantage. Pour fondre la glace, nous l’avons déjà dit, il faut une grande quantité de chaleur, et c’est le soleil qui fournit cette chaleur aux glaciers. Ni la glace ainsi fondue, ni l’eau qui résulte de sa liquéfaction ne peuvent être à une température inférieure à zéro. Le point de congélation de l’eau et le point de fusion de la glace se tou- Xhent, pour ainsi dire, à cette température. A un millième de degré au-dessous, l’eau se congèle ; à un millième au dessus, la glace fond.

Mais si l’on pouvait faire fondre la glace sans qu’elle reçût rien du soleil, il en résulterait une température plus basse que celle de la glace fondante ordinaire. Quand on mêle ensemble de la neige et du sel, ou de la glace pilée et du sel, ceite dernière substance fait fondre la glace, et l’on peut obtenir un froid de 10 à 15 degrés au-dessous de zéro. Dans ce cas, la glace emploie réellement sa propre chaleur pour opérer la liquéfaction. Ce mélange de glace et de sel est appelé un mélange réfrigérant.

Et si, par quelque autre moyen, de la glace à zéro pouvait être liquéfiée sans recevoir de chaleur du dehors, l’eau produite serait plus froide que la glace. Or, le professeur James Thomson a prouvé que la glace peut être liquéfiée par la pression seule, et son frère, Sir William Thomson, a également démontré que de l’eau comprimée exige pour se congeler une température plus basse que quand elle n’est pas comprimée. Le professeur Mousson a, plus tard, liquéfié de grandes masses de glace au moyen d’une presse hydraulique; et, par une très-belle expérience, le professeur Helmholtz a prouvé que de l’eau contenue dans un vase où l’on a fait le vide, et où, par conséquent, la pression atmosphérique ne se fait plus sentir, se congèle et forme des cristaux de glace si on l’entoure

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de glace fondante. Tous ces faits se résument en cette loi, que la pression abaisse le point de congélation de l’eau *.

Nous pouvons, pour notre propre instruction, produire la liquéfaction de la glace par la pression, de la manière suivante : — Vous n’avez pas oublié les belles fleurs qu’on obtient en faisant passer un rayon de soleil à travers de la glace de lac, et vous vous rappelez que les fleurs se forment toujours parallèlement à la surface de congélation. Taillons un prisme, ou une petite colonne de glace, de manière que les plans de congélation le coupent à angle droit; mettons ce prisme entre deux planchettes, et comprimons-le avec précaution, à l’aide d’une petite presse hydraulique.

Il est bon de concentrer sur le morceau de glace une lumière assez vive, au moyen d’un miroir concave, et de l’examiner à la loupe. Vous voyez déjà le résultat : dans la substance même de la glace il se forme des surfaces troubles, qui gagnent peu à peu en étendue si 1 on augmente lentement la pression. Çà et là, vous apercevez quelque chose qui ressemble à une cristallisation ; on dirait que des feuilles de fougère parcourent la glace avec une grande rapidité, et, si vous en regardez attentivement les pointes et les bords, vous y constatez un mouvement fort appréciable. Ces surfaces troubles sont des espaces de liquéfaction, et le mouvement que vous voyez est celui de la glace qui se transforme en eau sous la pression. Cette eau est plus froide que ne l’était la glace avant d être comprimée; et, si la pression cesse, non-seulement la liquéfaction s’arrête, mais encore l’eau se regèle. Le froid produit par la liquéfaction de la glace sous l’action de la

1. mm. James Thomson et Clausius l’ont prouvé indépendamment l'un de l’autre, et presque à la même époque.

pression , suffit pour regeler l’eau dès que la pression a cessé.

Si, au lieu de distribuer la pression sur des surfaces d’une étendue considérable, nous la concentrons sur une petite surface, la liquéfaction sera nécessairement plus rapide, et c’est là ce que M. Bottomley a fait tout récemment dans une expérience singulièrement belle et intéressante. Appuyons sur des blocs de bois les deux extrémités d’une barre de glace de 25 centimètres de long sur 40 d’épaisseur et 7 de large, et faisons passer sur le milieu de cette barre un fil de cuivre de 1 ou 2 millimètres de diamètre. Si nous réunissons les deux extrémités de ce fil, et que nous y suspendions un poids de 6 ou 7 kilogrammes, toute la pression exercée par ce poids portera sur la glace qui soutient le fil. Qu’en résulte-t-il? La glace qui est sous le fil se liquéfie ; l'eau de liquéfaction s’échappe autour du fil, mais dès qu’elle n’est plus soumise à la pression, elle se congèle, de sorte que tout autour du fil, même avant qu’il n’ait pénétré dans la glace, il se forme une enveloppe de glace. Le fil continue à pénétrer dans la glace ; l’eau s’échappe sans cesse, et, à mesure, se congèle derrière le fil. Au bout d’une demi-heure, le poids tombe ; le fil a traversé la glace dans toute son épaisseur. On voit nettement la trace de son passage, mais les deux morceaux de la barre de glace se sont ressoudés si solidement, que la barre cassera sur tout autre point aussi bien qu’à la surface de regel.

Voici, sur le même sujet, une autre expérience remarquable que nous devons à M. Boussingault. Il prend un cylindre d’acier creux, qu’il remplit d’eau et qu’il soumet au refroidissement. L’eau, vous le savez, se dilate en se congelant; et, en effet, une condition indispensable de la congélation, c’est que le liquide ait assez de place pour

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se dilater. Mais, dans le cas qui nous occupe, l’acier était assez fort pour résister à la force de dilatation, de sorte que l'eau est restée liquide, à une température de plus de 15 degrés au-dessous de zéro. A cette température, en secouant le cylindre, on put entendre une balle qu’on y avait mise venir frapper contre les parois, ce qui montrait que l’eau était toujours à l’état liquide. Dès qu’on ouvrit le robinet, le liquide, n’étant plus comprimé, se changea immédiatement en glace.

Les substances qui se dilatent en se solidifiant, sont les seules qui se comportent ainsi. Le bismuth, nous le savons, ressemble à l’eau sous ce rapport ; au contraire, pour le plomb, la cire, le soufre , qui se contractent en passant à l’état solide, le point de fusion remonte sous l’influence de la pression.

Et maintenant, vous comprendrez facilement la théorie du professeur James Thomson sur le regel. Quand deux morceaux de glace sont pressés l’un contre l’autre, il y a, dit-il, liquéfaction. L’eau s’étend autour des points de pression, et, dès qu’elle est libre, regèle et forme ainsi une sorte de ciment entre les morceaux de glace.

Théorie de Faraday sur le regel. — Il est moins facile d’exprimer la manière dont Faraday comprend le regel; mais je veux cependant vous en donner quelque idée, en commençant par les faits reconnus. On peut, même dans un vase ouvert, abaisser la température de l’eau à plusieurs degrés au-dessous de zéro, sans qu’elle cesse d’être liquide ; on peut aussi porter cette température bien audessus de cent degrés, sans que l’eau entre pour cela en £bullitiôn. Cela vient de la cohésion qui existe entre les molécules de l’eau, cohésion qui empêche le liquide de passer soit à l’état solide, soit à celui de vapeur.

Mais si dans del’eau refroidie au-dessous de zéro on jette une parcelle de glace, la cohésion est détruite, et la congélation s’opère immédiatement. De même, si dans l’eau surchauffée on introduit une bulle d’air ou de vapeur , la cohésion est également détruite, et le liquide entre immédiatement en ébullition.

De ces faits Faraday conclut qu’à l'intérieur de tout corps, solide ou liquide, où chaque molécule est, pour ainsi dire, saisie par les molécules voisines, et les saisit à son tour, la cohésion est si forte qu’il faut pour changer l'état d’agrégation de ces molécules une température plus élevée que celle qu’il faut à la surface. A la surface d’un morceau de glace, par exemple, il y a un côté où les molécules sont dégagées de l’action des autres molécules; elles cèdent donc à la chaleur plus facilement que les molécules de l’intérieur. La bulle d’air ou de vapeur que l’on introd uit dans l’eau surchauffée, dégage aussi les molécules d’un côté; de là l'ébullition qui suit l’introduction de cette bulle. Ainsi, dans la pratique, le point de liquéfaction de la glace intérieure est plus élevé que celui de la glace de la surface. Faraday parle aussi de la puissance spéciale de solidification que les corps exercent sur leurs propres molécules. Du camphre mis dans un flacon de verre, remplit ce flacon d’une atmosphère de camphre. Dans une telle atmosphère, de gros cristaux de cette substance peuvent se former par le dépôt continuel de molécules de camphre sur du camphre, à une température trop élevée pour permettre la formation du plus léger dépôt sur la paroi de verre. La même observation s’applique au soufre, au phosphore et aux métaux en fusion. Ils se déposent sur des morceaux solides de leur propre substance, à des températures trop élevées pour qu’ils puissent se solidifier sur d’autres substances.

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L'eau est un exemple remarquable de cette puissance spéciale de solidification. On peut la refroidir à plus de cinq degrés au-dessous de zéro sans qu'elle se congèle. Mais cela devient impossible si le moindre fragment de glace se trouve en suspension dans l’eau : dans ce cas, l’eau gèle exactement à zéro ; seulement, elle se dépose , non sur les parois du vase qui la contient , mais sur la glace elle-même. Faraday a vu, dans un appareil de congélation, de minces cristaux de glace' s’accroître, dans de l’eau à zéro, jusqu’à la longueur de six, huit ou dix pouces, tandis que la température ne suffisait pas pour en déterminer le dépôt sur les parois du récipient.

Et maintenant nous pouvons aborder les idées de Faraday sur le regel. Quand les surfaces de deux morceaux de glace, recouvertes d’une mince pellicule d’eau de liquéfaction, viennent à se toucher, la pellicule d’eau passe de la surface au centre de la glace, oü le point de liquéfaction, comme nous l'avons vu, est plus élevé qu’à la surface. La puissance spéciale de solidification que la glace exerce sur l'eau, agit alors des deux côtés de cette pellicule. Faraday était d’avis que, dans ces circonstances , la pellicule doit se congeler , et souder ensemble les deux surfaces.

L’abaissement du point de congélation par la pression n’est que de ^ de degré centigrade par atmosphère. En

présence de la fraction infinitésimale de cette pression qui agit dans certains cas de regel, Faraday pensait que l’effet en était insensible. Il suspendait des morceaux de glace, et les mettait en contact sans pression appréciable, et néanmoins ils se soudaient ensemble. Cependant le professeur James Thomson est d’avis que même l’attraction

capillaire qui s’exerce entre deux masses de ce genre, suffirait par déterminer le regel. Voici quelques expériences que peuvent faire ceux qui veulent étudier ce sujet :

Mettez sur l’eau un petit morceau de glace , et pressez le par dessous avec un second morceau ; ce dernier peut être assez petit pour que la pression exercée soit infinitésimale, et néanmoins il se soudera à la face inférieure de l’autre morceau.

Mettez deux morceaux de glace dans un bassin d’eau chaude , et faites en sorte qu’ils se touchent : ils se soudent ensemble dès qu’il y a contact. Les parties voisines du point de contact fondent, mais les deux morceaux restent pendant quelque temps unis par un fil de glace. Ce fil finit par fondre, et les deux morceaux sont un instant séparés; mais la force de capillarité les réunit immédiatement, et le regel s’opère de nouveau. Un nouveau lien se forme, puis se dissout à son tour, et les morceaux séparés s’unissent de nouveau. Il s’établit ainsi une sorte d’oscillation entre les deux morceaux de glace; ils se touchent, se soudent; un pont se forme entre eux, puis se fond ; et ces alternatives continuent jusqu’à ce que la glace disparaisse.

Selon la théorie du professeur lames Thomson, la pression est nécessaire pour fondre la glace. La chaleur nécessaire à la liquéfaction doit être empruntée à la glace elle-même, et l’eau froide doit échapperà la pression pour se regeler. Or, dans les expériences qui précèdent, l’eau froide, au lieu de pouvoir se congeler , se mêle à l'eau chaude, et néanmoins les morceaux flottants se ressoudent en un instant. En outre les surfaces de contact peuvent être convexes; elles peuvent se réduire en réalité à des pointes