CHAPITRE VII

L'ÉVAPORATION DE L'EAU. — CIRCONSTANCES QUI INFLUENT SUR L'ÉVAPORATION. — LES ÉTUVES. — LES ALCA- RAZZAS. — MANIÈRE DE MESURER L'HUMIDITÉ DE l'AIR.

— l'hygromètre de de Saussure. — le cryophore

DE WOLLASTON. — l'ÉBULLITION DE L'EAU. — CIR- CONSTANCES QUI INFLUENT SUR L'ÉBULLITION DE L'EAU.

— h'hypsomètre de regnault. — l'eau en vapeur.

— TENSION DE LA VAPEUR D'EAU AUX DIFFÉRENTES TEMPÉRATURES. — LA MARMITE DE PAPIN. — LES AU- TOCLAVES. — LES CHAUDIÈRES DES MACHINES A VAPEUR EN USAGE DANS LES MANUFACTURES. — f ORMES AC- TUELLES DE CES CHAUDIÈRES.

L'eau se réduit en vapeur à toutes les températures. Le phénomène de Vébullition n'est autre chose que la transformation rapide de l'eau en vapeur. Ce phénomène devient apparent pour nous quand l'eau a atteint la température de 100°, parce que nous

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sommes frappés de l'agitation du liquide qui est traversé par des bulles de vapeur; mais au-dessous de 100°, et même à la température de zéro, la transformation de l'eau en vapeur se produit toujours. Seulement elle ne se fait qu'en raison inverse de l'abaissement de température.

La pression atmosphérique et l'état hygrométrique de l'air influent, en même temps que la température, sur l'évaporation de l'eau. 11 faut donc poser en principe que l'eau | chaude s'évapore plus rapidement que l'eau : froide, qu'elle s'évapore plus vite sur les i hautes montagnes, où la pression atmosphé- I rique est moindre, qu'au niveau de la mer, et que, dans l'air sec, l'évaporation est plus rapide que dans l'air humide.

Un courant d'air chaud et sec qui réalise une partie de ces conditions, doit activer beaucoup l'évaporation de l'eau. On construit dans l'industrie, pour la dessiccation des différentes substances, telles que le sucre, les gommes et divers produits chimiques, des étuves, qui sont la réalisation pratique de ces principes. Une étuve est un espace cios dans lequel on renferme les substances à dessécher, et qu'on soumet à un courant d'air sec et chaud.

Comme l'eau liquide existe en quantité considérable à la surface du globe, et comme elle se réduit en vapeur à toutes les | températures, il en résulte que l'air atmosphérique doit renfermer constamment de l'eau à l'état de vapeur. Tout le monde sait, en effet, que l'air atmosphérique est un mélange d'oxygène et d'azote, mêlé d'une petite quantité de gaz acide carbonique, auquel s'ajoute de la vapeur d'eau.

Les quantités de vapeur d'eau contenue dans l'air atmosphérique varient par suite d'une foule de circonstances, mais surtout suivant la nature du pays. L'humidité atmosphérique est plus considérable sur les bords de la mer et dans le voisinage des grands lacs, que sur les continents. Mais

ses variations principales tiennent a la température.

Lorsque l'air a été saturé de vapeur d'eau par l'action de la chaleur, c'est-à-dire lorsqu'il renferme autant d'humidité qu'il peut en admettre à cette température, et que l'air vient à se refroidir, l'excès de vapeur se précipite, soit à l'état liquide, soit à l'état vésiculaire. Ainsi se forment, dans les régions supérieures de l'air, les nuages, et à la surface de la terre, les brouillards. Si la température s'abaisse davantage dans les régions supérieures, l'eau passe de l'état vésiculaire à l'état liquide, et tombe à la surface de la terre ; en d'autres termes, les nuages se transforment en pluie.

Si on place un corps très-froid dans de l'air chaud, la surface de ce corps se recouvre d'eau. Cette eau provient des couches d'air qui entourent le corps froid et qui, refroidies par le contact du corps froid, ont déposé, à l'état liquide, la vapeur d'eau qu'elles contenaient. C'est ce qui arrive quand on porte, en été, dans un appartement, une carafe pleine d'eau frappée à la glace : on voit ses parois extérieures se recouvrir d'humidité.

Le givre qui se forme sur les vitres, à l'intérieur des appartements, a la même origine, ainsi que nous l'avons dit en parlant de l'eau solide. Mais il importe d'expliquer pourquoi ces aiguilles de glace ne se déposent pas toujours, en hiver, sur les carreaux de vitre. Cela dépend de l'existence de la vapeur d'eau dans la pièce de l'appartement ou de l'absence de cette vapeur. L'air de nos appartements a ordinairement une température de -f 15 à-j-18°, et contient en même temps beaucoup de gaz provenant de notre respiration et de notre transpiration. Mais, en hiver, cet air est continuellement refroidi par les vitres des croisées ; la vapeur d'eau se condense sur ces vitres quand le froid est considérable, et se convertit en glace, que l'on

nomme givre dans ce cas particulier. Cependant, si l'air de la chambre est trèssec, ou s'il ne contient pas une quantité d'eau suffisante, les carreaux ne se recouvrent point de givre, même quand il y a une grande différence entre la température du dehors et celle du dedans. Si l'on veut provoquer la formation d'aiguilles cristallines, autrement dit de givre, sur les carreaux, il suffit de porter dans la chambre un vase plein d'eau chaude. L'évaporation de cette eau sature complètement l'air de vapeur, et au bout de quelques minutes les vitres commencent à se recouvrir de cristaux d'eau solidifiée.

L'humidité de l'air augmente également par la présence des animaux et des plantes, qui exhalent continuellement de la vapeur d'eau. Elle diminue s'il existe à la surface de la terre, différents sels et une foule d'autres corps qui, par leur affinité pour l'eau, la séparent de l'air.

Il est donc d'une grande importance poulies recherches scientifiques, et quelquefois pour les opérations de l'industrie, de connaître exactement la quantité d'eau contenue dans l'air. On appelle hygromètre l'instrument qui sert à apprécier le degré d'humidité atmosphérique; seulement, il faut bien s'entendre sur les indications données par lui. Lî hygromètre n'indique pas les quantités absolues de vapeur d'eau qui sont contenues dans l'air, mais seulement le degré approchant le terme où l'air serait entièrement saturé d'humidité à la température ambiante. C'est donc une appréciation relative et non une mesure absolue que nous donne l'hygromètre. On peut, à la vérité, remonter par le calcul, ou simplement par les tahles que les physiciens ont construites à cet effet, du degré de l'hygromètre à la quantité absolue de vapeur d'eau contenue dans un certain volume d'air; mais on a rarement besoin de cette donnée. La science et l'industrie se contentent des indications de l'hygromètre,

dont les degrés nous disent ce qui manque à l'air pour être saturé d'humidité, à la température donnée par le thermomètre.

V hygromètre à cheveu, ou hygromètre de Saussure, se compose tout simplement d'un cheveu tendu par un petit poids. Le cheveu, quand il a été débarrassé, par l'ébullition dans une eau alcaline, de la matière grasse qu'il contient, est une substance extraordinairement sensible à l'humidité de l'air, et qui absorbe ou abandonne très-vite cette humidité, en s'allongeant ou se raccourcissant dans des proportions très-sensibles. L'élongation ou le raccourcissement d'un cheveu, tel est donc le moyen qui sert à apprécier les variations de l'humidité atmosphérique. Cette élongation ou ce raccourcissement sont amplifiés et traduits par une aiguille, qui est attachée à une petite poulie autour de laquelle s'enroule l'extrémité libre du cheveu. Les degrés de ce cadran présentent les variations de longueur du cheveu et constituent le degré de Y hygromètre.

L'hygromètre de Saussure (fig. 32) se compose donc d'un cheveu C, tendu par un poids D, et exposé à l'air. Le cheveu s'enroule, par son extrémité libre, autour d'une poulie sur laquelle est fixée une aiguille parcourant un cadran, G. Un cadre métallique supporte le tout. Un thermomètre, H, indispensable pour les indications de l'hygromètre, accompagne l'instrument.

Il y a beaucoup d'autres manières d'apprécier l'état hygrométrique de l'air ; mais l'instrument que nous venons de décrire est le seul qui soit en usage.

L'évaporation de l'eau produit un abaissement de température plus ou moins considérable suivant la rapidité de cette évaporation. C'est sur ce principe, c'est-à-dire sur la production du froid par l'évaporation, qu'est fondé l'emploi des vases poreux pour refroidir l'eau. Les alcarazzas (fig. 33), si

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communs en Espagne et qu'on fabrique également en France, pour refroidir l'eau, en été, sont des vases en terre très-poreuse : on les place à l'ombre et dans un courant d'air. L'eau qui suinte à travers leurs parois s'évapore aux dépens du calorique de l'eau contenue dans le vase, et l'eau se refroidit. C'est en raison de l'accroissement d eva-

Fig. 32. — Hygromètre de Saussure.

poration que provoque le renouvellement de l'air que, dans les grandes chaleurs de l'été,

on trouve plus de fraîcheur dans l'air agité que lorsqu'il est tranquille, quoique le prc-

Fig. 33. — Alcarazzas.

mier soit quelquefois plus chaud que le dernier, parce qu'il accélère l'évaporation de

Fis:. 34. — Cryoplio*'e de YVollaston.

la sueur formée principalement d'eau. L'u- ! en agitant l'air, active l'évaporation à la sage des éventails a le même but. L'éventail, | surface du corps.

Un appareil, nommé eryophorc, et que l'on doit au docteur Wollaston, prouve, d'une manière très-frappante quel froid considérable produit l'évaporation. Dans le cryophore, on voit l'eau solidifiée par le froid produit par sa propre évaporation.

Cet instrument que représente la figure 34, consiste en un long tube en verre, recourbé et terminé à chaque extrémité par une houle, A et B. On introduit dans le tube un peu d'eau, que l'on fait bouillir, quand il est plein de vapeur, afin de chasser l'air, et on le ferme à la lampe. La vapeur, en se condensant ensuite, laisse l'espace intérieur vide d'air. Aussi, quand on renverse le liquide, tombe-t-il tout d'une pièce avec bruit comme dans le cas du marteau d'eau.

On fait, avec le eryophorc, la curieuse expérience consistant à faire geler de l'eau par sa propre évaporation. Si l'on fait passer l'eau dans la boule A et qu'on plonge la boule B dans un mélange réfrigérant, il s'établit une espèce de distillation à froid; la vapeur d'eau formée dans la boule A se condense dans la boule B, et alors, l'évaporation étant très-rapide, il se produit bientôt un froid suffisant pour congeler l'eau dans la boule A.

C'est également en raison du froid que développe l'évaporation que l'on voit l'acide carbonique liquéfié par un refroidissement considérable et la compression de ce gaz, passer à l'état solide, quand il est exposé à l'air. Il en est de même pour le protoxyde d'azote liquide, qui, lorsqu'on le retire du vase où on l'a liquéfié, se solidifie, r,ar suite du froid résultant de sa propre évaporation.

Le point d'ébullition de l'eau a été choisi pour déterminer le centième degré du thermomètre centigrade ; mais pour que l'eau, bouille exactement à cette température, il faut se conformer à plusieurs conditions physiques, que nous allons passer en revue.

11 ne faut pas que l'épaisseur de l'eau soit

de plus de quelques décimètres, car avec une épaisseur d'eau un peu considérable, les bulles de vapeur auraient besoin, pour surmonter la pression de la masse supérieure d'eau liquide, d'une plus forte tension ; elles emprunteraient donc une plus grande quantité de chaleur au foyer. L'eau contenue dans une chaudière ou dans un générateur d'usine, bout à 105 ou 106 degrés, quand la hauteur de l'eau dépasse 1 mètre 1 /2 ou 2 mètres.

Pour que l'ébullition de l'eau se fasse exactement à 100 degrés du thermomètre centigrade, il faut que le vase qui la contient soit en métal, et que la surface du métal soit un peu rugueuse. Dans un vase bien poli ou dans un vase mauvais conducteur du calorique, comme le verre, l'eau bout au-dessus de 100 degrés.

Si dans un vase de verre où l'eau ne bout que lentement, on jette de petits clous et de la limaille de fer, on détermine instantanément une ébullition facile et une température plus basse.

La pression atmosphérique influe considérablement sur le degré de l'ébullition de l'eau. Ce liquide bout à des températures d'autant plus basses que la hauteur des lieux est plus considérable. Le tableau suivant fait connaître le degré de l'ébullition de l'eau dans quelques localités à altitude croissante.

Température

Noms

Altitude.

de

des stations.

l'ébullition.

Paris, à l'Observatoire.

Hospice du mont Saint-

Gothard

Métairie d'An tisau a

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Fig. 35. — Ébullition de l'eau à froid, dans le vide produit par la machine pneumatique.

Ainsi, l'eau bouillante n'est pas également chaude dans tous les lieux de la terre. Sur les montagnes très élevées, les diverses substances alimentaires, comme la viande et les légumes, tenues en ébullition dans l'eau, ne se cuisent pas aussi bien que dans les plaines, à la hauteur du niveau de la mer. Un potau-feu fait au sommet du mont Blanc, à 4,800 mètres d'élévation, serait moins riche en matières solubles que celui qui serait préparé à la hauteur du niveau de la mer.

La pression atmosphérique étant la principale puissance qui s'oppose à l'évaporation de l'eau, l'évaporation est considérablement activée quand la pression atmosphérique diminue. Le principal obstacle qui s'oppose à la transformation en vapeur, c'est, en effet, le poids de l'air qui pèse sur cette eau. Diminuez la pression de l'air, et vous activerez l'évaporation ; supprimez totalement la pression atmosphérique, vous verrez l'évapo-

ration se produire, et une véritable ébullition avoir lieu à la température ordinaire, et sans aucun foyer.

Cette expérience intéressante se fait dans les cours de physique, au moyen de l'appareil que représente la figure 35. Dans un ballon, B, plein d'eau, fermé par un bouchon et communiquant , au moyen d'un tube de caoutchouc , avec une machine pneumatique, AC, on fait le vide, et tout aussitôt l'eau se met à bouillir. L'air atmosphérique qui, dans les conditions ordinai res, s'oppose, par sa pression, à la transformation de l'eau en vapeur, étant soustrait à l'intérieur du ballon par le jeu de la machine pneumatique, l'eau se transforme aussitôt en vapeur et, par une sorte de paradoxe physique, l'ébullition de l'eau est provoquée à froid.

La possibilité de faire bouillir l'eau dans le vide, ou d'accélérer considérablement sa

vaporisation, est souvent mise à profit dans l'industrie. On a vu, dans la Notice sur l'Industrie du sucre, qui fait partie de ce recueil (I), que l'évaporation des jas sucrés provenant soit de la canne, soit de la betterave, se fait toujours par l'intermédiaire du vide. L'appareil de Howard à cuire dans le vide servit le premier, dans les colonies, à évaporer les jus sucrés au moyen du vide. Les appareils dits à triple effet, dans lesquels l'évaporation dans le vide a été singulièrement perfectionnée, servent aujourd'hui cà l'évaporation des jus sucrés de la betterave, et réalisent une grande économie. C'est au moyen d'énormes machines pneumatiques, dites pompes à air, que l'on produit et que l'on entretient constamment le vide dans les chaudières évaporatoires, ainsi que nous l'avons dit en décrivant les procédés d'extraction du sucre de betterave et de raffinage du sucre colonial.

L'industrie des produits chimiques fait usage du vide pour accélérer l'évaporation, ou pour évaporer des liquides que l'action de la chaleur pourrait altérer. Des sirops, des extraits, sont préparés de cette manière. On appelle en pharmacie extraits dans le vide, des extraits médicamenteux produits en évaporant des macérations aqueuses de différents produits végétaux. Tandis que les extraits obtenus par l'ancien procédé de l'évaporation à l'air libre, sont toujours noirs et en partie altérés, les extraits dans le vide sont d'une belle couleur fauve, indice certain de leur pureté.

Dans l'industrie du raffinage du sucre, la dessiccation au moyen du vide est largement employée. Ainsi que nous l'avons dit en parlant de cette industrie (2), on appelle sucettes, dans les raffineries, les appareils qui servent à dessécher, au moyen du vide, les pains de sucre, après le clairçage.

La température de l'ébullition de l'eau

(1) Tome II.

(2) Tome II, page 71.

s'abaissant à mesure que la pression atmosphérique diminue, l'eau doit entrer plus vite en ébullition au sommet d'une montagne qu'à sa base ; bien plus, la température de cette ébullition doit correspondre exactement à la hauteur du lieu où l'on se trouve sur cette montagne. Par une conséquence du même genre, l'eau doit bouillir à des températures plus élevées, si l'on descend dans les profondeurs du sol. Sur le mont Blanc, comme on le voit d'après le tableau de la page précédente, l'eau bout à 84 degrés, tandis que dans les mines de charbon de terre, en Belgique, elle bout à plus de 100 degrés, à cause de la profondeur de ces mines.

On conçoit donc que le point d'ébullition de l'eau puisse servir à évaluer l'altitude des lieux. M. Regnault a construit sur ce principe un instrument qui donne la hauteur d'un lieu au-dessus du niveau de la mer, d'après la température de l'ébullition de l'eau.

h'hypsomètre de M. Regnault est représenté dans la figure 3G.

A est une petite chaudière pleine d'eau que l'on chauffe avec une lampe à alcool ; elle est surmontée d'un tube C, qui s'allonge au moyen de tirages ; un thermomètre est suspendu à l'intérieur de ce tube, et le dépasse par son extrémité D, de manière à permettre de lire, de l'extérieur, les degrés extrêmes de l'échelle. On fait bouillir l'eau et on constate le degré du thermomètre. D'après le degré observé au thermomètre et au moyen de tables dressées par M. Regnault, on connaît la tension de la vapeur, et l'on en déduit la pression barométrique, et par conséquent la hauteur du lieu où l'on se trouve.

Cet instrument ne mérite pas une grande confiance, sous le rapport de l'exactitude ni de la facilité d'emploi, mais il est fondé •sur un principe si curieux que nous n'avons pas cru devoir le passer sous silence.

Voici une autre conséquence importante de ce fait, que la pression atmosphérique s'oppose à l'ébullition de l'eau. Empêchez ia vapeur d'eau de se dégager, quand vous faites bouillir cette eau, et vous empêcherez ou retarderez beaucoup son ébullition.

Fig. d'G. — Hypsomètre de Regaault.

Si l'on chauffe de l'eau dans un espace clos, la température de l'eau s'élèvera de plus en plus, mais, au lieu d'être employée à produire de la vapeur, la chaleur restera concentrée dans le liquide, dont la température s'élèvera sans cesse. L'eau bout, sous nos yeux, à la pression d'une seule atmosphère; mais placez cette eau dans une capacité fermée et très-résislante, et l'eau n'entrera en ébullition qu'à 120° environ; ce qui veut dire que la tension de sa vapeur, à cette température, suffit pour vaincre la pression de deux atmosphères.

Dans la marmite de Papin, nom du phy-

sicien français qui l'a inventée, on peut porter l'eau à 300" centigrades, et même, plus, sans qu'elle entre en ébullition.

Cette marmite consiste, comme le représente la figure 37, en un vase cylindrique en bronze C, fermé par un couvercle percé d'un petit orifice s, qui est fermé par la pression d'un levier L, porteur d'un poids, P. Le tout constitue ce que l'on nomme la soupape de sûreté. Le couvercle est fixé sur le vase par une vis de pression V.

Cet appareil, qu'on appelle aussi digestcur, est en usage dans l'industrie. 11 sert à faire digérer certaines substances, telles que les os, dans l'eau, à des températures très-

Fig. 37. — Marmite de Papin.

élevées; car la température de l'eau ainsi chauffée en vase clos est en raison directe de la pression qu'elle supporte, et son action dissolvante augmente avec la température.

On appelle aujourd'hui autoclaves les chaudières dans lesquelles on retient la vapeur d'eau pour produire certaines réactions chimiques à de hautes températures ou à de hautes pressions, ce qui est la même

chose. Nous avons vu en parlant, dans ce recueil, de l'industrie de la Teinture (1), que les autoclaves sont très en usage dans les ateliers où l'on s'occupe de la préparation des couleurs d'aniline.

Il est une dernière circonstance qui influe sur le point d'ébullition de l'eau : c'est la présence des sels tenus en dissolution dans cette eau. On sait que l'eau de mer

bout à une température plus élevée que l'eau pure.

Lorsque l'eau est saturée de sels, elle bout à une température constante, qui peut être très-élevée. Le physicien Legrand a fait une série d'expériences sur dix-sept sels différents, pour déterminer le point d'ébullition de l'eau saturée de ces sels. Nous citerons seulement douze de ces sels, que nous réunissons dans le tableau suivant :