Les phénomènes de l'air

Lorsque nous examinons ce qui se passe dans l'univers physique et que nous cherchons à nous en rendre compte, nous y voyons tout d'abord deux choses : de la matière et du mouvement. Puis la notion du mouvement fait naître aussitôt dans notre esprit celle des forces qui le produisent. Ces forces sont- elles extérieures ou inhérentes à la matière? C'est là une question purement spéculative dont la discussion serait ici hors de propos.

Ce qui est certain, c'est que l'esprit ne saurait admettre une force agissant en dehors de la matière, non plus que la matière se mouvant ou se modifiant sans l'intervention d'une force; je ne pense pas, soit dit en passant, qu'il y ait de meilleur argument à opposer aux métaphysiciens qui s'amusent à démontrer que la matière n'existe pas, ou du moins qu'il se pourrait bien qu'elle n'existât pas.

Tjes physiciens, qui goûtent peu ces subtilités idéalistes , inclinent aujourd'hui fortement à croire, au contraire, que, tout bien compté, c'est plutôt le vide qui n'existe point : et cela par cette raison très plausible que ce qu'on a considéré longtemps comme le vide est le théâtre de certains phénomènes lumineux, calorifiques, magnétiques peut-être, lesquels n'auraient point lieu si les causes qui les déterminent ne trouvaient là aussi un quelque chose sur quoi exercer leur action. Car, s'il est vrai que tout effet implique une cause, que toute action implique un agent, il n'est pas moins évident qu'une cause ne saurait agir sur le néant; sans quoi son action serait comme non avenue, son effet serait nul; et un agent qui n'agit sur rien, une cause qui n'a pas d'effet ne se conçoivent pas plus aisément qu'un effet

sans cause. Or, je le répète , tous les phénomènes particuliers dont la physique, la chimie, l'astronomie, la géologie, la physiologie poursuivent l'étude peuvent se ramener à un seul phénomène général : de Ja matière en mouvement.

Dans l'infiniment grand, c'est le mouvement des astres parcourant au sein de l'espace leurs orbites immenses. Dans l'infiniment petit, c'est le mouvement des atomes hétérogènes faisant et défaisant, en vertu de leurs attractions et de leurs répulsions mutuelles, d'innom- ""^i brables composés; c'est le mouvement des molécules homogènes su- „ bissant, sous l'influence des forces qui les gouvernent, les modifications par lesquelles se manifestent les propriétés générales des corps. Chez les êtres vivants, c'est le mouvement des organes remplissant les fonctions complexes dont l'ensemble constitue la vie. Mais aucun de ces mouvements, de ces phénomènes, ne s'accomplit au hasard; tous sont également soumis à des lois immuables, éternelles, dont la majestueuse simplicité devient plus évidente à mesure que la science pénètre plus profondément dans les arcanes de la nature, mais que le génie des philosophes anciens n'avait point méconnues. « Les nombres, .disait Pythagore, gouvernent le monde. » Cette formule exprime une vérité qui est à la fois la base et le couronnement de la philosophie naturelle. Empédocle (d'Agrigente) affirmait le mouvement universel ; Epicure et plusieurs autres philosophes avaient entrevu la constitution atomique et la divisibilité infinie de la matière, l'aptitude de la plupart des corps à passer de l'état d'agrégation et de coagulation à l'état de fluides plus ou moins mobiles ou subtils , et réciproquement. La volatilisation et la condensation alternatives d'un grand nombre de corps à la surface de la terre semblent assez clairement indiquées dans les vers suivants de Lucrèce, le disciple enthousiaste et l'éloquent interprète d'Epicure :

Semper enim quodcumque fluit de rébus, id omne Aeris in magnum firtur mare : qui nisi contra Corpora rétribuât rébus, recreetque fluentes, Omnia jam resoluta forent, et in aéra versa.

Haud igitur cessât gigni de rébus, et in res Recidere assidue; quoniam fluere omnia constat '.

(Lucrèce, De rerum Nalura, lib. V, v. 276-281.)

1 n Car toutes les émanations des corps vont sans cesse se perdre dans le vaste océan de l'air; et, s'il ne leur restituait à son tour ce qu'ils ont perdu, s'il ne régénérait les fluides qui s'en échappent, tout serait déjà dissous et transformé en air. LVir ne cesse donc point d'être engendré par les corps et d'y retourner, puisque tout dans la nature se fluidifie, n

Toutefois cette notion n'était et ne devait être que vague et incomplète. Le progrès des sciences expérimentales, tout à fait inconnues des anciens, a pu seul la rendre nette et précise. Et encore n'est-ce pas sans un certain effort d'attention et de réflexion qu'aujourd'hui même beaucoup de personnes intelligentes, éclairées, mais qui ne sont pas versées dans les sciences , parviennent a la concevoir clairement.

Chacun comprend aisément ce que c'est que des corps solides et des corps liquides: on les voit, on les touche, on en sent le poids et la résistance; mais on ne se fait pas une idée aussi satisfaisante de ce que c'est qu'un gaz ou une vapeur, bien qu'on n'en révoque point en doute l'existence; et ce qui semble encore plus étrange, c'est qu'un même corps puisse être tour à tour solide , liquide , gazeux , sans changer aucunement de nature, sans perdre ou acquérir la moindre parcelle de substance et sans que ses propriétés essentielles éprouvent d'altération.

Arrêtons-nous quelques instants sur ces principes élémentaires de physique : ils sont indispensables à l'intelligence de ce qui va suivre.

Les corps, on le sait, sont formés par l'assemblage de pnrticules extrêmement ténues, de molécules que nos sens ne nous permettent pas de distinguer, que nous ne pouvons isoler par aucun des moyens mécaniques dont nous disposons, mais qui , sous l'empire de certaines forces, s'écartent ou se resserrent, se groupent de diverses manières. Ils donnent lieu ainsi aux phénomènes que l'on désigne sous le nom de changements d'Haï, et qu'on attribue à l'antagonisme perpétuel de deux agents physiques, dont l'un tend constamment à rapprocher les molécules des corps, l'autre, au contraire, à les séparer. La première de ces forces est la cohésion ; la seconde est la chaleur. On admet , en conséquence , que l'état solide est celui où la cohésion l'emporte sur la chaleur; l'état liquide, celui où la cohésion et la chaleur se font sensihlemcnt équilibre; l'état gazeux enfin celui où, la cohésion étant vaincue ou détruite, la chaleur agit seule. Cela posé, tandis que les molécules d'un corps solide sont tellement unies entre elles, qu'un effort plus ou moins énergique est nécessaire pour les disjoindre, pour détacher une partie de la masse qu'elles forment, les molécules d'un corps liquide glissent librement les unes sur les autres , se déplacent et se séparent avec une grande facilité, n'opposant aux impulsions, aux pressions, aux attractions extérieures qu'une faible résistance.

Quant aux substances gazeuses, elles jouissent d'une mobilité, d'une fluidité bien supérieure encore à celle des liquides; elles n'ont aucune consistance, échappent à la préhension , n'adhèrent point, comme les

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liquides, aux corps qui les touchent, et sont presque impalpables dans le sens rigoureux du mot. Elles ont en outre pour caractère essentiel une élasticité parfaite; et aussi leur a-t-on donné le nom de fluides élastiques. Grâce à cette élasticité , elles sont indéfiniment expansibles; r leurs molécules, soustraites à toute action réciproque, et sollicitées uniquement par la force dissolvante qu'on attribue au calorique, tendent toujours à s'écarter, à se désunir, à se disséminer dans l'espace. A cette force expansive correspond , dans les fluides élastiques , une compressibilité qui n'est limitée que par l'insuffisance des moyens dont nous disposons, ou, pour quelques gaz, par le point où le rapprochement de leurs molécules détermine leur réduction à l'état liquide. Encore est-il des gaz qui n'ont jamais pu, ni par compression ni par refroidissement, être amenés à ce point; on les nomme gaz permanents. ' Ils sont au nombre de cinq, savoir : l'oxygène, l'hydrogène, l'azote^ Qe bioxyde d'azote et l'oxyde de carbone.

Les propriétés des gaz n'ont pu être étudiées que très récemment, grâce aux perfectionnements merveilleux des procédés d'observation et d'expérimentation. On ne doit donc pas s'étonner que jusque-là ces substances insaisissables , dont la plupart n'ont ni odeur, ni saveur, ni couleur, et n'affectent aucun de nos sens , aient été considérées comme dépourvues de pesanteur, comme distinctes des solides et des liquides , comme établissant en quelque sorte la transition entre les corps réputés grossiers , et la substance ignée ou éthérée qui , dans les idées des philosophes de l'antiquité , était l'élément pur et subtil par excellence, le principe de la chaleur, de la lumière et de la vie.

Ignea convexi vis et sine pondère cœli Emicuit, summaque locum sibi legit in arce :

Proximus est aer illi levitate, locoque ',

dit Ovide. Et plus loin :

Eœc super imposuit liquidum et gravitatc carentem JEthera, née quicquam terrenœ fœcis habentem '-.

Ces philosophes établissaient une différence notable entre l'air, l'éther, les gaz proprement dits, et les vapeurs, les exhalaisons qui s'échappent des matières terrestres , et qui , selon eux , participent à

i « L'élément igné, qui n'a point de poids, jaillit de la voûte du ciel et vint se placer au sommet. Au-dessus se trouve l'air, qui s'en rapproche le plus par sa légèreté. » - •• ■'■

2 « Au-dessus il (Jupiter) plaça l'éther, fluide dépourvu de gravite, et qui n'a rien des impuretés terrestres. »

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la « grossièreté » de ces dernières. On retrouve la même pensée chez les alchimistes et les médecins du moyen âge, qui toutefois appliquaient aux gaz et aux vapeurs la dénomination commune d'esprit, dénomination aussi vague en elle-même que les épithètes de grossier et de subtil, qu'on rencontre à chaque instant dans leurs écrits, et dont ils eussent été fort embarrassés d'expliquer la signification.

TAjoutons du reste que, dans le langage de la science moderne, la distinction entre les gaz et les vapeurs ne repose pas non plus sur des caractères bien tranchés et n'est guère que conventionnelle. Les gaz et les vapeurs sont également des fluides élastiques aériformes : seulement, pour les premiers cet état de fluides élastiques est l'état normal , celui qu'ils affectent à la température et sous la pression ordinaire, et qu'ils conservent encore avec plus ou moins de persistance lorsque la pression augmente et que la température s'abaisse. Les secondes sont produites par des corps que la nature nous présente à l'état liquide ou même solide, et ne prennent naissance qu'à la faveur d'une certaine élévation de température ou d'une certaine diminution de pression. Quant aux propriétés physiques, elles diffèrent peu. On a constaté cependant que, sous l'influence de la chaleur, la force élastique des vapeurs s'accroît plus que celle des gaz; mais c'est encore là une différence purement relative, un effet de la même cause inconnue qui fait que telle substance a plus de tendance que telle autre à se dilater ou à se contracter, à se liquéfier, à se solidifier, ou à prendre la forme gazeuse, sans qu'il y ait lieu pour cela d'établir entre elles de ^distinction radicale.

Quoi qu'il en soit, nous nous occuperons seulement ici des propriétés qui appartiennent aux gaz proprement dits, et par conséquent à l'air atmosphérique, sujet de notre étude. C'est, nous l'avons dit plus haut, par l'expérience que les physiciens modernes sont parvenus à déterminer ces propriétés, à rendre évidente la matérialité des gaz, à démontrer qu'ils sont soumis aux mêmes lois que les corps solides et liquides; que comme eux ils participent, bien qu'à des degrés divers, des attributs essentiels de la matière.

Au premier rang de ces attributs se placent l'étendue et l'impénétrabilité , qui font qu'un corps, quel qu'il soit, occupe toujours une certaine portion de l'espace qu'aucun autre ne peut occuper en môme temps. Pourmonlrcrque les gaz sont étendus et impénétrables, posons sur une cuvette remplie d'eau un corps flottant, tel, par exemple, qu'un bouchon de liège, et sur ce bouchon renversons un verre vide. Je dis vide, pour me servir de l'expression commune; car, en enfonçant verticalement dans l'eau un verre renversé, nous éprouvons une certaine résistance, ce qui n'aurait pas lieu si nous y enfoncions un

tube ou un vase dont le fond serait percé. En outre , à mesure que le verre s'enfonce dans le liquide , nous voyons le flotteur s'enfoncer aussi. L'eau ne peut donc pénétrer dans le vase que jusqu'à une certaine hauteur. Que le verre même plonge tout entier, pourvu qu'il soit maintenu dans la position verticale, on verra toujours au dedans un espace que l'eau n'envahira point. Donc cet espace est occupé déjà

Compression des gaz.

par quelque chose de résistant, de matériel, qui s'oppose invinciblement à ce que l'eau puisse remplir toute la cavité du verre, jusqu'à ce que nous inclinions suffisamment celui - ci ; alors des bulles viendront crever à la surface du liquide ; l'eau se précipitera dans la capacité devenue libre, et le flotteur ira se coller contre le fond du

verre.

Le fluide invisible que contenait le verre n'était autre que l'air atmosphérique. Les choses se fussent passées d'une manière identiquement semblable avec tout autre gaz. La même expérience peut servir aussi à prouver la compressibilité et l'expansibilité des gaz. En effet, le volume de l'air emprisonné sous le verre augmente ou diminue suivant qu'on le soulève ou qu'on l'enfonce, c'est-à-dire qu'on le soumet à une pression moindre ou plus forte. Mais ces propriétés des fluides élastiques se manifestent d'une façon bien plus évidente par une autre expérience qui se répète souvent dans les cours de physique.

On prend une vessie munie d'un robinet, on la mouille pour la rendre flexible. On y introduit une petite quantité d'un gaz quelconque; on ferme le robinet, et on place la vessie sous le récipient d'une machine pneumatique. Tant que ce récipient contient de l'air, la vessie demeure flasque et affaissée ; mais à mesure que l'air est raréfié par le jeu de la pompe, elle se gonfle, se ballonne, et il arrive

Dilatation des gaz dans le vide.

un moment où elle est aussi tendue que si l'on y avait insufflé avec force une grande quantité de gaz. C'est que d'abord l'air qui se trouve dans le récipient, en vertu de sa propre force expansive, comprime la vessie et le gaz qu'elle renferme; mais, l'air se raréfiant de plus en plus, le gaz se dilate, distend les parois de sa prison, et finit par en occuper toute la capacité.

Deux physiciens du siècle dernier, l'un Français, l'abbé Mariotte , l'autre Anglais, Robert Boyle, ont formulé la loi de dilatation et de contraction des gaz. Cette loi, qui porte dans chacun des deux pays un nom différent, —en France celui de loi de Mariotte, en Angleterre celui de loi de Boyle, — est la suivante : les volumes occupés par une même masse gazeuse, dont la température demeure constante, sont en raison inverse des pressions qu'elle supporte. Plus récemment, Des-

pretz a établi que tous les gaz ne sont pas également compressibles. Enfin il résulte des expériences de Regnault que les gaz permanents suivent seuls rigoureusement la loi de Mariotte , et que les gaz liquéfiables s'en écartent d'autant plus qu'ils sont pris à une température plus voisine de leur point de liquéfaction.

Personne n'ignore aujourd'hui que tous les corps qui se trouvent à

Démonstration du poids des gaz.

la surface de notre planète sont soumis à une force qui les attire vers son centre, les fixe au sol, et, s'ils viennent à en être éloignés par une cause quelconque, les y ramène fatalement. Cette force, c'est la pesanteur. Mais les gaz semblent faire exception, et l'on est fort tenté de 'croire , comme les philosophes anciens , que leur ténuité , leur subtitayjf lité, leur fluidité les font échapper à son empire. Il n'en est rien pourtant : les gaz sont formés de particules matérielles , et l'attraction terrestre agit sur ces particules comme sur celles qui constituent les corps solides ou liquides. Seulement le poids d'un corps étant la somme des attractions que la pesanteur exerce sur chacune de ses molécules , et les molécules des gaz , sous un volume donné , étant relativement peu nombreuses , leur poids total est ainsi relativement faible. On le constate et on le mesure néanmoins très aisément au

moyen de la balance. Il suffît pour cela de prendre un ballon en verre muni d'un robinet, d'y faire le vide et de le peser, puis d'y introduire un gaz et de le peser de nouveau : on verra que le poids du ballon plein de gaz est plus grand que celui du ballon vide ; et si l'on répète l'expérience avec le même ballon, successivement rempli de divers

Baroscope.

gaz, on trouvera à chaque fois un résultat différent; d'où il faut conclure que chaque gaz a un poids spécifique, une densité qui lui est^, propre.

D'autres expériences non moins simples ont démontré avec la même évidence que les lois d'équilibre et de pression des liquides s'appliquent également aux gaz. Parmi ces lois, nous nous contenterons de rappeler celle dont la découverte est due au célèbre physicien de Syracuse, Archimède. Elle peut s'énoncer ainsi : Tout corps plongé dans un fluide perd de son poids une quantité égale au poids du volume de fluide qu'il déplace, et se trouve, en conséquence, sollicité

par deux aclions contraires : l'une est celle de la pesanteur, qui l'attire verticalement de haut en bas; l'autre est la pomsée du fluide qui acit en sens contraire, c'est-à-dire verticalement de bas en haut. Selon que la première de ces deux aclions l'emporte sur la seconde , ou la seconde sur la première , ou que toutes deux se font équilibre , ce qui dépend du rapport de densité entre le corps immergé et le fluide ambiant, le corps descend ou monte, ou demeure immobile. C'est sur ce principe que reposent l'ascension et la suspension des corps légers, et en particulier des ballons ou aérostats dans l'atmosphère. Une ingénieuse expérience instituée par Otto de Guericke, l'immortel inventeur de la machine pneumatique et de la machine électrique, rend sensible la pression exercée par l'air sur les corps qui y sont immergés.

A l'une des extrémités du fléau d'une balance le bourgmestre de Magdebourg suspendit une petite sphère massive en cuivre ; l'autre extrémité portait une sphère beaucoup plus volumineuse, mais creuse, à parois très minces, et dont le poids faisait, au sein de l'air, exactement équilibre à celui de la sphère pleine. Il plaça cet appareil, appelé horoscope, sous le récipient d'une machine pneumatique, où il faisait le vide. Dès lors l'équilibre fut rompu : la balance pencha du coté de la sphère creuse. L'explication de cette apparente anomalie est simple : dans l'air, chacune des deux sphères perdait de son poids « une quantité égale au poids du volume d'air déplacé », ou, ce qui est la même chose, recevait une poussée proportionnelle à ce même volume. La sphère creuse , plus grosse que la sphère massive et déplaçant un plus grand volume d'air, recevait donc une poussée plus forte. L'équilibre établi entre elles était factice , il ne correspondait pas à une égalité de poids réelle. D'où l'on voit que , comme les corps qu'on pèse dans les balances n'ont jamais le même volume que les poids dont on se sert comme terme de comparaison , une pesée, pour être rigoureusement exacte, devrait toujours être faite dans le vide.