VI. PROPAGATION DE LA CHALEUR PAR CONDUCTIBILITÉ

Nous avons vu que, si l'on tient à la main une barre de fer dont l'extrémité est plongée dans un foyer incandescent, la chaleur du foyer se communique au métal, et se propage de molécule à molécule tout le long de la barre ; après un temps assez court, la température s'élève au point de brûler la main et de la forcer à lâcher prise. Si, au lieu d'être en fer, la barre, tout en conservant le même diamètre et la même longueur, était d'un autre métal, on observerait un effet analogue; mais on verrait varier à la fois, et le temps qu'un point situé à une même distance de l'extrémité chauffée sur chaque barre mettrait à s'élever à une certaine température, et la distance du point le plus éloigné de chacune d'elles susceptible d'acquérir une température déterminée. Voici une expérience fort simple qui mettra en évidence la différence que nous signalons :

Prenons deux barres de dimensions égales. Tune en cuivj l'autre en fer. Des billes de bois sont fixées avec de

CONDUCTIBILITE DE LA CHALEUR

d des distances égales des extrémités. Plaçons les barres bout à bout, et cliauffous les extrémilés contiguës, au-dessous du point de jonction, au moyen de la flamme d'une laaipe à esprit de vin. Nous allons voir les billes tomber les unes après les autres, à mesure que la cire est fondue par la chaleur qui se propage par voie de conductibilité dans chaque barre. Mais au

^ de

Fig. 3i9. — inégales conducUhiiilé du cwrre et du fer,

bi>ut d'un lemps donné, nous trouverons que le nombre des billes tombées est en plus grand noaibre du côté de la barre de cuivre que du coté du fer* D'aulre part, deux billes de même rang, situées par conséquent à la même distance de la furee^ ne tombent pas au même instant. Laissons de côté pour le moment la rapidité avec laquelle la cbaleur s'est pro-

Ftg. 330* — Appareil d'ingenbotiz pour li meiurcs des pouv9rrs conducletir».

pagée le long de cbaque barre, pour ne nous occuper que du premier efTet, e*est-à-dire de la distance à laquelle un certain degré de température, qui est ici celui de la Fusion de îa cire, a pu être atteint sur les deux métaux. Le cui\Te, pour lequel celte distance s'est trouvée plus grande, est dit meilleur conducteur Ae la chaleur que le fer,

La figure 320 représente un appareil, inventé par Ingenhouz cl modifié par Gay-Lussac, et qui sert à comparer entre eux

les pouvoirs conducteurs des corps solides. Des baguettes cylindriques de chacune des substances à comparer, enduites de couches de cire ayant la même épaisseur, sont placées horizontalement, de manière à plonger par une de leurs extrémités dans un bain d'huile ou d'eau bouillante, l'autre extrémité traversant les parois de la caisse qui contient l'huile. La chaleur du liquide est conduite le long de chaque baguette, et fond la cire à des distances d'autant plus grandes, que la conductibilité de la substance dont elle est formée est elle-même plus considérable. On a imaginé d'autres procédés pour mesurer les pouvoirs conducteurs des solides ; mais celui que nous venons de décrire suffit pour faire comprendre comment on a pu ranger les différents corps dans l'ordre de leur conductibilité. Voici l'ordre dont il s'agit, pour les principaux métaux :

Argent 1000 Fer 119

Cuivre 776 Acier 116

Or 532 Plomb 85

Laiton 236 Platine 84

Zinc 190 Palladium 63

tain 145 Bismuth 18

Les métaux sont, de tous les corpg solides, les meilleurs conducteurs de la chaleur, si l'on excepte toutefois le bismuth. La pierre, le verre, le marbre, le sont beaucoup moins que les métaux; enfin le bois, le charbon de bois préparé à une basse température, c'est-à-dire non calciné, et en général les substances organiques, les fruits charnus, les plantes grasses, les tissus des animaux et des végétaux, sont de mauvais conducteurs. On voit d'ailleurs, par les nombres qui précèdent, quelle différence existe entre les conductibilités des différents métaux. « On peut mettre cette différence en évidence, dit Tyndall, d'une manière très-simple, en plongeant par un bout deux cuillères. Tune de maillechort et l'autre d'arçent, dans le même vase d'eau chaude. Après un peu de temps, on trouvera l'extrémité libre de la cuillère d'argent bien plus chaude que

CONDUCTIBILITÉ DE LA CHALEUR

celle de

et si l'i

)lace dei

roisinc ; et si Ton place deux morceaux de phosphore sur les manches des deux cuillères^ celui qui sera sur Targent se fondra et s'enflammera dans un temps très-court, tandis que la chaleur transmise à travers l'autre cuillère n'arrivera jamais à une intensité suffisante pour enflammer le phosphore. » La raison de ces faits se trouve dans l'inégaUlé du pouvoir conducteur de 1 argent et de celui du maillechort. Tandis que le premier est 1000, le second n'est que OO*

Un dernier fait va nous prouver que la conductibilité d'une substance ne dépend pas de la rapidité plus ou moins grande, avec laquelle la chaleur se propage à son intérieur. On prend deux courts cylindres de même volume, Tun de fer, l'autre de bismuth ; et, après avoir enduit de cire blanche les bases des deux cylindres, on les place tous deux sur le couvercle d'un vase rempli d*eau chaude, les bases recouvertes de cire étant situées en haut, La chaleur du vase va se propager dans chaque cylindre, et la cire arrivera à fondre sur tous les deux; mais c'est sur le bismuth (jue la fusion commence d'abord. Cependant la conductibilité du bismuth, d'après notre précédent tableau, est 6 fois moindre que celle du fer. Quelle est donc la raison du phénomène constaté? C'est que, pour élever un morne poids des deux métaux à la même température, il faut quatre fois plus de chaleur environ pour le fer que pour le bismuth. La chaleur reçue par le fer est donc en grande partie employé** à élever sa température; et c'est ce qui explique la lenteur relative avec laquelle a lieu la propagation dans sa masse. Pour apprécier les pouvoirs conducteurs du fer et du bismuth, il faut, comme on la vu, prendre deux barres de môme diamètre, mesurer les di-

Fig. 321. — Kxpérience sur la conductibUiié liu fer comparée à celle du bismuth.

stcmces à la source de chaleur des tranches qui ont la même température au moment de l'équilibre, et faire les carrés des nombres qui mesurent ces distances : ce sont ces carrés qui serviront de mesure aux deux pouvoirs conducteurs.

Dans tout ce que nous venons de dire, il s'agit de corps homogènes. Dans les solides dont la structure n'est pas identique dans tous les sens — tels sont par exemple les cristaux biréfringents, le spath, le quartz, etc. — la conductibilité varie suivant le sens de la propagation de la chaleur: il y a une

complète analogie entre la manière dont la chaleur se propage dans ces corps, et celle relative au mouvement de la lumière. Ainsi, qu'on prenne deux plaques de quartz taillées. Tune parallèlement, l'autre perpendiculairement à l'axe op- Fig. 322. - Inégale conduc tiquc, et qu'ou Ics rccouvrc toutes deux S£^Jr '" d^ ^i^^ ; si^ ^P^ès les avoir percées d'un trou, on y fait passer un fil qu'on échauffe par un courant électrique, la cire se fond tout autour du point où la chaleur est appliquée. Mais tandis que la couche limitant la cire fondue est une ellipse dans la première plaque, c'est un cercle parfait dans la seconde (fig. 322), ce qui démontre l'inégale coaductibilité dans les deux sens. La conductibilité du bois est mctximum dans le sens de la direction des fibres ; elle est beaucoup moindre dans une direction perpendiculaire à la première.

L'inégale conductibilité des différents solides est utilisée dans une foule d'applications. Les outils et les ustensiles en métal, dont l'usage nécessite qu'on les soumette à une haute température, sont munis de manches mauvais conducteurs, en bois par exemple, qui arrêtent presque complètement la propagation de la chaleur. Les tissus de coton, de soie, surtout de laine, sont de fort mauvais conducteurs : ils sont donc trèspropres à préserver le corps des excès de la chaleur et du froid. En été, ils empêchent la chaleur extérieure de pénétrer jusqu'à

CONDUCTIBILITÉ DE LA CHALEUR

la surface de notre corps; et en hîvei% c'est au contraire la chaleur du corps qui reste cmprisonQée, par ladilFiculte qu'opposent les vêtements à sa propagation au dehors. Du reste, ce n'est pas la substance seule dont ils sont composés qui donne aux tissus cette propriété précieuse ; c'est aussi leur structure : entre les filaments se trouvent interposées des couches d'air qui restent înimubiles, et^ comme les gaz en repos conduisent Irés-mal la chaleurj il en résulte que celle-ci passe avec une grande difficulté h travers le tissu • Un édredou conserve la chaleur à un Irés-hant degré, beaucoup mieux que ne ferait une couverture de laine serrée et plus pesante.

On pourrait multiplier k l'infini ces exemples. Bornons-nous à deux ou trois expériences curieuses fondées sur la différence de conductibilité des corps solides. On enveloppe une boule métallique d'uue toile fine, qu'on maintient très-serrée conti*e le métal, de façon h ce que le contact soit bien établi. Puis, prermnt avec une pince un charbuii incandescent, ou le pose sur la boub* ainsi enveloppée. Le tissu reste intact : on a beau soufller sur le charbon pour augmenter sou incandescence, la toile ne brûle pas. C'est que la chaleur reçue par la toile est injmé<Uatement accaparée par le métal très-bon conducteur, et disséminée dans sa masse»

Qu'avant d'allumer un bec de gaz, on place au-dessus de rarifice une toile métallique à tissu un peu serré, et qu'on ouvre le robinet, le gaz se répandra au-dessous et au-dessus de la toile. Si on l'allume au-dessous, la condnistion reste limilée à la partie inférieure du jet de gaz ; si au contraire on 1 allume au-dessus, cesl la partie supérieure du jet qui brillera ffig. 323). Dans les deux cas, Finterposition de la toile Uîélallique suftira pour limiter la combustion. La raison de ce fait est simple* Les mailles dé la toile forment un excellent conducteur de la chaleur développée. Celle-ci se répand rapidement sur le tissu , sans pouvoir se propager du côté opposé à celui qiii est en ignition. Nous verrons une importante application de cette propriété des toiles mélùlliques dans les

lampes de sûreté àe Davy, employées par les mineurs. Le tissu métallique qui enveloppe la lumière suffit pour prévenir Tinflammation et l'explosion du grisou, ce gaz si dangereux qui se dégage dans les mines de houille.

L'asbeste et l'amiante sont deux substances minérales soyeuses, célèbres par leur incombustibilité : ce sont en effet des corps très-mauvais conducteurs de la chaleur, et Ton peut, avec un gant d'amiante , soutenir dans la main un boulet rouge sans être brûlé. Dans ce cas, la chaleur ne peut se propager : elle est interceptée ; dans l'exemple qui précède elle est, au contraire, absorbée rapidement: dans les deux cas, sa propagation par voie de conductibilité se trouve limitée.

Fig. 323. — Propriété des toiles métalliques; obstacle qu'elles opposent à la propagation

de la chaleur.

Les expériences qu'on a faites pour mesurer la conductibilité des liquides et des gaz prouvent que cette conductibilité est très-faible. Cependant, on voit la chaleur se propager avec assez de rapidité dans ces deux sortes de milieux. Mais alors ce n'est plus par conductibilité, c'est par convection, c'est-àdire par transport des parties échauffées. La raison de ces mouvements est aisée à comprendre. Quand une portion de liquide est chauffée, sa densité diminue ; dès lors, en vertu du principe d'Archimcde, cette portion tend à s'élever et à remplacer les couches plus denses qui la surmontent. C'est ce qui arrive, quand on chauffe un liquide par le fond du vase qui le contient. Si le liquide est chauffé latéralement , les courants qui s'établissent partent seulement des parois, au

CONDUCTIHILTTÉ DE LA «IHALEUB.

lieu lie partir de tous les [»omts du fond. L'échauffemeut, dans jDe cas, est beaucoup moins rapidi^ Du reste, Texistoace des )uraiits dont il s'agit est facile à mettre eu évidence. On n'a qtrà mêler au li(|iiidc des poudres de même densité que lui, par exemple de la sciure de bois dans Teau, Cette poudre reste en suspension^ et dès qu'on chauffe le vase , on voit le mouvement des particules, de haut eu bas et de bas eu haut, accuser rexistcuee des courants: les courauls ascendants proviennent des parties échauftees cjui s'élèveut, les courants descen<lants sont dus aux parties froides plus denses qui remplacent les premières. La chaleur est donc charriée dans toute la ruasse du liquide, et c'est ainsi qu'elle se propage*

Toutefois la conductibilité des liquides n'est pas nulle , comme Ta prouvé M, Despretz en chauffant par la base supérieure un vase cylindrique rempli du liquide h étudier. Douze thermomètres dont les boules étaient engagées à diverses hauteui's dans le liquide, et dont les tiges étaient extérieures au vase, indiquèrent des températures décroissantes depuis h!S couches supérieures jusquà la moitié du vase, qui avait un mèti'e de liauteur. Les six thermomètres inférieurs ne montèrent pas d'une manière sensilile, La conductibilité des liquides est ainsi prouvée, mais elle est très-faible.

Celle des gaz n'a pu èti*e constatée. Tout ce qu'on sait, c'est qu'ils sont certainement de très-mauvais conducteurs de la chaleur. Les masses gazeuses s'échauffent, comme les masses liquides^ par transport ou conveclion : grâce à leur grande dilatabilité, dès qu'une portion de masse gazeuse se trouve échautrée, soit par rayonnement, soit par contact, son volume &* accroît, et il en résulte des mouvements qui mélangent les diverses couches. La chaleur se trouve ainsi charriée comme daas les liquides, mais avec uue rapidité encore plus grande. .\ussi^ dès qu'on gène les mouvements dont nous parlons, en

iprisonnanl le gaz dans les interstices que laissent entre leurs Fragineuts des substances fdamenteuses comme le colon , la laine, la soie non tissée, le duvet^ etc., le gaz s'échauffe diffici-

lemeut, aiusi qu'il résulte d'un grand nombre d^expériences dues à Thomson. Nous avons vu plus haut que c'est en partie grâce à cette propriété des gaz, de conduire très -mal la chaleur quand ils sont en repos, que les vêtements préservent le corps des pertes de chaleur pendant les temps froids.